Yumuşak Doku Mekanik Davranışının Modellenmesi için Yerinde Canlı (in vivo) İndentör Deneyleri

Yıl 2008, Cilt: 10 Sayı: 1, 18 - 31, 01.05.2008

Ali Tolga Petekkaya Engin Tönük

Öz

Yumuşak
biyolojik dokular mühendislik malzemeleri ile karşılaştwıldıklarında daha
karmaşık mekanik yanıta sahip canlı yapılardır. Yumuşak dokuların malzeme
kanununun anlaşılabilmesi için ilk adım yapılacak sistematik deneylerdir.
Farklı yumuşak doku deney yöntemleri olmakla birlikte bu çalışmanın amacı insan
bedeninin çevre ile mekanik etkileşimini modelleyecek bir mekanik malzeme
modeli oluşturulması için deneysel veri toplanması olduğundan yerinde canlı
(in-vivo) deneysel yöntem seçilmiş ve elimizde bulunan yumuşak doku indentör
cihazı yardımıyla deneyler yapılmış, bu deneylerin sonuçları sunulmuştur.
Deneylere başlamadan önce, doğru ve güvenilir ölçümlerin yapılabilmesi için
indentör ucu hareket hassasiyeti ve yumuşak doku tepki kuvveti verisi ölçüm
hassasiyeti geliştirilmiştir. Kuvvet ölçümündeki verilerden gürültiinün temizlenmesi
için uygun filtre seçilip kullanılmıştır. Deneylerin daha hassas ve rahat bir
şekilde yapılabilmesi için indentör cihazını dokuya bağlayacak yeni bir sistem
tasarlanmış ve üretilmiştir. Yapılan iyileştinneler ve eklentilerin ardından
önkol üzerinde deneyler yapılmıştır. Deney protokolleri, devirli yükleme,
gevşeme ve sünmedir. Dokunun devirli yükleme altında sergilediği alışma
(Mullins) etkisi ve farklı hızlara yanıtı histeresiz büyüklükleri gözlenerek
araştırılmıştır. Deney sonuçlarından önkol yumuşak dokusunun gevşeme ve sünme
özellikleri gösteren, deneyin ilk birkaç devrinde alışma etkisi gösteren
sonrasında tekrar edilebilir sonuçlar veren, belirgin biçimde mekanik enerji
kaybına neden olan (histeresiz) malzeme özellikleri gösterdiği görülmüştür. Gevşeme
ve sünme deney sonuçları kullanılarak bu verileri modelleyebilecek farklı Prony
serilerine ait parametrelerin değerleri ve modelleme hassasiyetleri tespit
edilmiştir. Elde edilen verilerin yumuşak doku malzeme kanununun belirlenmesi
için katkısı olacaktır.

Anahtar Kelimeler

Yumuşak Biyolojik Dokular, Malzeme Özellikleri Karakterizasyonu, Mekanik Test, Yerinde Canlı (in-vivo) İndentör Deneyler!, Viskoelastisite, Alışma (Mullins) Etkisi, Prony Serileri

