肌肉组织切削实验及仿真研究

发布时间：2020-06-24 17:02

【摘要】：随着现代医学和计算机技术的不断发展,虚拟手术通过结合三维软组织仿真建模与虚拟现实技术实现手术过程的仿真,使得外科医生获得大量的仿真手术试验机会,为手术成功率提高、实习医生训练等提供技术支持。而目前在三维软组织仿真建模过程中,由于软组织本身构成复杂、结构特殊,难以建立精确的仿真模型。本文通过建立精确的肌肉仿真模型,结合实验研究与理论分析,进行肌肉组织的切削实验与仿真研究,并优化其切削参数,使肌肉组织仿真切削过程精度极大提高,为虚拟手术中肌肉组织与器械接触提供有力数据与模型支持。首先,提出一种肌肉组织粘弹性本构方程建模方法。该方法基于Kelvin-Voigt模型,将超弹性特性与粘弹性特性相结合,通过实验数据处理分别拟合、提取超弹性特性和粘弹性特性的材料常数,建立肌肉组织粘弹性本构方程。其次,设计并搭建肌肉组织拉压实验平台,进行所提出粘弹性本构方程的实验及仿真验证研究。通过进行肌肉组织拉伸压缩实验,拟合、提取超弹性特性与粘弹性特性的材料常数,建立肌肉组织压缩仿真模型;通过压缩实验与压缩仿真对比,表明所提出的粘弹性本构方程适用于肌肉组织,且表现出显著的粘弹性特性。然后,设计并搭建肌肉组织切削实验平台,研究手术条件下纤维向肌肉组织切削实验。通过搭建专用的肌肉组织切削实验平台,进行不同切削角度与切削速度下的切削实验;比较不同切削参数下的切削力、局部刚度、断裂韧性和拉伸屈服应力等,以及切削过程中的组织形变与微观形貌分析,优化手术条件下的肌肉组织切削过程,减少肌肉组织损伤。接下来,提出一种肌肉组织切削仿真建模方法,进行肌肉组织切削过程仿真及实验验证研究。通过本构方程拟合、提取结果,划分肌肉组织超弹性阶段与塑性阶段,通过切削过程实验确定肌肉组织断裂阶段,构建肌肉组织材料模型并进行切削过程仿真;进行不同切削方式、切削角度、切削深度和切削速度情况下的仿真过程,研究切削过程中组织表面完整性、切屑形貌、组织变形状态、应力分布和切削力变化等;通过搭建垂直切削实验平台,验证切削力与变形状态,确保切削仿真的精确性,为难以通过实验研究的复杂工况提供组织与器械接触的仿真支持;最后,优化复杂工况下肌肉组织切削过程,减少肌肉组织损伤。通过比较不同工况下切削仿真结果,讨论垂直切削方式下对切削速度的优化;水平切削方式下切削角度、切削深度、切削速度的优化,选择最优切削参数,减少切削过程中组织损伤。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R318.0
【图文】：

肌肉组织,样件,有效试验

山东大学硕士学位论文器材及样本逡逑行的单轴拉伸实验均由ＱＸ－Ｗ２００电子万能试验机完成进行非金属、肌肉组织、血管、韧带、人体组织器官等的检测。其主要技术参数：１、最大试验负荷：５０Ｎ；邋２、、有效测力范围：０．２％－］００％；邋４、测力精度：示值的±：最大试验力的±１／５０００００；邋６、试验速度调节范围：０．０ＣＵ－５值的±０．５％以内；８、变形测量范围：０．２％－］００％ＦＳ；邋９、内；１０、变形分辨力：最大变形的１／２５００００邋（全程分辨示值的±０．５％以内；１２、位移分辨率：０．５ｐｍ；邋１３、数据４、有效试验行程：６００ｍｍ；邋１５、有效试验宽度：１２０ｍ

状态图,拉伸方向,应力应变曲线,状态

，，产生较大差异。因此拉伸速度选择确保内部结缔组织不会由于较快拉逡逑紧迅速破坏。将样件固定在仪器上进行拉伸，直至组织完全断裂，保存数据并重复逡逑拉伸实验。沿纤维向和垂直纤维向各进行８组实验，对其进行标准偏差分析和平逡逑均极限强度应力求解。其中应力应变求解如下，逡逑0－邋＝邋—逦（２－１４）逡逑Ａ逡逑Ｌ－Ｌ０逡逑￡＝￣＾逦（２－１５）逡逑式中，为名义应力，Ｆ为拉伸力，Ｊ为试样横截面积，￡为名义应变，Ｉ为变形后逡逑长度，／？0为试样初始长度。逡逑通过多次重复实验获得的力与位移数据处理得到平均应力应变曲线如图２－４逡逑左侧所示。沿纤维向和沿垂直纤维向应力最大值时肌肉组织拉仲状态如图２－４右侧逡逑所示。逡逑

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