A constitutive model of human esophagus tissue with application for the treatment of stenosis

Abstract

This dissertation is a research about the mechanical behavior of the human esophagus. This work is intended to be applied in the treatment of stenosis and other esophageal diseases that frequently require a procedure of forced dilation, that involves high pressures on the esophagus wall. This study proposes a constitutive model to simulate forced dilatations. This study includes the experimental characterization of the mechanical behavior of human esophagus. In addition, some theoretical questions and experimental issues were addressed and solved. This dissertation summarizes the previous work on esophageal tissues by other authors. Additionally, a short explanation about the microcontinuum theory developed in the last decades is given, as well as a summary of the general theory of nonlinear hyperelastic constitutive models (with large deformation). This study required extensive testing of esophageal tissue in order to characterize the in vitro mechanical behavior. The testing included mainly tensile tests and complementary inflation tests. Optical motion track analysis was used for accurate computation of the strains in the tissue. The results of the tests were used for adjusting the mechanical properties that characterize the mechanical behavior of esophagus in the proposed models of the literature. The statistical analysis of the data revealed, some significant correlations between anthropometric factors, such as the body mass index, and some mechanical properties were found in the analysis of the data. The typical values of the mechanical properties were used to perform some numerical finite element simulations based on the proposed models. In addition, a number of theoretical results were obtained concerning the residual stress and the predictions of statistical mechanics for a system of collagenous fibers inside a soft tissue. The main result is a constitutive non-linear microstretch anisotropic hyperelastic constitutive model with large deformations (and with residual stresses) to characterize the multi-layered tissue of human esophagus. This model is suitable for numerical simulation.

Esta tesis es una investigación sobre el comportamiento mecánico del esófago humano. Este trabajo se pensó para ser aplicado al tratamiento de la estenosis y otras afecciones esofágicas que, con frecuencia, requieren dilatación forzada, lo que supone altas presiones sobre la pared esofágica. Este estudio propone un modelo constitutivo para simular estas dilataciones forzadas. Este estudio incluye la caracterización experimental del comportamiento mecánico del esófago. Además, se han planteado algunas cuestiones teóricas y experimentales que han sido resueltas. Esta tesis resume el trabajo previo sobre tejido esofágico de otros investigadores. Además, se da una pequeña explicación sobre la teoría del medio microntinuo desarrollada en las últimas décadas y un breve resumen de la teoría general de modelos constitutivos hiperelásticos no-lineales (con grandes deformaciones). El estudio requirió experimentación de tejido para caracterizar el comportamiento in vitro. Los test incluyeron test de tracción y test de inflado. Se empleó rastreo óptico para un cálculo adecuado de la deformación. Los resultados de los test permitieron encontrar las propiedades mecánicas según dos modelos de esófago de la literatura. El análisis de los datos rebeló, algunas correlaciones significativas entre factores como el índice de masa corporal y algunas propiedades mecánicas. Los valores típicos de las propiedades fueron usados para algunas simulaciones numéricas basadas en los modelos propuestos. Además se han obtenido algunos resultados teóricos sobre la tensión residual y las predicciones de la mecánica estadística para un sistema de fibras de colágeno del tejido. El principal resultado es un modelo constitutivo de microestiramiento anisótropo no-lineal e hiperelástico para caracterizar el esófago Este modelo es adecuado para la computación numérica.