生物軟組織切割機理的實驗與理論研究.pdf

1、微創(chuàng)外科手術因其可以大大減小手術過程中所造成的損傷而受到廣泛關注。外科手術仿真系統(tǒng)被認為類似于用教練機培訓飛行員一樣來用于培訓外科醫(yī)生，近年來已成為研究熱點。而機器人微創(chuàng)手術技術和外科手術仿真系統(tǒng)的發(fā)展不僅需要了解外科手術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中的反應特性進行研究。“切割”作為外科手術的核心任務，研究生物軟組織的切割特性及其切割機理，建立刀具與組織之間相互作用關系的精確模型對機器人微創(chuàng)

2、手術和外科手術仿真系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。基于此本論文對以豬主動脈壁為代表的生物軟組織進行切割實驗，對切割力進行了測量，并對生物軟組織切割特性進行了分析。系統(tǒng)研究了切割參數對生物軟組織切割過程的影響規(guī)律；從斷裂力學角度對生物軟組織切割過程進行分析，揭示生物軟組織在切割過程中的斷裂機理；根據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構特性，尤其是對主動脈壁中層組織單元的微觀結構進行了詳細介紹。分析了主動脈壁各組織成分的力學性能。開展了單向拉伸實驗，對豬主動脈壁組織的力學性能進行了測試。分析了豬主動脈壁組織的應力-應變特性和應力松弛特性，測得了豬主動脈壁組織沿軸向和周向的拉伸極限應力強度。
　　 (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驗。對切割力進行實時

4、測量，分析了生物軟組織切割特性。研究了切割參數包括初始拉伸力、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，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生的皺起現象，研究了組織皺起現象對切割過程的影響，并分析了切割參數對組織皺起現象的影響。
　　 (3)從斷裂力學角度對生物軟組織切割過程進行了分析，研究了切割過程中，生物軟組織的斷裂機理，分析了切割參數對破裂切割能和組織破裂能的影響。根據能量平衡方法，利用切割實驗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，并分析了不同切割條件下所消耗的非彈性應變能。

6、>　　 (4)根據能量平衡對切割過程中各個階段能量之間的轉換關系進行了分析，并建立了各個切割階段的切割力模型。在變形階段，切割力表現為典型的非線性J型曲線關系，一個指數函數被用于擬合在變形階段的切割力；在切割階段，根據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)現模型所得切割力能夠很好地與實驗所得切割力吻合，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系曲線與實驗結果進行比較，求出材料模型參數。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力值及刀刃附近組織的應力分布。
　　 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理，有利于外科醫(yī)生對切割手術過程的理解，為改進外科手術工具和改善手術情景提供理論指導。本文研究