Estimation of fracture toughness of liver tissue: experiments and validation

Kateter sokma, robot kontrollü iğne yerleştirme, dikiş atma, kesme veya yırtma ve biyopsi gibi birçok cerrahi operasyonda, delinen, kesilen veya yırtılan yumuşak dokunun kırılma tokluğu, cerrahi aletler ve doku arasındaki etkileşimlerin modellenmesi açısından önemli bir rol oynar. Her ne kadar kemik ve dentin gibi sert biyo-malzemelerin kırılma tokluğunu hesaplamak için kayda değer sayıda deneysel çalışma yapılmış olsa da, yumuşak dokular üzerindeki deneysel çalışmaların sayısı çok sınırlıdır ve tahmini değerler arasında oldukça farklar vardır. Biz, bu farklılığın sebebinin delici/kesici aletin geometrisinin sonuçlar üzerindeki etkisinin göz ardı edilmesi olduğunu savunuyoruz. Savımızı kanıtlamak amacıyla, değişik çaplardaki 4 adet sivri iğneyle 3 farklı sığır karaciğeri üzerinde iğne sokma deneyleri yaptık. İğne çaplarıyla hesaplanan tokluk değerleri arasında doğrusal bir ilişki olduğunu gösterdik ve bunu kullanarak sığır ciğerinin kırılma tokluğuna dair özgün bir değer elde ettik (J = 164 ± 6 J/m2). Bu deneysel sonuçları doğrulamak amacıyla, sonlu eleman simülasyonları yaptık. Bu amaçla, sığır karaciğerlerinin hiper-viskoelastik malzeme özelliklerini, bir ters sonlu eleman çözümünden hesaplayabilmek için, ilk önce, bu karaciğerler üzerinde, sıkıştırma ve gevşeme deneyleri aracılığıyla, deneysel veriler topladık. Sonra, enerji temelli mekanik kırılma teorisini kullanarak, her bir karaciğerin sonlu eleman modeline iğne sokma simülasyonu yaptık, ve değişik iğne çapları için yapılan simülasyonlardan elde edilen tepki kuvvetlerinin, fiziksel deneylerden elde edilenlerle mükemmel uyuştuğunu gösterdik.