通过模拟软组织模型预测软组织模型的失效非预定撕裂进展外文翻译资料

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通过模拟软组织模型预测软组织模型的失效非预定撕裂进展

Predicting Failure in Soft Tissue Phantoms via Modeling of Non-Predetermined Tear Progression

Matthew Oldfield, Daniele Dini and Ferdinando Rodriguez y Baena

摘要:软组织中倾斜装置的优势曲线是相互作用的功能。在材料变形、接触相互作用和材料失效之间。工具-组织相互作用的高度详细建模，因此，在优化性能和设计方面至关重要。在软组织假体的高分辨率、不连续失效尚未证明。迭代过程，使在“否则”中对故障路径进行增量添加为了实现这一目标，提出了连续有限元网格。两种材料证明了该程序的有效性，包括一个软组织模型。故障路径显示为对不同和不断变化的剪应力和法向应力有很好的响应国家。因此，迭代程序是分析的理想方法。优化复杂的工具-组织交互，例如打捆针转向系统，其中打捆针的路径也取决于在插入过程中的提示。用所提出的方法在这里，这种行为可以在前所未有的解决方案。

I.引言

随着微创技术的不断发展以及机器人辅助手术针头和导管已经成为人们关注的焦点。它是很好地证明，具有正确的轴和尖端特性，针可以沿着弯曲的轨迹推。这些类型设备的优点是在目标定位，如病变和可能获得多个单个插入点的位置。斜角针[1]、[2]和柔性轴操作[3]被用作产生曲线的方法。软组织内的运动轨迹。使用斜顶产生侧向力，另一种装置已使用多个互锁段开发。一个“可编程斜面”概念，与在软组织模型中，主探针段与曲率半径的偏移已经通过[4]和[5]与当前作者一起。为了该装置具有新颖的驱动机构，详细介绍了需要了解探针组织的相互作用。高分辨率数值模型提供了改变的机会建模参数并获得诊断输出。详细的有限元模型，也能演示切割因此，软组织模型是优化的理想选择，斜口装置的性能。

组织相互作用中的切削和损伤建模仍然是高分辨率的挑战。戈格尔等人[6]有限元法研究肝脏断裂韧性在[7]中，元素模型和内聚力被研究为在生物组织中实施切割。自适应网格裂缝扩展分别在[8]和[9]中采用了粘聚区方法。通过结合实验用粘性方法建立软组织模型的应变能释放率[10]显示了高可实现针切割的分辨率模型插入。这里的限制是预先定义的故障路径明胶组织模型。复杂的相互作用必须在不假定材料失效轨迹。本文概述了一种软组织非预定粘结破坏的有限元模拟方法。以足够高的分辨率进行物理观察，介绍了一种使用商业软件投射失败路径。这个过程解决了复杂性由大量变形和随后的需要实现显式的解决方案过程。

在第二节中，有限元中使用粘聚力的方法给出了未指明故障路径的模型。小节III和IV描述了用于验证这一点的测试和结果。方法，包括用明胶软组织假体材料。第五节讨论了这些结果关于该方法的适用性及其使用的结论第六节概述了优化过程。

II.理论

本节介绍了非预定失效的有限元程序的背景，即适用于软组织假体。最初，材料参数，即应变能释放率是介绍。应变能的后续实施有限元框架内的释放速率是可能的。通过使用内聚元素。模型的迭代使用然后描述渐进性内聚性失效--允许向非预定故障路径的关键进展。

A.物质失效在能量级上的传播得出了应变能释放率的定义。这个参数表示形成裂纹所需的能量材料中给定的表面积，由导致裂纹扩展的线性和非线性过程。假设一个线性弹性材料。

B.凝聚力要素,材料应变能释放率的一次值建立了有限元方法使用内聚元素。在这里，商业软件使用了Abaqus，更多细节见[11]。有结合力的元素使用双线性牵引分离关系连续元素之间的界面。凝聚力在达到屈服的牵引力或分离力之前，元件具有弹性。随着分离度的不断增加，然后牵引力下降，直到达到零。在这一点上，内聚元素失效并从模拟中移除[12]。牵引分离曲线下的面积表示粘性材料的应变能释放率。

C.迭代法,将内聚元素实现为非预定的裂纹扩展过程采用迭代法。从一个连续的网格开始，模拟高级直到触发点，表示裂纹的条件传播，被满足。一旦触发，应力状态该模型在当前裂纹尖端和确定了裂纹扩展的最可能方向。从现有的裂纹尖端，一个粘性元件然后插入投影裂纹方向。这个过程在该层的端部产生了新的裂纹尖端。代表不断演变的失效路径的内聚元素。随着这种进化的拓扑结构，模拟重新启动，重复程序-如图1所示。在确定可能的裂纹时使用了两个标准。投影。最初，从周围的一片元素裂纹尖端（图2）、法向应力、sigma;norm和应变能量密度（sed）在半径n处插值。可行的投影角度，theta;范围，根据在[12]中，纯剪切引起的裂纹扭结极限内这个范围，角度，theta;范数，n，其中sigma;范数是最大的。其中，Sed最小，然后测定。

