مشخصه‌ سازي خواص مكانيكي بافت نرم ناهمگن به وسيله مدلسازي هايپر - ويسكوالاستيك و روش المان محدود معكوس

Characterization of Mechanical Properties of an Inhomogeneous Soft Tissue Using Hyper-viscoelastic Modeling and Inverse Finite Element Method

مشخصه سازي خواص مكانيكي بافت نرم با استفاده از مدل هايپر- ويسكوالاستيك در زمينه پزشكي از جمله در تشخيص بيماري ها توجه ويژه اي را به خود جلب كرده است. در بيشتر مطالعات انجام شده، فقط يك بافت همگن تحليل شده است. بنابراين در صورت معيوب بودن بافت هاي زيرين تعميم نتايج به دست آمده از تحليل يك بافت براي ساير بافت ها امكان پذير نخواهد بود. به همين جهت در اين مطالعه، براي ايجاد يك بافت ناهمگن، يك لايه سينه مرغ بر روي يك لايه جگر گوسفند قرار داده مي شود. خواص مكانيكي اين دو بافت با استفاده از يك آزمون فروروندگي به صورت همزمان تعيين مي شود. پارامترهاي مدل، بوسيله روش المان محدود معكوس تعيين مي شوند. همچنين يك الگوريتم بهينه سازي براي فرآيند كمينه سازي اختلاف نمودارهاي نيرو-زمان حاصل از آزمايش فروروندگي و شبيه سازي المان محدود بكار رفته است. با جدا نمودن دو بخش هايپرالاستيك و ويسكوالاستيك نمودار نيرو- زمان، پارامترهاي مربوط به هر بخش طي فرآيند المان محدود معكوس جداگانه اي محاسبه مي شوند كه اين كار موجب كاهش مدت زمان حل و حجم محاسبات مي گردد. در نهايت، پارامترهاي ويسكوالاستيك و هايپرالاستيك، به ترتيب، با خطاي حداقل مربعات غيرخطي 0.0695 و 0.0315 به دست آمده اند. مقايسه نمودار نهايي حاصل از شبيه سازي المان محدود و نمودار آزمايشگاهي ، صحت و كارايي روش استفاده شده را نشان مي دهد.

Characterization of mechanical properties of soft tissues using hyper-viscoelastic models has been of special attention in medical fields such as medical diagnosis. In most of these studies, only one single tissue has been analyzed and therefore, in cases that the lower tissue does not function well, generalization of obtained results for a tissue will not be suitable for other tissues. In the current study, mechanical properties of chicken chest and sheep liver, two different study cases, have been determined simultaneously using an indentation test. To determine the properties of the obtained model, inverse finite element method (IFEM) has been employed. Moreover, an optimization algorithm has been used for minimizing the differences of force-time curves that are obtained from indentation test and finite element analysis. By separating the force-time curve to two hyperelastic and viscoelastic parts, the parameters of each part have been determined individually using a separate inverse finite element method. This procedure results in reducing the computation time. Finally, the parameters of viscoelastic and hyperelastic models are determined by nonlinear root mean square error of 0.0695 and 0.0315, respectively. Comparison of the curves obtained from finite element analyses and those obtained from experiments shows the validity and capability of the employed method.