YUMUŞAK BİYOLOJİK DOKULARIN DÜZLEMSEL EŞYÖNSÜZ MEKANİK DAVRANIŞININ BİREYE VE NOKTAYA ÖZEL BELİRLENMESİ İÇİN ELİPSOİD UÇLARLA YERİNDE CANLI (İN VİVO) İNDENTÖR DENEYLERİ

Yıl 2011, Cilt: 26 Sayı: 1, 0 - , 20.02.2013

Ali Petekkaya Ergin Tönük

Öz

Yumuşak dokular insan bedeninin neredeyse tüm dış yüzeyini kaplar ve bedenin çevre ile mekanik etkileşiminde önemli rol oynar. Mühendisliğin diğer alanlarında uzun süredir başarı ile kullanılan sonlu elemanlar tekniği insan bedeninin çevre ile mekanik etkileşimini (özellikle beden dışında kullanılan protez ve ortezlerle) modellemede henüz aynı başarı düzeyine ulaşamamıştır. Burada temel darboğaz, yumuşak biyolojik dokuların mekanik davranışı ile ilgili yeterli ayrıntıda bilgi sahibi olunmaması olduğu kadar bu dokuların görece karmaşık mekanik yanıtlarından da kaynaklanmaktadır.Bu çalışmada yumuşak biyolojik dokuların mekanikn davranışlarının bireye özel, yerinde ve canlı olarak araştırılması için indentör cihazı ile eksenel simetrisi olmayan elipsoid uçlar kullanılarak ön kol yumuşak dokuları üzerinde devirli yükleme, gevşeme ve sünme deneyleri yapılmış, elde edilen sonuçlar büyük gerinme yaklaşımına uygun, doğrusal olmayan, iç mekanik enerji kayıplı (inelastik) ve mekanik özellikleri eşyönsüz (anizotropik) bir malzeme kanununun ve bu kanuna ait katsayıların belirlenebilmesi amacıyla işlenmiştir.Elde edilen deney sonuçları şimdiye kadar yumuşak dokular hakkında bilinenlerle uyumlu olmakla birlikte alışma (Mullin) etkisiyle ilgili yumuşak doku literatüründe yer almayan, bir devirde mekanik enerji kaybının (histeris) alışma ile azaldığı ve kararlı bir değere ulaştığı gözlenmiştir. Öte yandan elastik olmayan davranışı modellemek için iki terimli Prony serisi kullanımının gerekli ve yeterli olduğu sonucuna ulaşılmış, alışma davranışını modellemek için seriye üçüncü terimin ilavesinin gerekli olabileceği izlenimi edinilmiş ancak gerekli deneyler bu çalışma kapsamında yapılmamıştır. Elastik olmayan davranışı modelleyen katsayıların yöne bağımlı olduğu gözlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

Yumuşak biyolojik doku, malzeme karakterizasyonu, indentör deneyi, doğrusal olmayan viskoelastik özellikler, eşyönsüz (anizotropi).

