The thoracic diaphragm is the muscle that drives the respiratory cycle of a human being. Using a system of partial differential equations (PDEs) that models linear elasticity we compute displacements and stresses in a two-dimensional cross section of the diaphragm in its contracted state. The boundary data consists of a mix of displacement and traction conditions. If these are imposed as they are, and the conditions are not compatible, this leads to reduced smoothness of the solution. Therefore, the boundary data is first smoothed using the least-squares radial basis function generated finite difference (RBF-FD) framework. Then the boundary conditions are reformulated as a Robin boundary condition with smooth coefficients. The same framework is also used to approximate the boundary curve of the diaphragm cross section based on data obtained from a slice of a computed tomography (CT) scan. To solve the PDE we employ the unfitted least-squares RBF-FD method. This makes it easier to handle the geometry of the diaphragm, which is thin and non-convex. We show numerically that our solution converges with high-order towards a finite element solution evaluated on a fine grid. Through this simplified numerical model we also gain an insight into the challenges associated with the diaphragm geometry and the boundary conditions before approaching a more complex three-dimensional model.


翻译:胸膜隔膜是驱动人类呼吸循环的肌肉。 使用一个部分差异方程式系统( PDEs) 来模拟线性弹性, 我们计算线性弹性, 并用其合同状态下隔膜的两维交叉部分来进行压力。 边界数据由混合的迁移和牵引条件组成。 如果这些是按原样强加的, 且条件不兼容, 就会降低解决方案的平稳性。 因此, 边界数据首先使用最小方形的辐射基函数系统( RBF- FD) 来平滑。 然后, 边界条件被重新确定为带有平滑系数的罗宾边界条件。 同样的框架还用来根据从一个计算图象(CT) 扫描中获取的数据来接近隔断部分的边界线的边界曲线。 为了解决PDE, 我们使用不合适的模型最不相宜的模型RBFF- FD 方法。 这使得处理隔膜的几何测量功能更容易产生有限差异( RBF- FDD) 框架框架( RBF- FD- FDD) 框架框架框架框架框架框架。 然后, 将重新制定为罗宾边界条件, 用光度条件, 以平坦和不甚小且非直径直径直径直径直径直径直径直径立的参数, 我们用一个高的平的平方方方方方方方方格的公式来评估。

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