面向肝脏软组织的力学实验及物理建模研究

发布时间：2020-08-28 01:23

【摘要】：对软组织力学特性的研究具有十分重要的现实意义。由于软组织力学性质的复杂性,现有的实验研究以及软组织的力学物理建模存在着一些不足。本文针对这些不足,从软组织的单轴压缩实验及物理建模、穿刺实验以及物理建模以及三维印压实验及物理建模三个方面出发,针对其中出现的部分问题,分别提出了改进优化的实验方法或者物理建模方法。以猪的肝脏样本为实验对象,对软组织样本分别进行了非受限单轴压缩实验、穿刺实验以及三维印压实验,基于软组织力学实验中获取的力位数据,进行了软组织力学的物理建模,以此验证了使用所提出的改进方法的有效性。针对软组织非受限单轴压缩实验中附加力的问题,对传统的Ogden超弹性本构模型进行了修正,将样本自然高度处理为待求参数以实现模型的几何修正,考虑了样本的等效重力应力响应以实现模型的应力修正。对实验样本进行了非受限单轴压缩实验,基于实验数据分别对传统模型以及改进模型进行了曲线拟合,验证了所提出修正方法的有效性。针对软组织穿刺实验中的模型参数获取方法的问题,基于智能算法,编写了软组织力学模型的参数反演方法,使用Matlab调用ABAQUS来获取表征穿刺实验数据的物理模型参数,结合对比实验数据,使用有限元仿真证明了所提出的参数反演方法的有效性。针对软组织三维实验测量平台结构复杂、造价高昂的问题,基于Omni主手机器人以及拉压力传感器搭建了一种新的三维力位测量实验平台,并针对系统中末端杆长的标定问题,基于最小二乘目标法提出了改进的杆长求解方法,该算法考虑到了偏心差的影响,相对传统的球面拟合方法,该方法具有更高的求解精度。针对软组织的三维几何模型重建问题,提出了新的几何重建方法,并验证了其重建精度;使用搭建的三维力位测量平台,进行了软组织的三维印压实验,使用HGO模型对实验数据进行了建模,并通过有限元仿真结果与实验结果的误差对比,验证了实验方法以及物理模型的有效性。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R318
【图文】：

外科手术,机器人系统

传统的医学病理诊断与病灶评估依然是重要的科手术机器人的技术、虚拟手术训练系统、远程与新兴医疗领域的共同发展基础之一便是对生学特性的研究包括实验方法以及物理模型两大部实地反映生物软组织的力学响应，精确的物理模言进行定量表达。织力学特性的研究具有重要的现实意义。例如，过穿刺力判断诊断区域是否病变[8]。生物软组织准确的穿刺力参考，而不是仅仅依赖于经验。在虚学建模可以使医生获得更接近于真实软组织的力合、切割等操作的训练具有重要意义。图 1.1 为A Vinci 手术机器人系统[11]，此类医疗手术机器人究的发展。

压缩实验,受限,方法,软组织

学实验及物理建模国内外研究现状学实验以及物理模型的相关研究开始于 20 世纪中组织、皮肤、肝脏、脑组织等[13]。由于软组织的力相关研究对于肝脏软组织力学实验方法以及物理建本节在阐述研究现状时也借鉴了非肝脏软组织的相压缩实验及物理建模研究现状es 等人为了研究低刚度的软组织力学特性，使用了压缩实验的方法。在该实验条件的设定下，载荷的形变平面的 Z 轴，并使用润滑的方式尽量减小软组在正交平面内的自由形变。该实验方法被广泛地运中，其装置示意图如图 1.2 所示[14]。

实验曲线,应变率,粘弹性,行为

图 1.3 A. Tirella 等人提出的应变率法用式(1-1)描述了肝脏的粘弹性行为。1 21 20 1 2( ) (1 ) (1 )E Et tt E t e e 为样本随着实验时间变化的应力，为应变率， E 与为描述材料的粘rella 使用实验获得的应力应变曲线对上式拟合，并对照传统方法，最终率法所获得的参数对实验曲线的拟合度为 0.99，而传统方法只有 0.89，变率法能够一定程度消除消除预加载力误差的影响。然而应变率法也存其表征的软组织形变区域仅限于小应变的线性加载区域，对形变行为。ttei 等人使用动态力学分析法（DMA）与应变率法两种方法来获得线性应变区间的粘弹性参数，该方法是一种力触发实验方法，通过在样品上应变并测量循环应力响应来确定材料粘弹性。实验中使用了 GABO

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