图一 演示迭代过程中确定故障路径的关键步骤的流程图

图二 有限元模型中用于确定故障投影的关键部件的示意图显示

III.方法

检验所提出的迭代过程的有效性在第II-C节中，进行了两次有限元模拟。第一个测试提供了预测非直裂纹路径。第二步，程序是应用于具有明胶组织模型。

A.迭代有限元法在[9]中，使用粘性区方法来测试混凝土梁裂缝的发展。用于验证迭代过程的目的，它提出了一个测试对法向和剪切荷载不同组合的响应。这是预测不对称的针和探针。尺寸和边界混凝土梁的情况如图3所示。这个梁被点荷载在顶部边缘的中心位置。从垂直缺口的尖端开始破坏，不对称地位于梁的底部。用线性三节点单元进行平面应变分析采用ABAQUS显式求解程序。这个受损区域的特征元件长度预计发生在0.7 mm至1.5 mm之间非结构化网格。材料常数与之匹配如[9]所述，杨氏模量e为14.2 gpa，泊松比为0.35。GC设置为241 J/m²。MATLAB软件控制的迭代过程如图1所示。

图三 基于[9]中使用的模型配置，生成剪切和法向荷载的组合。

B.应用于明胶组织模型的迭代过程对明胶组织进行了实验测试。幻影材料。砌块15 mm高，8 mmtimes;8 mm截面被施加在顶部的位移拉伸边，而底边是固定的。实验上，移动直到块被撕成两半。部分。基于迭代失效的平面应变模拟重复这些实验的程序在明胶组织模型上。不完美，触发失效是由1 mm的水平裂缝在10毫米，如图4所示。在室内进行以下材料试验温度，明胶假定与速率无关。当e=5.2 kpa，nu;=0.45，gc=10 J/m²时。

图四 用于表示对明胶进行的实验拉伸试验的模型配置

IV.结果

A.混载混凝土梁

文中给出了用迭代法求解复合剪切和法向荷载的破坏路径。在图5中。从不对称的位置开始，裂纹路径最初受到剪切和传播的影响。斜向装载点。作为失败接近加载轴时，法向载荷的影响变得更加重要，并且失败的轨迹拉直并接近垂直方向。

图五 受剪应力和法向应力联合作用的混凝土梁模拟中的破坏路径进展

B.张力下的明胶组织模型

在明胶组织模型受到张力的情况下在其顶面，失效路径基本上是水平的。在实验上，这一点在图6中很明显。正应力控制反应的结果。然而，图7显示了失效的轨迹整个样品宽度完全水平。作为点失败开始不是在对称轴上，这可能被期待。破坏前的大变形在整个模拟过程中，这两种方法都有可能使失效路径偏离水平方向。故障的投影（3）和（4）给出了类似的结果。虽然没有显示，但观察到，sed比sigma;norm更一致和稳定。目前尚不清楚，在更仔细控制的实验条件下，组织模型模拟中的弯曲裂纹路径是否会存在，或者这是否是一件调谐不良的艺术品本构参数。

V.讨论

第四节所示的结果表明迭代有限元法产生了有效的失效路径。根据III-A中概述的条件，响应与[9]和[13]中的观察结果相关。还有一个明胶样品水平破坏的相关性在图中6和7。在这种情况下，不稳定性和近似明胶的形状使样品变得不理想。到期对于明胶中的大变形，裂纹路径也是取决于触发应力的正确调整（图1）和GC，它依次取决于温度和速率物理实验。粘性区域建模[9]–使用具有粘性的补丁在整个网格中预先分布的元素-扩展有限元法（XFEM）是迭代法的替代方法。然而，它们缺乏建模工具组织交互的能力在软组织模型中使用商业软件。这个迭代过程消除了网格依赖，人工接触负荷建模中的依从性和困难在实施内聚带技术时。XFEM是在模拟裂缝方向上非常有效，但不是与产生故障的表面相互作用兼容工具组织相互作用。当使用有限元优化新的工具，例如[5]，迭代过程提供了几个优势。接触载荷可以很容易地适应就好像指定了一个预先确定的故障路径。在迭代过程中，故障路径也是由应力分布和联系互动。深入了解最佳斜面例如，软组织模型中的角现在可以仅使用本构模型参数和商业软件。

图六 拉伸载荷作用下明胶试样的裂纹扩展

图七 应用于Gealtin软组织模型的拉伸载荷模拟中产生3的失效路径

VI.结论及今后工作

已经提出了一个迭代过程，使初始连续有限元模型失效。使用相对坚硬和软组织的假体材料对于各种加载条件，预测的失效路径与实验观察相关。有限元与迭代过程一起使用的模型被证明是既与高分辨率模拟兼容，又适合用于优化可操纵医疗探头。所有数值结果都需要实验验证。因此[14]中的高分辨率技术已经将用于明胶组织模型。本实验提供完整的计算和实验框架分析优化中的详细工具-组织交互作用限制组织损伤的机械性能。到完全代表物理相互作用、本构行为使用大应变材料模型和生物材料还将实现参数。

参考文献

REFERENCES

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