Inverse-FEM Characterization of a Brain Tissue Phantom to Simulate Compression and Indentation

Caracterización de tejido cerebral artificial utilizando Inverse-FEM para simular indentación y comprensión

Una simulación realista de la interacción tejido-herramienta es necesaria para desarrollar simuldores quirúrgicos, y la presición en modelos biomecánicos de tejidos es determinante para cumplir tal fin. Los trabajos previos han caracterizado las propiedades de tejidos blandos; sin embargo, ha faltado una validación apropiada de los resultados. En este trabajo se determinaron las propiedades mecánicas de un tejido blando minimizando la diferencia entre las mediciones experimentales y la solución analítica o simulada del problema. Luego, fueron seleccionados los parámetros que mejor se ajustaron a los datos experimentales para simular una compresión con fricción y la indentación de una aguja con punta plana. Se concluye que el inverse-FEM permite la precisa estimación de las propiedades del material. Además, estos resultados fueron validados con varias interacciones tejido-herramienta sobre el mismo espécimen.

1 INTRODUCCIÓN

La simulación realista de procedimientos quirúrgicos se ha considerado un método eficaz y seguro para el desarrollo de la formación y la planificación quirúrgica al hacer hincapié en la interacción en tiempo real con los instrumentos médicos y los modelos virtuales realistas de los pacientes. Se han desarrollado simuladores quirúrgicos para una amplia gama de procedimientos y pueden clasificarse en tres categorías principales: cirugía con agujas, abierta y mínimamente invasiva (CMI). La inserción de agujas neuroquirúrgicas (NI) es un tipo de CMI que se realiza con un campo de visión restringido, una retroalimentación visual 2D desplazada y una retroalimentación háptica distorsionada. Para simular intervenciones quirúrgicas realistas de NI en el cerebro, es necesario implementar algoritmos que sean precisos y computacionalmente eficientes [1]. Además, la precisión de la planificación en las intervenciones médicas y la credibilidad de la simulación quirúrgica dependen de las leyes constitutivas de los tejidos blandos, de las representaciones de las herramientas quirúrgicas, de la geometría del órgano y de las condiciones de contorno impuestas por los tejidos conectivos que lo rodean [2]. Se han dedicado muchas investigaciones y desarrollos a la formación de los cirujanos en CMI mediante la retroalimentación visual y háptica, pero la caracterización precisa de los modelos de tejidos blandos es fundamental para la simulación háptica y sigue siendo un área de investigación abierta [3].

Las técnicas para adquirir las propiedades de los tejidos blandos son difíciles. Algunos investigadores han evaluado las propiedades de los tejidos blandos in vivo, ex vivo o en tejidos fantasma, utilizando pruebas de estiramiento [4], experimentos de aspiración [5], pruebas de compresión e inserción de agujas, para modelos biomecánicos lineales [6] y no lineales [7]. En todos estos casos, los investigadores demostraron que sus modelos de material se ajustaban correctamente a los datos experimentales adquiridos durante un procedimiento de calibración del material.