نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسنده

استادیار، آزمایشگاه مکانیک بافت، دانشکده‌ی مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران

10.22041/ijbme.2020.115624.1526

چکیده

در دهه‌های اخیر، تعیین رفتار مکانیکی بافت‌های بسیار نرم به عنوان یک موضوع مورد علاقه و چالش برانگیز در بیومکانیک مطرح شده است. چنین بافت‌هایی عمل‌کرد مکانیکی مشخصی ندارند اما مشخصه‌یابی مکانیکی آن‌ها از جنبه‌ی طراحی تجهیزات ایمنی، شناسایی الگوهای‌ پیش‌رفت بیماری‌ها و سرطان از اهمیت بالایی برخوردار است. بافت کبد یکی از ارگان‌های حیاتی بدن است که دارای ساختاری متخلخل و پاره شونده بوده و در بسیاری از سوانح رانندگی و نیز در عمل‌های جراحی حداقل تهاجم در معرض آسیب مکانیکی قرار دارد. در پژوهش حاضر، تست‌های کششی تک‌محوره روی نمونه‌های کبد گاوی انجام شده است. سپس مدل الاستیک خطی به نتایج حاصل از تست اعمال شده و با اعمال روش تصحیح بریجمن به نتایج، تخمین دقیق‌تری از تنش در ناحیه‌ی گلویی‌شدگی بافت به دست آمده است. در طول تست برای به دست آوردن پارامترهای هندسی (شعاع انحنا و کم‌ترین سطح مقطع نمونه) در ناحیه‌ی گلویی، یک رابط کاربری نرم‌افزاری در محیط فرترن ایجاد شده است. شایان ذکر است که عدم انفصال نمونه‌ از فک‌های دستگاه تست نیز در تصاویر حاصل از نمونه در طول آزمایش، کنترل شده است. بر اساس آزمایش‌ها و روش تصحیح به کار گرفته شده، مدول الاستیک کبد برابر با 62/1±51/15 کیلوپاسکال به دست آمده است. با توجه به اعداد بسیار متفاوت گزارش شده برای مدول الاستیک کبد، تاثیر قطر نمونه روی مدول الاستیک مورد بررسی قرار گرفته است. قطر مقطع نمونه‌ها بین 5/2 تا ۲۰ میلی‌متر تغییر داده شده و مشاهده شده است که مدول الاستیک و قطر نمونه در بخشی از محدوده‌ی آزمایش رابطه‌ی معکوس دارند. این پدیده را می‌توان به نزدیکی اندازه‌ی نمونه به واحدهای ریزساختاری کبد (لوبل‌ها) نسبت داد. بنابراین نمونه‌های نزدیک به ابعاد لوبل، نمی‌توانند المان نماینده‌ی مناسبی برای بافت کبد به شمار آیند و برای به دست آوردن نتایج درست، قطر مقطع نمونه باید بیش از سه برابر ابعاد لوبل باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Application of the Bridgman Method in More Accurate Determination of Uniaxial Mechanical Properties of Liver

نویسنده [English]

  • Hadi Taghizadeh

Assistant Professor, Tissue Mechanics Laboratory, Faculty of Biomedical Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran

چکیده [English]

Determining mechanical properties of very soft tissues have been considered as a popular and challenging topic in biomechanics only in the last decades. In addition, these tissues do not have any weight-bearing functions, however, their mechanical characterization is important for designing new safety equipment, diagnosis and treatment of the diseases and tumors. Liver is one of the vital body organs that is highly porous and tearable and is highly susceptible to mechanical damage during accidents and minimally invasive surgeries. In this study, a set of uniaxial tension tests was performed on a bovine liver tissue. Linear elastic model in combination with the Bridgman correction method was utilized to determine the mechanical properties, i.e., Young’s modulus. An image processing software was also developed utilizing MS Visual Fortran language in order to obtain and track required geometric dimensions, i.e., radii of curvature, minimal sample radius in the necking zone, and probable detaching during the test session. Our experiments showed a tensile elastic modulus of 15.51±1.62 kPa for the samples (p < 0.05). Different amounts for elastic modulus of the liver have been reported in the literature. Hence, we conducted tension tests on samples with progressively increasing diameters. The changes in the sample diameter was in the range of 2.5 to 20 mm. In this way, the effect of sample diameter on elastic modulus was inquired. Our results indicate an inverse relation between elastic modulus and diameter in the tested zone. Such phenomena can be attributed to small sample size which is similar to the size of liver lobules (a few millimeters).  Hence, samples with diameters in the range of lobule size cannot constitute a suitable representative element for the liver tissue. To obtain valid results the sample diameters should be more than three times that of the lobule.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Tissue Biomechanics
  • Stress correction in necking zone
  • Tissue microstructure
  • Tensile tests
  • Liver lobule size

