Estimation of fracture toughness of liver tissue: experiments and validation

Abstract

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.

In several medical procedures such as catheter insertion, robotic-guided needle placement, suturing, cutting or tearing, and biopsy, fracture toughness of the soft tissue being penetrated, cut, or teared plays a crucial role in force interactions between the surgical tool and the tissue. Although significant amount of experimental work carried out on hard-biomaterials, such as bone and dentin to estimate their fracture toughness, the number of studies on soft tissues is very limited and the estimated values show large variations. In this study, we show that the toughness values estimated in the earlier studies show large variations because the effect of puncturing/cutting tool geometry on the results has been mostly neglected. To prove our argument, needle insertion experiments are performed on 3 bovine livers with 4 custom-made needles having different diameters. A unique value for the fracture toughness of bovine liver is obtained by curve fitting to the toughness values estimated from the insertion experiments for different needle diameters (J = 164 ± 6 J/m2). In order to validate the experimental results, finite element (FE) simulations are performed. For this purpose, we first collect experimental data from the bovine livers via static indentation and ramp and hold experiments to estimate their hyper-viscoelastic material properties through an inverse FE solution. Then, we simulate needle insertion into the FE model of each liver using the energy-based fracture mechanics approach. The force responses obtained through the FE simulations for different needle diameters show an excellent agreement with the ones acquired through the physical experiments.