文摘

压痕测试是一种广泛使用的方法定量地评估软组织的力学特性。杨氏模量的软组织可以计算force-deformation数据与已知组织厚度和泊松比使用海耶斯的方程。我们组之前开发的非接触压痕系统使用水射流作为软硬度计压头以及耦合介质传播的高频超声波。这部小说系统显示它能够检测早期关节软骨的退化。然而,仍然有缺乏定量的方法来提取软组织的内在力学性能从水射流缩进。本研究的目的是调查装卸之间的关系曲线和软组织的力学性能提供了一种成像技术的组织力学性能。水射流缩进的三维有限元模型是考虑开发的有限变形的效果。一种改进海耶斯的方程已经被引入派生新的比例因子依赖于泊松比v,长宽比一个/小时(硬度计压头的半径/测试组织)的厚度,和变形比例d / h。这个模型中,杨氏模量的软组织可以定量评估和成像误差不超过2%。

1。介绍

生理过程可能显著改变组织属性。组织弹性是一个典型的机械性能通常与病理变化(1),如癌症2和骨关节炎3]。在过去的几十年,有很多努力开发各种技术来测量或图像软组织的弹性,如弹性成像(4- - - - - -6),缩进(7- - - - - -9),弹性和原子力显微镜(10- - - - - -12]。

压痕是最常用的方法之一,测量软组织的力学性能原位或在活的有机体内,因为它不需要特殊处理的常规形状的组织和小样本(可以用来执行测试13]。缩进的一个典型应用是评估关节软骨的退化(AC)。交流通常被认为是一个阶段,各向同性,均匀线性弹性模型在没有组织液流动瞬时期间,和平衡反应(7,8]。刚性圆柱平底或球形硬度计压头曾在早期型号的缩进,和软组织的杨氏模量14- - - - - -16)可以计算使用以下方程给出的海耶斯et al。7]: 在哪里缩进力,是软组织的泊松比,硬度计压头的半径,是组织厚度,压痕深度,是一个比例因子,这取决于比例和泊松比。强调的是变形被认为是小,这是很难控制的压痕试验时手动执行(9]。张等人建立了一个有限元模型使用(1),其中包括to15%应变大变形的影响,和一套新的值计算(14]。

可以计算出杨氏模量(1通过实验获得的数据)和。缩进力通常是由力传感器记录。变形可以通过光学测量(17,18),针探针(19- - - - - -21)或超声检查(9,22- - - - - -25)方法。泊松比是传统假定为一个指定的值(7,15)或使用其他方法分别测量了(13,16,26]。其中,超声波测量提供了一种无创、准确的工具同时获得组织厚度和变形。然而,传统的超声波压痕通常经营2之间的频率范围和10 MHz,通常是用来衡量整个组织层的力学性能。其决议不足以地图软组织的力学性能与精细结构。此外,大多数当前的压痕仪器使用一个联系方式,以便组织损伤引起的测量仪器无法避免。高频超声可以提高显微镜的分辨率水平。然而,由于一些技术原因,高频超声换能器不适合传统的接触压痕(27]。考虑到超声可以通过水传播衰减很小,陆et al。28)开发了一个水射流系统来实现非接触高频(20 - 50 MHz)超声波压痕。水射流不仅作为软硬度计压头也作为高频超声耦合介质。

超声水射流缩进系统被用来获得模数软组织的形象(27),评估关节软骨变性(29日和评估bone-tendon结治疗进展28],它已经显示出巨大的潜力,形象软组织的弹性模量分布的临床评估和诊断,和/或执行在小压痕测试标本生物组织和其他材料在微观水平。然而,所有上面提到的研究测量了软组织刚度比作为一个指示器的组织病理状态,这不是软组织的内在属性。还有很大差异刚度比和杨氏模量的值。

在这项研究中,我们模拟了水射流缩进使用有限元(FE)分析探讨流体(水射流)和固体之间的交互(软组织)。与此有限元模型中,软组织的杨氏模量可以计算使用一种改进的缩进解决方案基于海耶斯的方程,通过引入几何、材料和deformation-dependent因素。一套新的比例因子提出了考虑缩进的有限变形效果。