[1]   Maul TM, Chew DW, Nieponice A,Vorp DA. Mechanical stimuli differentially control stem cell behavior: morphology, proliferation, and differentiation. Biomech Model Mechanobiol 2011; 10(6):939-953.

[2]   Rubin C, Turner AS, Bain S, Mallinckrodt C,McLeod K. Anabolism. Low mechanical signals strengthen long bones. Nature 2001; 412(6847):603-604.

[3]   Niestrawska JA, Regitnig P, Viertler C, Cohnert TU, Babu AR,Holzapfel GA. The role of tissue remodeling in mechanics and pathogenesis of abdominal aortic aneurysms. Acta Biomater 2019; 88:149-161.

[4]   Gomez-Dominguez E, Mendoza J, Rubio S, Moreno-Monteagudo JA, Garcia-Buey L,Moreno-Otero R. Transient elastography: a valid alternative to biopsy in patients with chronic liver disease. Aliment Pharmacol Ther 2006; 24(3), 513-518.

[5]   Mazza E, Nava A, Hahnloser D, Jochum W,Bajka M. The mechanical response of human liver and its relation to histology: an in vivo study. Med Image Anal 2007; 11(6):663-672.

[6]   Yeh WC, Li PC, Jeng YM, Hsu HC, Kuo PL, Li ML, Yang PM,Lee PH. Elastic modulus measurements of human liver and correlation with pathology. Ultrasound Med Biol 2002; 28(4):467-474.

[7]   Atanasijevic TC, Savic SN, Nikolic SD,Djoki VM. Frequency and severity of injuries in correlation with the height of fall. J Forensic Sci, 2005, 50 (3), 608-612.

[8]   Parks RW, Chrysos E,Diamond T. Management of liver trauma. Br J Surg 1999; 86(9):1121-1135.

[9]   Miniño AM, Arias E, Kochanek KD, Murphy SL, Smith BL,Rep NVS. Deaths: final data for 2000. statistics 2002; 34:36.

[10]Kogure T, Ueno Y, Kawagishi N, Kanno N, Yamagiwa Y, Fukushima K, Satomi S,Shimosegawa T. The model for end-stage liver disease score is useful for predicting economic outcomes in adult cases of living donor liver transplantation. Journal of gastroenterology 2006; 41(10): 1005-1010.

[11]Hutter R, Schmitt KU,Niederer P. Mechanical modeling of soft biological tissues for application in virtual reality based laparoscopy simulators. Technol Health Care 2000; 8(1):15-24.

[12]Rosen J, Brown JD, De S, Sinanan M,Hannaford B. Biomechanical properties of abdominal organs in vivo and postmortem under compression loads. J Biomech Eng 2008; 130(2):021020.

[13]Brown JD, Rosen J, Moreyra M, Sinanan M,Hannaford B. Computer-controlled motorized endoscopic grasper for in vivo measurement of soft tissue biomechanical characteristics. Stud Health Technol Inform 2002; 85:71-73.

[14]Nava A, Mazza E, Furrer M, Villiger P,Reinhart WH. In vivo mechanical characterization of human liver. Med Image Anal 2008; 12(2):203-216.

[15]Roan E,Vemaganti K. The nonlinear material properties of liver tissue determined from no-slip uniaxial compression experiments. J Biomech Eng 2007; 129(3):450-456.

[16]Karimi A,Shojaei A. An Experimental Study to Measure the Mechanical Properties of the Human Liver. Dig Dis 2018, 36 (2), 150-155.

