用于心脏微创手术的触觉传感器与接触模型研究

发布时间：2017-08-06 04:15

  本文关键词：用于心脏微创手术的触觉传感器与接触模型研究

  更多相关文章： 触觉传感器 接触模型 剪切模量 蠕变柔量 松弛模量

【摘要】：在临床医学实践当中,微创手术(MIS)凭借其突出的优点——创伤小、术后感染风险低、恢复快等已受到人们越来越多的关注。它正逐渐地改变着现有的医疗手段并提高了当前的医疗水平。然而,当外科医生执行微创手术的时候,由于缺少必要的触觉反馈信息,这将可能会导致病人体内健康软组织遭到医疗器械的破坏,甚至会造成更严重的医疗事故。因此,触觉反馈信息的匮乏已然成为微创手术发展的最大障碍。本文以适用于心脏微创手术为目标,以心脏二尖瓣膜闭合不全经皮导管介入微创手术为应用对象,设计了一种用于心脏微创手术的触觉传感器。所设计的传感器带有圆锥形内凹面,同时凹面上均匀布置着压阻材料。为了分析传感器与心脏肌肉组织间的接触数学模型,首先研究了粘弹性材料的建模方式,选用广义Kelvin模型建立了猪心脏肌肉组织的本构模型;在建立了传感器与弹性体的接触模型之后,根据弹性-粘弹性对应原理,确定了触觉传感器与粘弹性体之间的接触模型;为使该接触问题的有限元仿真更加合理、准确,对松弛模量与蠕变柔量转换方法进行研究,获得了猪心脏肌肉组织粘弹性模型的相关Prony参数;选用ABAQUS软件对该接触问题进行仿真验证,证明了理论模型的准确性;最后,选用五种硅胶材料,对本文研究的触觉传感器进行实验验证。通过对四种测试结果的比较,确定了传感器的有效性与本研究的可行性。本文所设计的用于心脏微创手术的触觉传感器特色在于能够辨别软组织间相对硬度的同时还能够测量被测软组织的剪切模量,这为探测器官内部组织是否发生病变提供了一定的预测功能;采用的接触模型建立方法同样适用于其他形状内凹面与粘弹性体(弹性体)接触模型的建立;对肌肉软组织有限元仿真的方法较传统的用橡胶类材料替代的方法更加合理、准确,该方法对此类仿真研究有一定的参考价值。
【关键词】：触觉传感器 接触模型 剪切模量 蠕变柔量 松弛模量
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R654.2;TP212
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-12
• 注释表12-13
• 缩略词13-14
• 第一章 绪论14-24
• 1.1 研究背景及意义14-18
• 1.1.1 微创手术在心血管疾病治疗中的应用14-15
• 1.1.2 触觉信息的重要性15-16
• 1.1.3 微创手术发展的障碍16-17
• 1.1.4 研究目的及意义17-18
• 1.2 触觉传感器研究现状18-22
• 1.2.1 机器人用触觉传感器研究现状18-20
• 1.2.2 医用触觉传感器研究现状20-22
• 1.3 本文研究内容22-24
• 第二章 传感器结构设计与心脏肌肉组织模型建立24-37
• 2.1 引言24
• 2.2 触觉传感器描述24-27
• 2.2.1 传感器的结构设计24-25
• 2.2.2 传感器工作原理及结构优势25-26
• 2.2.3 传感器在介入导管上的布置26-27
• 2.2.4 传感器外壳选材及加工方法27
• 2.3 经典粘弹性模型类型选择27-29
• 2.4 针对心脏肌肉组织的广义模型29-32
• 2.4.1 三参量固体模型及其蠕变行为讨论29-31
• 2.4.2 广义Kelvin模型及其复数柔量推导31-32
• 2.5 心脏肌肉组织模型确定32-35
• 2.5.1 肌肉组织样本数据获取32-33
• 2.5.2 模型参数辨识33-35
• 2.5.3 猪心脏左心室肌肉组织模型建立35
• 2.6 本章小结35-37
• 第三章 心脏肌肉组织有限元模型分析37-50
• 3.1 引言37
• 3.2 松弛模量与蠕变柔量转换法37-44
• 3.2.1 频域转换法37-39
• 3.2.2 时域转换法39-40
• 3.2.3 基于Volterra算子转换方法40-42
• 3.2.4 内部变量法42-44
• 3.3 误差分析44-46
• 3.3.1 误差定义44
• 3.3.2 PMMA材料的蠕变柔量与松弛模量转换44-46
• 3.3.3 误差概率分布分析结果46
• 3.4 肌肉组织松弛模量与蠕变柔量之间转换46-48
• 3.5 材料仿真验证48-49
• 3.6 本章小结49-50
• 第四章 传感器接触模型建立及其结构优化50-64
• 4.1 引言50
• 4.2 接触模型建立与分析50-60
• 4.2.1 接触问题研究类型50-51
• 4.2.2 传感器与弹性体接触模型建立51-59
• 4.2.3 传感器与粘弹性体接触模型建立与分析59-60
• 4.3 传感器结构优化60-62
• 4.4 实验样机参数确定及其接触性能分析62-63
• 4.5 本章小结63-64
• 第五章 传感器仿真与实验验证64-84
• 5.1 引言64
• 5.2 传感器仿真分析64-69
• 5.2.1 仿真软件介绍64
• 5.2.2 仿真模型建立64-66
• 5.2.3 仿真结果分析66-69
• 5.3 实验准备69-74
• 5.3.1 传感元件设计69-70
• 5.3.2 传感元件检测70-72
• 5.3.3 数据采集设计72-73
• 5.3.4 电路设计73-74
• 5.4 实验验证74-83
• 5.4.1 传感器组装74-75
• 5.4.2 实验方案75-76
• 5.4.3 人为触觉测试76-77
• 5.4.4 相对硬度实验77-81
• 5.4.5 材料剪切模量时间离散值估算实验81-83
• 5.5 本章小结83-84
• 第六章 总结与展望84-86
• 6.1 主要研究工作与创新点84-85
• 6.2 不足及展望85-86
• 参考文献86-92
• 致谢92-93
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文93

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本文编号：628326