Kaynakça

• [1] 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, yol. 5, pp. 237-254, 2001.
• [2] 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, p. 215, 1999.
• [3] Geyer, M. J., Brienz, D. M., Chib, V., Wang, J., Quantihing Fibrosis in Venous Disease: Mechanical Properties of Lipodermatosclerotic and Healthy Tissue, Advances Skin & Wound Care, vol. 17, pp. 131-142, 2004.
• [4] Gefen, A., Megido-Ravid, M., Azariah, M., Itzchak, Y., Arcan, M., Integration of Planlar Soft Tissue Stifiness Meausurements in Routine MRI of the Diabetic Foot, Clinical Biomechanics, vol. 16, pp. 921-925, 2001.
• [5] Kirk, E., Kvorning, S. A., Quantitative Measurements of the Elastic Properties of the Skin and Subcutaneous Tissue in Young and Old Individuals, Journals of Gerontology, yol. 4, pp. 273-284, 1949.
• [6] Sokolof, L., Elasticity of aging cartilage, Federation Proceedings, vol. 25, pp. 1089-1095, 1966.
• [7] Zheng Y. P., Mak A. F. T., Lue B. K., Objective assessment of limb tissue elasticity: development of a manual indentation procedure, Journal of Rehabilitation Research and Development, vol. 36, pp. 71-85, 1999.
• [8] Miller, K., How to test very soft biological tissues in extension?, Journal of Biomechanics, yol. 34, pp. 651-657, 2000.
• [9] Fung, Y. C., Structure and Stress-Strain Relationship pf Soft Tissues, American Zoologist, vol. 24, pp. 13-22, 1984.
• [10] Petekkaya, A. T., Tönük, E. T., indentör Deneyleri ile Yumuşak Biyolojik Dokuların Anizotropik Mekanik Davranışınin Yerinde Belirlenmesi, Biyomut 2008, 13. Biyomedikal Mühendisliği Ulusal Toplantısı, Ankara, 29-31 Mayıs 2008.
• [11] Tönük, E., Silver-Thom, M. B., Nonlinear viscoelastic material property estimation of lower extremity residual limb tissues, Journal of Biomechanical Engineering, vol. 126, pp. 289- 300, 2004.
• [12] Kroon, M., Holzapfel, G. A., A new constitutive model for multi-layered collagenous tissue, Journal of Biomechanics, doi: 10.1016/j jbiomech.2008.05.033, 2008.
• [13] Perla, E., et al., On modelling nonlinear viscoelastic ejfects in..., Journal of Biomechanics, doi: 10.1016/j jbiomec1ı.2008.06.019, 2008.
• [14] Ottensmeyer, M. P., Kerdok, A. E., Howe, R. D., Dawson, S. L., The Effects of Testing Environment on the Viscoelastic Properties of Soft Tissues, International Symposium on Medical Simulation, pp. 9-18, 2004.
• [15] Gefen, A., Margulies, S. S., Are in vivo and in situ brain tissues mechanically similar?, Journal of Biomechanics, vol. 37, pp. 1339-1352, 2003.
• [16] Tanaka , E., Tanaka, M., Aoyamaa, J., Watanabe, M., Hattori, Y., Asai, D., Iwabea, T., Sasaki, A., Sugiyama, M., Tane, K., Viscoelastic properties and residual strain in a tensile creep test on bovine temporomandibular articular discs, Archives of Oral Biology, vol. 47, pp. 139-146, 2002.
• [17] Prete, Z. D., Antoniucci, S.,Hoffman, A. H.,Grigg, P., Viscoelastic properties of skin in Mov-13 and Tsk mice, Journal of Biomechanics, vol. 37, pp. 1491-1497, 2004.
• [18] Miller, K., Chinzei, K., Mechanical properties of brain tissue in tension, Journal of Biomechanics, yol. 35, pp. 483-490, 2002.
• [19] DiSilvestro, M. R.., Suh, J. F., A cross-validation of the biphasic poroviscoelastic model of articular cartilage in unconfined compression, indentation, and confined compression, Journal of Biomechanics, vol. 34, pp. 519-525, 2001.
• [20] Ottensmeyer, M. P., In Vivo Measurement of Solid Organ Tissue Mechanical Properties, Studies in Health Technolgy and Informatics, yol. 85, pp. 328-333, 2002.
• [21] Petekkaya, A. T., In Vivo Indenter Experiments on Soft Biological Tissues for Identification of Mechanical Material Model and Corresponding Parameters, M.S. Thesis, Middle East Technical University, 2008.
• [22] Payne, P. A., Measurement of Properties and Function of Skin, Clinical Physics and Physiological Measurement, vol. 12(2), pp. 105- 129, 1991.
• [23] Alexander, H., Cook, T. H., Accounting for natural tension in the mechanical resting of human skin, Tlıe Journal of Investigative Dermatology, vol. 69, pp. 310-314, 1977.
• [24] Valtorta, D., Mozza, E., Dynamic measurement of soft tissue viscoelastic properties with a tensional resonator device, Medical Image Analysis, vol. 9, pp. 481-490, 2005.
• [25] Yin, Y., Ling, S., Liu, Y., A dynamic indentation method for characterizing soft incompressible viscoelastic materials, Materials Science and Engineering, yol. 379, pp. 334-340, 2004.
• [26] Korhonen, R. K., Saarakkala, S., Töyrös, J., Laasanen, M. S., Kiviranta, L, Jurvelin, J. S., Experimental and numerical validation fort he novel configuration of an arthroscopic indentation instrument, Physics in Medicine and Biology, yol. 48, pp. 1565-1576, 2003.
• [27] Choi, A. P. C., Zheng, Y. P., Estimation of Young's modulus and Poisson's ratio of soft tissue from indentation using two dıfferent sized indenters: finite element analysis of the finite deformation effect, Medical & Biological Engineering & Coınputing, vol. 43, pp. 258- 264, 2005. [28] Tönük, E., Dizaltı Ampute Yumuşak Doku Mekanik Özelliklerinin Araştırılması için Deney Cihazı Tasarımı ve Üretimi. Makina Tasarım ve imalat Dergisi Cilt 5, Sayı 1, 42-49, Mayıs 2003.
• [29] The MathWorks, Data Acquisition Toolbox, http://wvvw.mathworks.com/access/helpdesk/helpıtoolbox/signal/index.html?/access/helpdeskşhelp/toolbox/signal/sgolayfilt.htmlahttp://www.mathworks.com/cgibin/texis/webinator/search/db=MSS&prox=pagearordel=7508ırprox=750&rdfreq=5008crwfreq=5008ırlead=250&sufs=0aorder=rezisşummary_on=1&ResultCount=108cquery=sgolayfilt, son giriş tarihi: 15/11/2008.
• [30] Üsü, K., Identification Of Soft Tissue Mechanical Material Model And Corresponding Parameters From In Vivo Experimental Data By Using Inverse Finite Element Method, M.S. Thesis, Middle East Technical University, 2008.
• [31] Üsü, K., Tönük, E., Yumuşak Doku Bünye Denklemleri Sanki-Doğrusal Viskoelastik Model, 13. Biyomedikal Mühendisliği Ulusal Toplantısı, Ankara, 29-31 Mayıs 2008.
• [32] Üsü, K., Tönük, E., Yumuşak Doku Bünye Denklemleri Geliştirilmiş Sanki-Doğrusal Viskoelastik Model, 13. Biyomedikal Mühendisliği Ulusal Toplantısı, Ankara, 29-31 Mayıs 2008.