生物組織夾持過程中生-機(jī)接觸機(jī)制研究.pdf

1、近年來，癌癥發(fā)病率逐年增高，并已成為威脅國人生命財產(chǎn)安全的頭號殺手。目前，在全球范圍內(nèi)尚未有完全根治癌癥的有效手段，只能將希望寄于“早發(fā)現(xiàn)，早治療”。目前臨床上最有效的癌癥檢測方法就是病理細(xì)胞學(xué)檢查，而要進(jìn)行該檢查必須要取得相應(yīng)部位的組織樣本。穿刺活檢法就是利用活檢針作為切削刀具切削下少量組織樣本，經(jīng)過染色處理后在電鏡下進(jìn)行病理細(xì)胞學(xué)分析確定其是否病變的一種檢測方法。由于創(chuàng)傷小、花費低的特點，穿刺活檢法成為臨床中提取組織樣本首選的方法。

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　　然而，目前臨床上活檢取樣的效率和準(zhǔn)確度并不高，其主要原因是取樣針穿刺過程中與組織間有力的作用，促使待取樣器官發(fā)生移動，導(dǎo)致取樣位置不準(zhǔn)確，要提高取樣精度常常需要對組織進(jìn)行夾持固定。醫(yī)學(xué)上通常采用醫(yī)用夾持工具進(jìn)行機(jī)械夾持。由于組織粘彈性特點，生物組織與機(jī)械夾具間的交互作用具有明顯的特殊性，很難夾持牢固，容易滑脫，因此十分有必要研究軟組織夾持固定過程中夾頭與組織間的交互作用規(guī)律特別是組織在夾持過程中的力學(xué)響應(yīng)問題。其研究成果對減

3、少臨床活檢取樣手術(shù)中取樣誤差，提高手術(shù)的準(zhǔn)確性具有重要意義。
　　組織力學(xué)特性的數(shù)學(xué)描述是進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)，本文研究分析了生物軟組織的力學(xué)特性，主要包括其彈性、超彈性、粘彈性等，重點研究了軟組織的粘彈性本構(gòu)方程。運用接觸力學(xué)理論對小應(yīng)變下的夾頭與組織接觸問題進(jìn)行了分析，建立了單齒及多齒接觸的力學(xué)分析模型，并給出了夾持力的表達(dá)式?？偨Y(jié)了微分型及積分型粘彈性本構(gòu)方程的一般形式，運用拉氏象空間下的粘彈性問題與線空間下的彈性問題的對應(yīng)置

4、換原理，以典型的Maxwell模型為基礎(chǔ)研究推導(dǎo)了大夾持量下的軟組織應(yīng)力響應(yīng)函數(shù)，并給出了夾持過程中應(yīng)力峰值及穩(wěn)定值的表達(dá)式。在MATLAB軟件環(huán)境下對應(yīng)力響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行了曲線擬合，結(jié)合對應(yīng)力峰值及穩(wěn)定值的分析，初步得出了二者與應(yīng)變之間的線性相關(guān)關(guān)系。
　　通過SolidWorks三維建模軟件，設(shè)計了不同截面參數(shù)的波浪齒形及尖齒形軟組織夾頭，并采用3D打印技術(shù)制備了相應(yīng)的夾頭樣件。結(jié)合現(xiàn)有實驗條件，搭建了軟組織夾持實驗平臺，以新鮮豬

5、肝臟組織為研究對象，進(jìn)行了軟組織夾持實驗。實驗研究了不同的夾頭截面形狀對于夾持力峰值及穩(wěn)定值的影響以及夾持力與夾持進(jìn)給量之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用尖齒形夾頭實驗測得的夾持力明顯高于采用波浪齒形夾頭的實驗結(jié)果，且隨著齒高增加夾持力特別是其峰值明顯增加。實驗獲得夾持力峰值和穩(wěn)定值與夾持進(jìn)給量之間基本呈線性相關(guān)的關(guān)系。
　　在商用有限元軟件ABAQUS中進(jìn)行了軟組織夾持過程仿真分析，利用實驗測得的夾持力數(shù)據(jù)，在MATLAB中擬合得到了描述

6、組織模型材料的Prony級數(shù)相關(guān)參數(shù)，仿真驗證了夾頭截面形狀對于組織應(yīng)力峰值及穩(wěn)定值的影響，驗證了夾持進(jìn)給量對于組織應(yīng)力及夾頭對組織夾持力的影響規(guī)律，仿真得到的結(jié)果與理論分析及實驗得到的結(jié)果基本吻合。
　　搭建了滑脫力測試實驗臺，對夾持實驗中設(shè)計制備的不同截面形狀的夾頭進(jìn)行了最大滑脫力測試實驗，獲得了實驗過程的滑脫力曲線，以及不同夾持進(jìn)給量下的臨界滑脫力數(shù)據(jù)，以對組織試樣產(chǎn)生明顯夾持或拉斷損傷為參考標(biāo)準(zhǔn)，測試了不同夾頭的最大滑脫力