2。方法

水射流缩进的系统包括一个3 d转换装置(美敦力公司(Medtronic Inc .)关节镜支撑臂,锰、美国),一个水容器,一个压力传感器(EPB-C12、Entran设备公司,费尔菲尔德,新泽西,美国),一个水管,超声波换能器(seut - 506,声学传感器有限公司,台湾),喷泉和喷嘴(图1)。翻译3 d设备促进了系统轻易移动来调整组织样本的距离传感器,并应用C-scan获得模数的形象感兴趣的地区。集中高频超声波传播通过喷水时填满水。中央超声波换能器的频率是50 MHz,在12毫米焦距和光圈大小6毫米。重要组件的尺寸喷嘴直径1.7毫米,供水管道直径2毫米,喷嘴的高度是8.5毫米,喷嘴组织大约0.95毫米的距离是由调整超声波束聚焦在组织表面。压力传感器位于60毫米从中间的喷泉。

一个三维有限元(FE)模型的几何一样使用ANSYS建立了实验系统(美国宾夕法尼亚州11.0版本,Canonsburg)来模拟压痕(图2)。水射流之间的交互和软组织包括流体和结构固体耦合,因此,仿真是由计算流体动力学(CFD)分析了在ANSYS大型11和ANSYS CFX 11结构编码,通过ANSYS MFX耦合解算器。单向固耦合(FSI)理论应用于这个问题。

2.1。模型的几何图形

流体域模型如图所示2。重要部件的尺寸完全一样上面描述的实验系统。CFX-Mesh方法应用于网格流体域。考虑壁面速度梯度的区域,使用通货膨胀理论。在我们的研究中,流量在进口时从1米/秒增加到10 m / s,不同网格显著影响研究结果。适当的网格敏感性分析后,充气层的数量设置为11和膨胀的边界的最大厚度是0.1毫米。三角形元素生成的边界层外的区域。细化网格实现的边界。完全网状665242个节点和2877024的元素被模拟。

固体部分的模型是建立一个圆柱体软组织的厚度5毫米,直径25毫米。使用补丁符合在四面体网格化。正则网格组成的约101911个节点和65034个元素被采用,经过适当的网格敏感性分析,对所有开发的模型。

2.2。边界条件

模拟压痕试验认为标本由刚性防渗板和缩进的水射流喷嘴。采用单向FSI在我们的研究中,因此,液体和固体部分分别建模。流体模型解决后,从流体出口压力计算是映射到软组织的接触区。

下面的边界条件强加给所有的流体模型。(1)进口边界条件,采用初的水管,速度变化从1 m / s 10 m / s和强度5%的湍流模型。(2)出口边界被定义在接口的液体和相对压力是0。(3)墙影响流的定义是没有滑动和墙壁粗糙度墙一样光滑。固体模型,节点在垂直方向约束底部的标本和压力从流体出口映射到样品表面。

2.3。材料特性

水在22°C用于流体模型。软组织被假定为线弹性、均匀、各向同性的薄层坚持刚性基础(15,16]。描述的力学性能是杨氏模量和泊松比。不同价值观的杨氏模量从文献综述和先前的研究,获得10 kPa, 52 kPa, 146 kPa, 270 kPa, 740 kPa,和1000 kPa分配给组织模型有限元分析模拟人体正常肝,人类肝脏病、乳腺良性病变,乳腺恶性病变,恶性皮肤,关节软骨,分别,30.- - - - - -32]。软组织密度是1060公斤/米³。

2.4。提取软组织的杨氏模量

有别于传统的缩进,我们的喷水硬度计压头可以被视为一个“软硬度计压头”,因此,海耶斯的方程不能用于推导获得的力-位移曲线的杨氏模量与我们实验系统了。一种改进缩进提出的解决方案是考虑有限变形的效果 因此, 在哪里杨氏模量,缩进力计算的有限元模拟,软组织的泊松比是一般认为的文献综述报告的值,硬度计压头半径和吗是组织厚度,可以提前获得一个压痕试验之前,是被分配到节点的压痕深度的上表面硬度计压头在压痕试验仿真,然后呢是一个比例因子,这取决于比例,变形比例和泊松比。

模拟force-deformation数据被用来计算杨氏模量,然后推导出价值。这些新值计算使用(3)。然后软组织的杨氏模量在水射流缩进可以用这些新的计算值(2)。不同的固定的泊松比(= 0.1 - -0.5),压痕深度(0.1% - -10%),和长宽比(0.17,0.4,0.6,0.8,1)也分配给组织模型探讨这些因素对杨氏模量的估计。因此,我们一共有1650仿真过程在这个研究。

