بیومکانیک محاسباتی و شناسایی غیرخطی خواص مکانیکی بافت

بیومکانیک محاسباتی چیست؟

بیومکانیک محاسباتی مجموعه‌ای از مدل‌های ریاضی و روش‌های عددی برای مطالعه رفتار مکانیکی سامانه‌های زیستی است. در بافت‌های نرم، این حوزه معمولاً مدل‌سازی اجزای محدود، قوانین سازنده غیرخطی، اندازه‌گیری میدان تغییرشکل و تصاویر پزشکی را ترکیب می‌کند تا تنش، کرنش و خواص مکانیکی بافت برآورد شود.

در مسئله مستقیم، هندسه، بارگذاری و خواص ماده معلوم است و تغییرشکل پیش‌بینی می‌شود. در مسئله معکوس، میدان تغییرشکل یا نیروی واکنش اندازه‌گیری می‌شود و پارامترهای ماده یا توزیع مکانی خواص مکانیکی به دست می‌آید.

مکانیک غیرخطی بافت نرم

بافت‌های زیستی اغلب تغییرشکل‌های بزرگ دارند و با الاستیسیته خطی به‌خوبی توصیف نمی‌شوند. مدل‌های هایپرالاستیک یا فراکشسان، پاسخ تنش را با تابع انرژی کرنشی بیان می‌کنند. مدل‌های نئوهوکین، مونی–ریولین، آگدن و جنت از نمونه‌های متداول هستند.

یکی از دشواری‌های اصلی این است که مدل‌ها یا مجموعه پارامترهای مختلف ممکن است در یک پروتکل محدود پاسخ مشابهی ایجاد کنند. بنابراین طراحی آزمایش، تحلیل شناسایی‌پذیری و برآورد عدم‌قطعیت بخش اساسی شناسایی مکانیکی بافت هستند.

تصویربرداری پزشکی و مکانیک معکوس

تصویربرداری حجمی می‌تواند هندسه و میدان حرکت را فراهم کند، اما تبدیل این داده‌ها به خواص مکانیکی کمی نیازمند قانون سازنده و اطلاعات مرزی است. الاستوگرافی معکوس داده‌های تغییرشکل را با معادلات تعادل ترکیب می‌کند تا خواص بافت برآورد شود.

پژوهش من بر بازیابی اطلاعات سازنده غیرخطی و مکانی تمرکز دارد؛ یعنی به جای یک مقدار ساده سختی، نقشه‌های چندپارامتری و قابل‌تفسیر از مکانیک بافت تولید می‌شوند.

مسیرهای پژوهشی در حال توسعه

پژوهش‌های جاری من یک برنامه به‌هم‌پیوسته را تشکیل می‌دهند و به یک پروژه محدود نیستند. هدف مشترک این مسیرها، بازیابی اطلاعات مکانیکی قابل‌اعتماد و دارای تفکیک مکانی از داده‌های تغییرشکل و تصویربرداری، همراه با بیان روشن شناسایی‌پذیری، عدم‌قطعیت و فرض‌های مدل است.

این برنامه شامل مکانیک معکوس بافت، تصویربرداری پزشکی و فراصوت مبتنی بر تغییرشکل، شناسایی سازنده همراه با عدم‌قطعیت، مقایسه و سازگاری مدل‌های غیرخطی ماده، فرایندهای آزمایشگاهی و اندازه‌گیری رباتیک، و یادگیری ماشین آگاه از مکانیک است. هر پروژه ممکن است بر داده یا ابزار محاسباتی متفاوتی تمرکز کند، اما همه آن‌ها به یک پرسش مرکزی مرتبط‌اند: چگونه می‌توان تغییرشکل مشاهده‌شده را به اطلاعات قابل‌تفسیر درباره مکانیک بافت تبدیل کرد؟