[17]MacManus DB, Maillet M, O'Gorman S, Pierrat B, Murphy JG,Gilchrist MD. Sex- and age-specific mechanical properties of liver tissue under dynamic loading conditions. J Mech Behav Biomed Mater 2019; 99:240-246.

[18]Zhu Y, Chen X, Zhang X, Chen S, Shen Y,Song L. Modeling the mechanical properties of liver fibrosis in rats. J Biomech 2016; 49(9):1461-1467.

[19]Taghizadeh H,Shadpour MT. Structurally Motivated Models of the Arterial Wall Tissue. Journal of Multiscale Modelling 2015; 05(04).

[20]Huwart L, Peeters F, Sinkus R, Annet L, Salameh N, ter Beek LC, Horsmans Y,Van Beers BE. Liver fibrosis: non-invasive assessment with MR elastography. NMR Biomed 2006; 19(2):173-179.

[21]Carter FJ, Frank TG, Davies PJ, McLean D,Cuschieri A. Measurements and modelling of the compliance of human and porcine organs. Med Image Anal 2001; 5(4):231-236.

[22]Snedeker JG, Barbezat M, Niederer P, Schmidlin F,Farshad M. Strain energy density as a rupture criterion for the kidney: impact tests on porcine organs, finite element simulation, and a baseline comparison between human and porcine tissues. Journal of Biomechanics 2005; 38(5):993-1001.

[23]Chui C, Kobayashi E, Chen X, Hisada T,Sakuma I. Combined compression and elongation experiments and non-linear modelling of liver tissue for surgical simulation. Med Biol Eng Comput 2004; 42(6):787-798.

[24]Ottensmeyer M. TeMPeST ID: An instrument for measuring solid organ soft tissue properties. Experimental Techniques 2002; 26(3):48-50.

[25]Prange MT,Margulies SS. Regional, directional, and age-dependent properties of the brain undergoing large deformation. J Biomech Eng 2002; 124(2):244-252.

[26]Velardi F, Fraternali F,Angelillo M. Anisotropic constitutive equations and experimental tensile behavior of brain tissue. Biomech Model Mechanobiol 2006; 5(1):53-61.

[27]Bridgman PW. Studies in large plastic flow and fracture.  McGraw-Hill New York.

[28]Samur E, Sedef M, Basdogan C, Avtan L,Duzgun O. A robotic indenter for minimally invasive characterization of soft tissues. In International Congress Series. 2005. Elsevier.

[29]Nicolle S, Vezin P,Palierne JF. A strain-hardening bi-power law for the nonlinear behaviour of biological soft tissues. J Biomech 2010; 43(5):927-932.

[30]Taghizadeh H,Tafazzoli-Shadpour M. Characterization of mechanical properties of lamellar structure of the aortic wall: Effect of aging. J Mech Behav Biomed Mater 2017; 65:20-28.

[31]Holzapfel GA. Biomechanics of soft tissue. The handbook of materials behavior models 2001; 3:1049-1063.

[32]Johnson FP. The isolation, shape, size, and number of the lobules of the pig's liver. American Journal of Anatomy 1918; 23(2):273-283.

[33]Kuntz E,Kuntz H-D. Hepatology: Textbook and atlas.  Springer Science & Business Media.

[34]Hoffler CE, Moore KE, Kozloff K, Zysset PK, Brown MB,Goldstein SA. Heterogeneity of bone lamellar-level elastic moduli. Bone 2000; 26(6):603-609.

[35]Taghizadeh H, Tafazzoli-Shadpour M, Shadmehr MB,Fatouraee N. Evaluation of Biaxial Mechanical Properties of Aortic Media Based on the Lamellar Microstructure. Materials (Basel) 2015; 8(1):302-316.

[36]Jayyosi C, Coret M,Bruyere-Garnier K. Characterizing liver capsule microstructure via in situ bulge test coupled with multiphoton imaging. J Mech Behav Biomed Mater 2016; 54:229-243.

[37]Wang Y,Jiang J. Influence of Tissue Microstructure on Shear Wave Speed Measurements in Plane Shear Wave Elastography: A Computational Study in Lossless Fibrotic Liver Media. Ultrason Imaging 2018; 40(1):49-63.