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简论主动脉生物软组织切割机理实验和

收藏本文 2024-03-31 点赞:8992 浏览:33992 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:微创外科手术因其可以大大减小手术历程中所造成的损伤而受到广泛关注。外科手术仿真系统被认为类似于用教练机培训飞行员一样来用于培训外科医生,近年来已成为探讨热点。而机器人微创手术技术和外科手术仿真系统的进展不仅需要了解外科手术历程中工具与组织相互作用时组织的变形特性,也需要对生物软组织在各种切割手术中的反应特性进行探讨。“切割”作为外科手术的核心任务,探讨生物软组织的切割特性及其切割机理,建立刀具与组织之间相互作用联系的精确模型对机器人微创手术和外科手术仿真系统的进展具有重要作用。基于此本论文对以猪主动脉壁为代表的生物软组织进行切割实验,对切割力进行了测量,并对生物软组织切割特性进行了浅析。系统探讨了切割参数对生物软组织切割历程的影响规律;以断裂力学角度对生物软组织切割历程进行浅析,揭示生物软组织在切割历程中的断裂机理;根据能量平衡建立了生物软组织切割历程模型;采取有限元策略对生物软组织切割历程进行仿真,建立了生物软组织切割历程中刀具与组织相互作用的有限元模型。本论文所做的工作主要包括:(1)阐述了主动脉壁组织成分及其结构特性,尤其是对主动脉壁中层组织单元的微观结构进行了详细介绍。浅析了主动脉壁各组织成分的力学性能。开展了单向拉伸实验,对猪主动脉壁组织的力学性能进行了测试。浅析了猪主动脉壁组织的应力-应变特性和应力松弛特性,测得了猪主动脉壁组织沿轴向和周向的拉伸极限应力强度。(2)搭建了一台生物软组织切割装置,以猪主动脉为生物软组织代表开展了大量的切割实验。对切割力进行实时测量,浅析了生物软组织切割特性。探讨了切割参数包括初始拉伸力、组织夹持距离、切割速度、刀具倾斜角度、刀刃圆弧半径、切割组织方向和组织厚度等对切割历程的影响规律,主要探讨了切割参数对切割力和局部刚度的影响。初始拉伸力和组织夹持距离对切割力和局部刚度有着重要的影响,刀具倾斜角度和刀刃圆弧半径主要对破裂切割力有较大影响,而对破裂前组织的局部刚度则影响不大。切割速度对切割力和局部刚度都有影响,但在较小速度范围内,局部刚度受切割速度的影响不大。描述了在生物软组织切割历程中刀刃前组织所产生的皱起现象,探讨了组织皱起现象对切割历程的影响,并浅析了切割参数对组织皱起现象的影响。(3)以断裂力学角度对生物软组织切割历程进行了浅析,探讨了切割历程中,生物软组织的断裂机理,浅析了切割参数对破裂切割能和组织破裂能的影响。根据能量平衡策略,利用切割实验计算了猪主动脉壁组织的断裂韧性,其值在800J/m2~1800J/m2范围内,并浅析了不同切割条件下所消耗的非弹性应变能。(4)根据能量平衡对切割历程中各个阶段能量之间的转换联系进行了浅析,并建立了各个切割阶段的切割力模型。在变形阶段,切割力体现为典型的非线性J型曲线联系,一个指数函数被用于拟合在变形阶段的切割力;在切割阶段,根据能量平衡方程建立了切割力的物理模型;而对于破裂阶段,由于时间非常短,切割力以破裂切割力直线减小。比较发现模型所得切割力能够很好地与实验所得切割力吻合,证明切割力模型是正确的。(5)对生物软组织切割历程进行仿真,建立了刀具与组织之间相互作用的有限元模型。选用Ogden模型作为猪主动脉组织的材料模型,采取反向求解法,将仿真所得的刀具与组织间的相互作用力与位移联系曲线与实验结果进行比较,求出材料模型参数。通过有限元模型获得在切割历程中,组织被切破时的破裂应力值及刀刃附近组织的应力分布。本论文的探讨成果有助于理解生物软组织切割特性和切割机理,有利于外科医生对切割手术历程的理解,为改善外科手术工具和改善手术情景提供论述指导。本论文探讨结果为机器人微创手术提供实验结果和论述依据,同时也为外科手术仿真系统提供实验数据和论述模型。关键词:软组织论文切割力论文主动脉论文断裂韧性论文局部刚度论文微创技术论文外科手术仿真系统论文