Kaynakça

• Torres-Moreno R., Biomechanical analysis of the interaction between the above-knee residual limb an prosthetic socket, Doktora Tezi, Bioengineering Dept., Univ. Strathclyde, Glasgow, U.K., 1991.
• Zachariah R., Sanders S. G., J. E., “Interface Mechanics in Lower-Limb External Prosthetics: A Review of Finite Element Methods”, IEEE, Transactions on Rehabilitation Engineering, Cilt. 4, 288-302, 1996.
• Silver-Thorn M. B., Steege J. W., Childress, D. S., “A review of prosthetic interface stress investigations”, the Journal of Rehabilitation Research and Development., Cilt 33, 253–266, 1996.
• Zhang M., Lord M., Turner-Smith A. R., Roberts V. C., “Development of a nonlinear finite element modeling of the below-knee prosthetic socket interface”, Medical Engineering & Physics, Cilt 17, 559–566, 1995.
• Zhang M., Mak A. F. T., “Finite element analysis of the load transfer between an above-knee residual limb and its prosthetic socket—Roles of interface friction and distal-end boundary conditions”, IEEE, Transactions on Rehabilitation Engineering, Cilt. 4, 337–346, 1996.
• Commean P. K., Smith K. E., Vannier M. W., Szabo B. A., Actis R. L., “Finite element modeling and experimental verification of lower extremity shape change under load”, Journal of Biomechanics, Cilt 30, 531–536, 1997.
• Tanaka M., Akazawa Y., Nakagawa A., and Kitayama I., “Identification of pressure distribution at the socket interface of an above-knee prosthesis”, Advances in Engineering Software, Cilt. 28, 379–384, 1997.
• Zhang M., Mak A. F. T., Roberts V. C., “Finite element modeling of a residual lower-limb in a prosthetic socket: A survey of development in the first decade,” Medical Engineering & Physics, Cilt 20, 360–373, 1998.
• Silver-Thorn M. B., “In vivo indentation of lower extremity soft tissues”, IEEE, Transactions on
• Rehabilitation Engineering, Cilt 7, 268–277, 1999.
• Simpson, G., Fisher, C., Wright, D.K., “Modeling the interactions between a prosthetic socket, polyurethane liners and the residual limb in transtibial amputees using non-linear finite element analysis”, Biomedical Sciences Instrumentation, Cilt 37, 343-347, 2001.
• Lin, C.-C., Chang, C.-H., Wu, J.-L., Wu, C.-L., Liao, I.-C., Juan, H.-H., “Finite element analysis of the interface stresses between the stump and socket for a below-knee amputee”, Journal of Medical and Biological Engineering, Cilt 21, 23-30, 2001.
• Tönük, E., Silver-Thorn, M. B., “Nonlinear Elastic Material Property Estimation of Lower Extremity Residual Limb Tissues” IEEE, Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering Cilt 11, 43-53, 2003.
• Tönük, E., Silver-Thorn, M. B., “Nonlinear Viscoelastic Material Property Estimation of Lower Extremity Residual Limb Tissues”, ASME Journal of Biomechanical Engineering Cilt 126, 289-300, 2004.
• Lin, C.-C., Chang, C.-H., Wu, C.-L., Chung, K.-C., Liao, I.-C., “Effects of liner stiffness for trans-tibial prosthesis: A finite element contact model”, Medical Engineering & Physics Cilt 26, 1-9, 2004.
• Goh, J.C.H., Lee, P.V.S., Toh, S.L., Ooi, C.K., “Development of an integrated CAD-FEA process for below-knee prosthetic sockets”, Clinical Biomechanics Cilt 20, 623-629, 2005.
• Jia, X., Zhang, M., Li, X., Lee, W.C.C., “A quasi-dynamic nonlinear finite element model to investigate prosthetic interface stresses during walking for trans-tibial amputees”, Clinical Biomechanics Cilt 20, 630-635, 2005.
• Faustini, M.C., Neptune, R.R., Crawford, R.H., “The quasi-static response of compliant prosthetic sockets for transtibial amputees using finite element methods”, Medical Engineering & Physics Cilt 28, 114-121, 2006.
• Chen, N.-Z., Lee, W.C.C., Zhang, M., “A robust design procedure for improvement of quality of lower-limb prosthesis”, Bio-Medical Materials and Engineering Cilt 16 309-318, 2006.
• Portnoy, S., Yarnitzky, G., Yizhar, Z., Kristal, A., Oppenheim, U., Siev-Ner, I., Gefen, A., “Real-time patient-specific finite element analysis of internal stresses in the soft tissues of a residual limb: A new tool for prosthetic fitting”, Annals of Biomedical Engineering Cilt 35, 120-135, 2007.
• Sensinger, J.W., Weir, R.F.Ff., “Modeling and preliminary testing socket-residual limb interface stiffness of above-elbow prostheses”, IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering Cilt 16 184-190, 2008.
• Portnoy, S., Yizhar, Z., Shabshin, N., Itzchak, Y., Kristal, A., Dotan-Marom, Y., Siev-Ner, I., Gefen, A., “Internal mechanical conditions in the soft tissues of a residual limb of a trans-tibial amputee”, Journal of Biomechanics Cilt 41, 1897-1909, 2008.
• Lawrence, A.J., Rossman, P.J., Mahowald, J.L., Manduca, A., Hartmann, L.C., Ehman, R.L., “Palpating Breast Cancer by Magnetic Resonance Elastography”. Proceedings of the 7th Annual Meeting of ISMRM, Philadelphia, A.B.D., 215, 1999.
• Manduca, A., Oliphant, T.E., Dresner, M.A., Mahowald, J.L., Kruse, S.A., Amromin, E., Felmlee, J.P., Greenleaf, J.F., Ehman, R.L.,”Magnetic resonance elastography: Non-invasive mapping of tissue elasticity”. Medical Image Analysis Cilt 5, 237–254, 2001.
