生物軟組織切割機(jī)理的實(shí)驗(yàn)與理論研究.pdf

1、微創(chuàng)外科手術(shù)因其可以大大減小手術(shù)過程中所造成的損傷而受到廣泛關(guān)注。外科手術(shù)仿真系統(tǒng)被認(rèn)為類似于用教練機(jī)培訓(xùn)飛行員一樣來用于培訓(xùn)外科醫(yī)生，近年來已成為研究熱點(diǎn)。而機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)和外科手術(shù)仿真系統(tǒng)的發(fā)展不僅需要了解外科手術(shù)過程中工具與組織相互作用時組織的變形特性，也需要對生物軟組織在各種切割手術(shù)中的反應(yīng)特性進(jìn)行研究。“切割”作為外科手術(shù)的核心任務(wù)，研究生物軟組織的切割特性及其切割機(jī)理，建立刀具與組織之間相互作用關(guān)系的精確模型對機(jī)器人微創(chuàng)

2、手術(shù)和外科手術(shù)仿真系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義?；诖吮菊撐膶σ载i主動脈壁為代表的生物軟組織進(jìn)行切割實(shí)驗(yàn)，對切割力進(jìn)行了測量，并對生物軟組織切割特性進(jìn)行了分析。系統(tǒng)研究了切割參數(shù)對生物軟組織切割過程的影響規(guī)律；從斷裂力學(xué)角度對生物軟組織切割過程進(jìn)行分析，揭示生物軟組織在切割過程中的斷裂機(jī)理；根據(jù)能量平衡建立了生物軟組織切割過程模型；采用有限元方法對生物軟組織切割過程進(jìn)行仿真，建立了生物軟組織切割過程中刀具與組織相互作用的有限元模型。本文所做的

3、工作主要包括：
　　 (1)闡述了主動脈壁組織成分及其結(jié)構(gòu)特性，尤其是對主動脈壁中層組織單元的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。分析了主動脈壁各組織成分的力學(xué)性能。開展了單向拉伸實(shí)驗(yàn)，對豬主動脈壁組織的力學(xué)性能進(jìn)行了測試。分析了豬主動脈壁組織的應(yīng)力-應(yīng)變特性和應(yīng)力松弛特性，測得了豬主動脈壁組織沿軸向和周向的拉伸極限應(yīng)力強(qiáng)度。
　　 (2)搭建了一臺生物軟組織切割裝置，以豬主動脈為生物軟組織代表開展了大量的切割實(shí)驗(yàn)。對切割力進(jìn)行實(shí)時

4、測量，分析了生物軟組織切割特性。研究了切割參數(shù)包括初始拉伸力、組織夾持距離、切割速度、刀具傾斜角度、刀刃圓弧半徑、切割組織方向和組織厚度等對切割過程的影響規(guī)律，主要研究了切割參數(shù)對切割力和局部剛度的影響。初始拉伸力和組織夾持距離對切割力和局部剛度有著重要的影響，刀具傾斜角度和刀刃圓弧半徑主要對破裂切割力有較大影響，而對破裂前組織的局部剛度則影響不大。切割速度對切割力和局部剛度都有影響，但在較小速度范圍內(nèi)，局部剛度受切割速度的影響不大。描

5、述了在生物軟組織切割過程中刀刃前組織所產(chǎn)生的皺起現(xiàn)象，研究了組織皺起現(xiàn)象對切割過程的影響，并分析了切割參數(shù)對組織皺起現(xiàn)象的影響。
　　 (3)從斷裂力學(xué)角度對生物軟組織切割過程進(jìn)行了分析，研究了切割過程中，生物軟組織的斷裂機(jī)理，分析了切割參數(shù)對破裂切割能和組織破裂能的影響。根據(jù)能量平衡方法，利用切割實(shí)驗(yàn)計算了豬主動脈壁組織的斷裂韌性，其值在800J/m2～1800J/m2范圍內(nèi)，并分析了不同切割條件下所消耗的非彈性應(yīng)變能。

6、>　　 (4)根據(jù)能量平衡對切割過程中各個階段能量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行了分析，并建立了各個切割階段的切割力模型。在變形階段，切割力表現(xiàn)為典型的非線性J型曲線關(guān)系，一個指數(shù)函數(shù)被用于擬合在變形階段的切割力；在切割階段，根據(jù)能量平衡方程建立了切割力的物理模型；而對于破裂階段，由于時間非常短，切割力從破裂切割力直線減小。比較發(fā)現(xiàn)模型所得切割力能夠很好地與實(shí)驗(yàn)所得切割力吻合，證明切割力模型是正確的。
　　 (5)對生物軟組織切割過程進(jìn)行

7、仿真，建立了刀具與組織之間相互作用的有限元模型。選用Ogden模型作為豬主動脈組織的材料模型，采用反向求解法，將仿真所得的刀具與組織間的相互作用力與位移關(guān)系曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，求出材料模型參數(shù)。通過有限元模型獲得在切割過程中，組織被切破時的破裂應(yīng)力值及刀刃附近組織的應(yīng)力分布。
　　 本文的研究成果有助于理解生物軟組織切割特性和切割機(jī)理，有利于外科醫(yī)生對切割手術(shù)過程的理解，為改進(jìn)外科手術(shù)工具和改善手術(shù)情景提供理論指導(dǎo)。本文研究