發(fā)布時(shí)間：2020-08-28 01:23

【摘要】：對(duì)軟組織力學(xué)特性的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于軟組織力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性,現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)研究以及軟組織的力學(xué)物理建模存在著一些不足。本文針對(duì)這些不足,從軟組織的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)及物理建模、穿刺實(shí)驗(yàn)以及物理建模以及三維印壓實(shí)驗(yàn)及物理建模三個(gè)方面出發(fā),針對(duì)其中出現(xiàn)的部分問題,分別提出了改進(jìn)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)方法或者物理建模方法。以豬的肝臟樣本為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,對(duì)軟組織樣本分別進(jìn)行了非受限單軸壓縮實(shí)驗(yàn)、穿刺實(shí)驗(yàn)以及三維印壓實(shí)驗(yàn),基于軟組織力學(xué)實(shí)驗(yàn)中獲取的力位數(shù)據(jù),進(jìn)行了軟組織力學(xué)的物理建模,以此驗(yàn)證了使用所提出的改進(jìn)方法的有效性。針對(duì)軟組織非受限單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中附加力的問題,對(duì)傳統(tǒng)的Ogden超彈性本構(gòu)模型進(jìn)行了修正,將樣本自然高度處理為待求參數(shù)以實(shí)現(xiàn)模型的幾何修正,考慮了樣本的等效重力應(yīng)力響應(yīng)以實(shí)現(xiàn)模型的應(yīng)力修正。對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本進(jìn)行了非受限單軸壓縮實(shí)驗(yàn),基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別對(duì)傳統(tǒng)模型以及改進(jìn)模型進(jìn)行了曲線擬合,驗(yàn)證了所提出修正方法的有效性。針對(duì)軟組織穿刺實(shí)驗(yàn)中的模型參數(shù)獲取方法的問題,基于智能算法,編寫了軟組織力學(xué)模型的參數(shù)反演方法,使用Matlab調(diào)用ABAQUS來(lái)獲取表征穿刺實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的物理模型參數(shù),結(jié)合對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),使用有限元仿真證明了所提出的參數(shù)反演方法的有效性。針對(duì)軟組織三維實(shí)驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高昂的問題,基于Omni主手機(jī)器人以及拉壓力傳感器搭建了一種新的三維力位測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并針對(duì)系統(tǒng)中末端桿長(zhǎng)的標(biāo)定問題,基于最小二乘目標(biāo)法提出了改進(jìn)的桿長(zhǎng)求解方法,該算法考慮到了偏心差的影響,相對(duì)傳統(tǒng)的球面擬合方法,該方法具有更高的求解精度。針對(duì)軟組織的三維幾何模型重建問題,提出了新的幾何重建方法,并驗(yàn)證了其重建精度;使用搭建的三維力位測(cè)量平臺(tái),進(jìn)行了軟組織的三維印壓實(shí)驗(yàn),使用HGO模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了建模,并通過(guò)有限元仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差對(duì)比,驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)方法以及物理模型的有效性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：R318
【圖文】：

傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)病理診斷與病灶評(píng)估依然是重要的科手術(shù)機(jī)器人的技術(shù) 、虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)、遠(yuǎn)程與新興醫(yī)療領(lǐng)域的共同發(fā)展基礎(chǔ)之一便是對(duì)生學(xué)特性的研究包括實(shí)驗(yàn)方法以及物理模型兩大部實(shí)地反映生物軟組織的力學(xué)響應(yīng)，精確的物理模言進(jìn)行定量表達(dá)�？椓W(xué)特性的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。例如，過(guò)穿刺力判斷診斷區(qū)域是否病變[8]。生物軟組織準(zhǔn)確的穿刺力參考，而不是僅僅依賴于經(jīng)驗(yàn)。在虛學(xué)建�？梢允贯t(yī)生獲得更接近于真實(shí)軟組織的力合、切割等操作的訓(xùn)練具有重要意義。圖 1.1 為A Vinci 手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)[11]，此類醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人究的發(fā)展。

學(xué)實(shí)驗(yàn)及物理建模國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀學(xué)實(shí)驗(yàn)以及物理模型的相關(guān)研究開始于 20 世紀(jì)中組織、皮膚、肝臟、腦組織等[13]。由于軟組織的力相關(guān)研究對(duì)于肝臟軟組織力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法以及物理建本節(jié)在闡述研究現(xiàn)狀時(shí)也借鑒了非肝臟軟組織的相壓縮實(shí)驗(yàn)及物理建模研究現(xiàn)狀es 等人為了研究低剛度的軟組織力學(xué)特性，使用了壓縮實(shí)驗(yàn)的方法。在該實(shí)驗(yàn)條件的設(shè)定下，載荷的形變平面的 Z 軸，并使用潤(rùn)滑的方式盡量減小軟組在正交平面內(nèi)的自由形變。該實(shí)驗(yàn)方法被廣泛地運(yùn)中，其裝置示意圖如圖 1.2 所示[14]。

圖 1.3 A. Tirella 等人提出的應(yīng)變率法用式(1-1)描述了肝臟的粘彈性行為。1 21 20 1 2( ) (1 ) (1 )E Et tt E t e e 為樣本隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間變化的應(yīng)力， 為應(yīng)變率， E 與 為描述材料的粘rella 使用實(shí)驗(yàn)獲得的應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)上式擬合，并對(duì)照傳統(tǒng)方法，最終率法所獲得的參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線的擬合度為 0.99，而傳統(tǒng)方法只有 0.89，變率法能夠一定程度消除消除預(yù)加載力誤差的影響。然而應(yīng)變率法也存其表征的軟組織形變區(qū)域僅限于小應(yīng)變的線性加載區(qū)域，對(duì)形變行為。ttei 等人使用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析法（DMA）與應(yīng)變率法兩種方法來(lái)獲得線性應(yīng)變區(qū)間的粘彈性參數(shù)，該方法是一種力觸發(fā)實(shí)驗(yàn)方法，通過(guò)在樣品上應(yīng)變并測(cè)量循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)來(lái)確定材料粘彈性。實(shí)驗(yàn)中使用了 GABO

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