    摘要5-7

    Abstract7-13

    插图索引13-16

    附表索引16-17

    符号列表17-18

    第1章 绪论18-31

    1.1 探讨背景及作用18-20

    1.2 生物软组织力学性能测试策略20-21

    1.3生物软组织变形建模21-25

    1.3.1 基于图形模型21-22

    1.3.2 基于物理特性模型22-23

    1.3.3 有限元模型23-25

    1.4 切割历程中组织断裂机理25-29

    1.4.1 生物软组织断裂阻抗及测试策略25-27

    1.4.2 生物软组织断裂力学27-29

    1.5 论文主要探讨内容29-30

    1.6 本章小结30-31

    第2章 主动脉壁组织结构及其力学性能31-51

    2.1 主动脉组织结构31-42

    2.1.1 动脉血管组织成分及其结构31-33

    2.1.2 动脉管壁中层单元组织成分及其微观结构33-40

    2.1.3 生物软组织成分力学性能40-42

    2.2 单向拉伸实验42-44

    2.2.1 实验设备42-43

    2.2.2 试样准备43

    2.2.3 试验历程43-44

    2.2.4 数据整理和浅析44

    2.3 主动脉组织力学性能44-50

    2.3.1 应力-应变特性44-46

    2.3.2 应力松弛特性46-48

    2.3.3 拉伸极限应力强度48-50

    2.4 本章小结50-51

    第3章 切割实验及切割参数影响探讨51-72

    3.1 切割实验装置和实验历程51-53

    3.1.1 试样准备51

    3.1.2 切割装置51-52

    3.1.3 实验参数52-53

    3.2 拉伸力和切割力53-56

    3.2.1 拉伸力53-54

    3.2.2 切割力54-56

    3.3 切割参数对切割力的影响56-66

    3.3.1 初始拉伸力的影响56-58

    3.3.2 组织夹持距离的影响58-59

    3.3.3 切割速度的影响59-60

    3.3.4 刀具倾斜角度的影响60-62

    3.3.5 刀刃圆弧半径的影响62

    3.3.6 切割组织方向的影响62-63

    3.3.7 组织厚度的影响63-64

    3.3.8 黏刀的影响64-65

    3.3.9 切割参数优化65-66

    3.4 切割参数对局部刚度的影响66-70

    3.4.1 初始拉伸力的影响67-69

    3.4.2 组织夹持距离的影响69-70

    3.4.3 其他切割参数的影响70

    3.5 本章小结70-72

    第4章 生物软组织材料断裂机理72-91

    4.1 断裂论述介绍72-74

    4.2 组织破裂能74-75

    4.2.1 夹持能的计算74-75

    4.2.2 破裂切割能的计算75

    4.3 切割参数对组织破裂能的影响75-82

    4.3.1 初始拉伸力的影响75-77

    4.3.2 组织夹持距离的影响77-78

    4.3.3 切割速度的影响78-79

    4.3.4 刀具倾斜角的影响79-80

    4.3.5 刀刃圆弧半径的影响80-81

    4.3.6 切割组织方向的影响81-82

    4.3.7 组织厚度的影响82

    4.4 利用切割实验确定软组织的断裂特性82-89

    4.4.1 断裂韧性的计算策略82-86

    4.4.2 初始拉伸力对断裂韧性的影响86-87

    4.4.3 组织夹持距离对断裂韧性的影响87-89

    4.4.4 不同切割组织方向对断裂韧性的影响89

    4.5 本章小结89-91

    第5章 生物软组织切割历程建模91-103

    5.1 软组织切割历程浅析91-92

    5.2 能量法浅析92-95

    5.2.1 线弹性断裂92-93

    5.2.2 软组织切割历程能量浅析93-95

    5.3 切割历程建模95-101

    5.3.1 变形阶段95-97

    5.3.2 切割阶段97-98

    5.3.3 破裂阶段98-100

    5.3.4 破裂位移100-101

    5.4 模型验证101-102

    5.5 本章小结102-103

    第6章 生物软组织材料切割历程有限元模型探讨103-115

    6.1 有限元模型的建立103-110

    6.1.1 不足描述103-104

    6.1.2 弹性力学的基本检测设104-106

    6.1.3 有限单元法基本原理106

    6.1.4 几何模型和边界条件106-107

    6.1.5 材料模型107-110

    6.2 切割历程仿真110-113

    6.2.1 仿真切割力与实验切割力比较110-111

    6.2.2 应力分布浅析111-113

    6.3 仿真不同初始拉伸力的影响113-114

    6.4 本章小结114-115

    结论与展望115-119

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