• Gefen, A., Megido-Ravid, M., Azariah, M., Itzchak, Y., Arcan, M., “Integration of Plantar Soft Tissue Stiffness Meausurements in Routine MRI of the Diabetic Foot”. Clinical Biomechanics Cilt 16, 921-925, 2001.
• Geyer, M. J., Brienz, D. M., Chib, V., Wang, J., “Quantifying Fibrosis in Venous Disease: Mechanical Properties of Lipodermatosclerotic and Healthy Tissue”. Advances Skin & Wound Care Cilt 17, 131-142, 2004.
• Brett PN, Fraser CA, Henningam M, Griffiths MV, Kamel Y, “Automatic surgical tools for penetrating flexible tissues”. IEEE Engineering in Medicine and Biology Cilt 14:264–270, 1995.
• Burdea G, Force and touch feedback for virtual reality, Wiley, New York, A. B. D., 1996.
• Koch RM, Gross MH, Carls FR, von Büren DF, Fankhauser G, Parish YIH, “Simulating facial surgery using finite element models” Proceedings of Association for Computing Machinery's Special Interest Group on Graphics and Interactive Techniques Cilt 96, 421–427, 1996.
• Avis NJ, “Virtual environment technologies” Minimally Invasive Therapy and Allied Technologies Cilt 9, 333–339, 2000.
• Szekely G, “Surgical simulators”. Minimally Invasive Therapy and Allied Technologies Cilt 12, 14–18, 2003.
• Dakin, G. J., Arbealez, R.A., Molz IV, F. J., Alonso, J. E., Mann, K. A., Eberhardt, A. W., “Elastic and Viscoelastic Properties of the Human Pubic Symphysis Joint: Effects of Lateral Impact Loading” Journal of Biomechanical Engineering, Cilt 123, 218-226, 2001.
• De Vita, D., Slaughter, W. S., “A structural constitutive model for the strain rate-dependent behavior of anterior cruciate ligaments”
• International Journal of Solids and Structures Cilt 43, 1561–1570, 2006.
• Ceelen K. K., Stekelenburg A., Loerakker S., Strijkers G.J., Bader D.L., Nicolay K., “Compression-induced damage and internal tissue strains are related”, Journal of Biomechanics, Cilt 41, 3399–3404, 2008.
• Ottensmeyer, M. P.,“In Vivo Measurement of Solid Organ Tissue Mechanical Properties,” Studies in Health Technolgy and Informatics Cilt 85, 328-333, 2002.
• Black, J., “Dead or Alive: The Problem of in Vitro Tissue Mechanics” Journal of Biomechanical Material Research, Cilt 10, 377-389, 1976.
• Fung, Y. C., “Structure and Stress-Strain Relationship of Soft Tissues”, American Zoologist, Cilt 24, pp. 13-22, 1984.
• Zheng Y. P., Mak A. F. T, “Development of an ultrasound indentation system for biomechanical properties assessment of soft tissue in vivo”, Proc. 17th Annu. Conf. Eng. Med. Biol., 1599–1600, 1995.
• Vannah W. M., Childress D. S., “Indentor tests and finite element modeling of bulk muscular tissue in vivo”, the Journal of Rehabilitation Research and Development, Cilt 33, 239–252, 1996.
• Houston V. L., Luo G., Mason C. P., Beattie A. C., LaBlanc K. P., Garbarini M., “Tissue biomechanical studies for prosthetic socket design”, Proceedings Bioengineering Conference (ASME-BED), Cilt 35, 245–246, 1997.
• Korhonen, R. K., Saarakkala, S., Töyräs, J., Laasanen, M. S., Kiviranta, I., Jurvelin, J. S., “Experimental and Numerical Validation for the Novel Configuration of an Arthroscopic Indentation Instrument”, Physics in Medicine and Biology, Cilt 48, 1565-1576, 2003.
• Yin, Y., Ling, S., Liu, Y., “A Dynamic Indentation Method for Characterizing Soft Incompressible Viscoelastic Materials”, Materials Science and Engineering, A, Cilt 379, 334-340, 2004.
• Brommer, H., Laasanen, M.S., Brama, P.A.J., van Weeren, P.R., Helminen, H. J., Jurvelin, J. S., “In Situ and Ex Vivo Evaluation of and Arthroscopic Indentation Instrument to Estimate the Health Status of Articular Cartilage in Equine Metacarpophalangeal Joint”, Veterinary Surgery, Cilt 35, 259-266, 2006.
• Choi, A. P. C., Zheng, Y. P., “Estimation of Young’s Modulus and Poisson’s Ratio of Soft Tissue From Indentation Using Two Different-Sized Indentors: Finite Element Analysis of the Finite Deformation Effect”, Medical and Biological Engineering and Computing, Cilt. 43, 258-264, 2005.
• Arıtan, S, Oyadiji, S. O., Bartlett, R. M., “A Mechanical Model Representation of the In Vivo Creep Behaviour of Muscular Bulk Tissue”, Journal of Biomechanics, Cilt 41, 2760-2765, 2008.
• Petekkaya, A. T., In vivo Indenter Experiments on Soft Biological Tissues for Identification of Mechanical Material Model and Corresponding Parameters, Yüksek Lisans Tezi, Orta Doğu Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Mühendisliği Anabilim Dalı, 2008.
• Tönük, E., “Dizaltı Ampute Yumuşak Doku Mekanik Özelliklerinin Araştırılması için Deney Cihazı Tasarımı ve Üretimi”. Makina Tasarım ve İmalat Dergisi Cilt 5, Sayı 1, 42-49, Mayıs 2003.
• Tönük, E., “Dizaltı Protez Kullananlarda Yumuşak Doku Mekanik Özelliklerinin Belirlenmesi için İndentör” TÜBİTAK MİSAG-183 Proje Sonuç Raporu, Haziran 2004, Ankara.
• Petekkaya, A. T., Tönük, E., “Yumuşak Doku Mekanik Davranışının Modellenebilmesi için Yerinde (İn Vivo) İndentör Deneyleri”, Makina Tasarım ve İmalat Dergisi, Cilt 10, Sayı 1, sf: 18-31, Mayıs 2008.
• Bischoff, J. E., “Static Indentation of Anisotropic Biomaterials using Axially Asymmetric Indenters-a Computational Study”. Journal of Biomechanical Engineering, Cilt 126, 498-505, 2004.
• Engin A. E., kişisel iletişim, 2008.