3所示。结果

首先,压力之间的关系(或流量)测量在进口和总力应用于软组织进行了分析。这种关系是至关重要的,因为我们很难以直接测量的力应用于软组织中被水射流实验。两个计量点设置在进口和出口处标(点作为显示在图1和图22),分别。图3显示了一个二次函数,它适应流量测量从1点在进口和出口从2点力计算。图4显示流量和压力测量之间的关系在入口点1。非线性但单调关系表明我们可能只测量压力或流量在进口计算力应用于软组织。它将高度促进水射流缩进时用于临床应用。

表1显示了值与不同纵横比(0.17 - -1.0),泊松比(0.1 - -0.5),和形变率(0.01 - -0.1)。的值增加,纵横比和泊松比的增加。然而,非线性和non-monotonic之间的关系值和变形比被发现。

相比与地面真理,错误的百分比计算杨氏模和−−0.07%和1.47%之间时,从0.17和1长宽比不同,它提出了一个很好的协议实际计算值之间的杨氏模量。

4所示。讨论

在这项研究中,构建三维有限元模型,模拟了水射流对软组织缩进。单向进行流固耦合分析发现压痕力的参数之间的相互关系,组织变形,组织杨氏模量和泊松比和相位参数,包括硬度计压头大小和组织样本大小。一种改进海耶斯的方程是计算杨氏模量的软组织force-deformation曲线通过引入一个新的比例因子。一套新的泊松比的值不同,长宽比,应变水平计算。我们也调查了水的关系参数,如压力和流量,在水射流缩进系统和这些参数对压痕力的影响。错误估计杨氏模量的百分比范围从−−1.47%相比,0.07%在有限元模拟当长宽比分配值范围从0.17到1。这可以进一步提高鲁棒性估计的平均参数计算使用不同的变形水平。

它已经证明了我们的系统可以测量杨氏模量的软组织在水射流缩进一个单一的网站。如图1,一个灵活的胳膊作为支承臂控制水射流硬度计压头在这个系统。这实际上的手臂,利用该系统进行C-scan容易在组织样本。C-scan成像提供了一个有用的对象的视图,显示一个平面垂直于超声波波束。它已广泛应用于航空航天工业检测表面腐蚀、分层、空洞、裂纹和其它缺陷在老式战机33,34]。在我们的研究中,很容易与不同的水压力C-scan申请C-scan序列。在分析超声波信号和流量来自不同的扫描,模量的图像可以获得。

水射流超声波压痕系统已经证明是非常有用的评估组织病理学。组织弹性是一个重要的参数通常与组织病理变化。这项研究中,首次提取的软组织杨氏模量水射流缩进使用有限元分析。软组织有限元模型,假定为线性弹性、均匀和各向同性材料。然而,两相的理论表明,大多数组织是由固体和液体材料,他们拥有非常复杂的结构行为和展览时间的行为,也就是说,非线性粘弹性、异构和各向异性的行为。通常情况下,固体矩阵代表弹性属性虽然代表了粘性流体材料属性。为了解释这些复杂的软组织的行为,获得force-deformation数据应该被仔细考虑软组织的两相的理论帐户。

本研究只集中在有限变形非线性效应引起的缩进。软组织的非线性和粘弹性性质尚未解决。研究非线性组织模型(35和各向异性生物材料的压痕36已报告。在未来的研究中,非线性visco-elaticity的影响,应该考虑不均匀性和各向异性。另一个问题是关于组织的结构模型。在这项研究中,组织模型与一层的开发。然而,在大多数情况下,软组织多层和行为复杂。我们的高频超声可以区分组织与高分辨率层。因此,在进一步的研究中,应该考虑软组织与多层模型,因此,与深度有关的和site-dependent杨氏模量分布可以用我们的成像系统。更重要的是,与水射流实验对缩进缩进系统将进行,并由其得出的结果将与铁的研究。

确认

这项工作也承认中国的国家自然科学基金的支持(60901015号,61031003,61170076)和深圳的基本科学研究基金(JC200903120032A号,JC201006020025A JC201005280408A)。我们也想提供涉及太阳先生感谢他的贡献在建设的有限元模型和所有的学术讨论。