微创手术缝合针与软组织交互作用行为研究

发布时间：2020-05-17 12:45

【摘要】：医疗缝合是一项耗时多、偏繁杂、具有挑战性的任务。医生在缝合过程中常常会遇到缝合空间和自由度不足等问题,特别是在缝合伤口过大和急需快速缝合的情况下,这些情况不仅会促使医生产生严重的疲劳感进而大大降低缝合效率,同时会增大损伤软组织的几率。自动化缝合技术可以代替医生进行自动手术缝合,提高缝合效率,降低损伤风险。而自动缝合技术要求机器人能够自动识别缝合过程中针的受力情况,以此来规划好缝合路径。此外,由于在缝合过程中经常遇到缝合针变形,弯曲甚至折断等情况,如何安全有效地操作它们,不仅要求医生掌握足够的缝合技能,还必须对针-软组织之问的交互行为理解透彻。这些力学数据对于缝合针的设计和选型都有着巨大的现实意义和指导意义。通过研究国内外相关文献,我们利用生物力学试验机(HY0580),选取了猪肝脏、猪皮、兔大／小肠、兔肝脏五种离体软组织进行了多组针刺实验,分析了微创手术缝合针与软组织间交互作用行为以及影响两者间相互作用力的因素,通过编写MATLAB程序建立了入刺过程第一阶段针刺力与针刺位移、针刺速度之间的非线性模型,揭示了缝合过程中针-组织间交互作用的一些基本规律。主要结论如下：1.缝合针刺入组织的过程可以分为两个阶段。刺破前阶段为第一阶段,针尖主要受到软组织的反作用力,我们称之为弹力。刺破后阶段为第二阶段,针主要受到周围组织的切削力及其与组织问的摩擦力。其中,刺破瞬间的力,我们称之为刺破力。刺破力的大小与针刺条件密切相关。随着针刺速度的增大,刺破力逐渐减小,刺破时间逐渐缩短；随着入刺角度的增大,刺破力增大；相同工况条件下,针尖截面为三角形的缝合针产生的刺破力大于圆形截面的缝合针；直径越大,产生的刺破力越大。同时,用猪皮作为实验样品时,产生的刺破力以及弹力是猪肝脏、兔大／小肠、兔肝脏组织的十倍左右。结果表明,缝合过程中,采取不同的入针方式,会产生不同的交互作用效果。2.刺破第一阶段,针刺力与针刺位移、针刺速度有着密切的联系,基于最小二乘法的MATLAB建模分析,我们建立了三者问的非线性模型。模型的残差值约为0.012,显示较好的拟合效果,另外,我们通过比较选取的十组实测数据与由拟合模型得到的数值的差值来粗浅验证了模型的准确性。3.建立刺破前、后两个阶段的能量平衡方程,并基于能量平衡方程和特定的试验方法,计算出针刺过程中,针尖刺破周围软组织所消耗的能量。加快设定的入刺速度,消耗的能量越多；同等速度和直径条件下,三角形截面缝合针刺破组织消耗的能量明显大于圆形截面缝合针；同等速度和截面形状条件下,直径越大,裂纹扩散所需的能量越大。4.基于裂纹扩散准则和改进的Kelvin接触模型验证了相关实验结果的正确性。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R61

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