Soft tissue characterization based on experimental data has been investigated in order to provide a more realistic behavior in a virtual reality based surgical simulation. This thesis presents the characterization of the nonlinear properties of intra-abdominal organs from in vitro indentation experiments and the inverse finite element (FE) parameter optimization algorithm. To observe the soft tissue behavior, the in vitro experiments were conducted using three different inputs: a ramp and hold for relaxation, a sine wave for hysteresis, and a chirp wave for frequency responses. Soft tissues are modeled as a viscoelastic, nearly incompressible, and isotropic continuum. In the assumptions of a quasi-viscoelastic theory, the time dependent viscoelastic and time independent (strain energy dependent) hyperelastic material parameters were estimated separately. To characterize the parameters, the finite element (FE) model to simulate the forces at the indenters was developed. In addition, an optimization algorithm which updates new parameters and runs the simulation iteratively was also developed. As a result, we can develop the finite element model whose behavior is similar to that of porcine liver in the experiments. This implies that the tissue model could provide the information of the intra-abdominal organs and that the tissue model could be applied to the surgical simulation to provide realistic visual and haptic feedback.
현실적인 생체 조직과 수술도구와의 상호작용을 나타낼 수 있는 가상현실 기반의 의료시뮬레이션을 개발하기 위해서는 생체 몰입 실험을 통한 장기의 기계적 물성에 대한 연구가 상당히 중요하다. 본 논문에서는 in vitro 몰입 실험으로부터 얻어진 복강 내 장기의 특성을 유한요소모델 변수의 최적화를 통해 규명하였다.
생체조직의 점탄성적인 거동을 관찰하기 위해 ramp & hold 입력과 사인입력을 가해줌으로써 각각 이완현상과 이력현상을 확인하였다. 특히, 본 연구를 위해서 생체조직은 점탄성이며, 거의 비압축성이고, 등방성의 연속체라고 가정하였다.
유한요소모델 변수의 최적화를 통한 생체의 물성 규명을 위해서 본 연구에서는 Fung에 의해 제한된 이론에 따라서 생체 조직의 특성을 시간에 의존하는 부분과 의존하지 않는 부분으로 나누었다. 각각의 변수들을 구하기 위해 먼저 시간에 의존하는 변수들은 최적화의 편의를 위해 수치적으로 구했고, 시간에 의존하지 않는 부분은 생체실험 결과를 바탕으로 초기값을 구할 수 있었다. 이렇게 구한 매개변수를 통해 생체실험을 시뮬레이션 할 수 있는 유한요소모델을 개발하였고, 이 모델을 바탕으로 실험결과와 유사한 거동을 나타내는 시뮬레이션 모델을 개발하기 위해서 최적화 알고리즘을 이용하였다.
본 연구에서는 돼지 간을 이용한 생체 실험결과와 유사한 거동을 보이는 유한요소모델을 개발할 수 있었다. 또, 이렇게 개발된 모델은 복강 내 장기에 관한 기계적인 정보를 제공해줄 뿐만 아니라, 현실적인 시각정보와 촉각 (haptic) 정보를 제공함으로써 우수한 가상현실 기반의 의료시뮬레이션을 개발하는데 사용될 수 있다.