（机械制造及其自动化专业论文）生物软组织切割机理的实验与理论研究.pdf

生物软组织切割机理的实验与理论研究 摘要 微创外科手术因其可以大大减小手术过程中所造成的损伤而受到广泛关注。 外科手术仿真系统被认为类似于用教练机培训飞行员一样来用于培训外科医生， 近年来已成为研究热点。而机器人微创手术技术和外科手术仿真系统的发展不仅 需要了解外科手术过程中工具与组织相互作用时组织的变形特性，也需要对生物 软组织在各种切割手术中的反应特性进行研究。“切割 作为外科手术的核心任务， 研究生物软组织的切割特性及其切割机理，建立刀具与组织之间相互作用关系的 精确模型对机器人微创手术和外科手术仿真系统的发展具有重要意义。基于此本 论文对以猪主动脉壁为代表的生物软组织进行切割实验，对切割力进行了测量， 并对生物软组织切割特性进行了分析。系统研究了切割参数对生物软组织切割过 程的影响规律；从断裂力学角度对生物软组织切割过程进行分析，揭示生物软组 织在切割过程中的断裂机理；根据能量平衡建立了生物软组织切割过程模型；采 用有限元方法对生物软组织切割过程进行仿真，建立了生物软组织切割过程中刀 具与组织相互作用的有限元模型。本文所做的工作主要包括： ( 1 ) 阐述了主动脉壁组织成分及其结构特性，尤其是对主动脉壁中层组织单 元的微观结构进行了详细介绍。分析了主动脉壁各组织成分的力学性能。开展了 单向拉伸实验，对猪主动脉壁组织的力学性能进行了测试。分析了猪主动脉壁组 织的应力应变特性和应力松弛特性，测得了猪主动脉壁组织沿轴向和周向的拉伸 极限应力强度。 ( 2 ) 搭建了一台生物软组织切割装置，以猪主动脉为生物软组织代表开展了 大量的切割实验。对切割力进行实时测量，分析了生物软组织切割特性。研究了 切割参数包括初始拉伸力、组织夹持距离、切割速度、刀具倾斜角度、刀刃圆弧 半径、切割组织方向和组织厚度等对切割过程的影响规律，主要研究了切割参数 对切割力和局部刚度的影响。初始拉伸力和组织夹持距离对切割力和局部刚度有 着重要的影响，刀具倾斜角度和刀刃圆弧半径主要对破裂切割力有较大影响，而 对破裂前组织的局部刚度则影响不大。切割速度对切割力和局部刚度都有影响， 但在较小速度范围内，局部刚度受切割速度的影响不大。描述了在生物软组织切 割过程中刀刃前组织所产生的皱起现象，研究了组织皱起现象对切割过程的影响， 并分析了切割参数对组织皱起现象的影响。 ( 3 ) 从断裂力学角度对生物软组织切割过程进行了分析，研究了切割过程 中，生物软组织的断裂机理，分析了切割参数对破裂切割能和组织破裂能的影响。 根据能量平衡方法，利用切割实验计算了猪主动脉壁组织的断裂韧性，其值在 8 0 0 j m 2 1 8 0 0 j m 2 范围内，并分析了不同切割条件下所消耗的非弹性应变能。 博士学位论文 ( 4 ) 根据能量平衡对切割过程中各个阶段能量之间的转换关系进行了分析， 并建立了各个切割阶段的切割力模型。在变形阶段，切割力表现为典型的非线性j 型曲线关系，一个指数函数被用于拟合在变形阶段的切割力；在切割阶段，根据 能量平衡方程建立了切割力的物理模型；而对于破裂阶段，由于时间非常短，切 割力从破裂切割力直线减小。比较发现模型所得切割力能够很好地与实验所得切 割力吻合，证明切割力模型是正确的。 ( 5 ) 对生物软组织切割过程进行仿真，建立了刀具与组织之间相互作用的有 限元模型。选用o g d e n 模型作为猪主动脉组织的材料模型，采用反向求解法，将 仿真所得的刀具与组织间的相互作用力与位移关系曲线与实验结果进行比较，求 出材料模型参数。通过有限元模型获得在切割过程中，组织被切破时的破裂应力 值及刀刃附近组织的应力分布。 本文的研究成果有助于理解生物软组织切割特性和切割机理，有利于外科医 生对切割手术过程的理解，为改进外科手术工具和改善手术情景提供理论指导。 本文研究结果为机器人微创手术提供实验结果和理论依据，同时也为外科手术仿 真系统提供实验数据和理论模型。 关键词：软组织；切割力；主动脉；断裂韧性；局部刚度；微创技术：外科手术 仿真系统 i i i 生物软组织切割机理的实验与理论研究 a bs t r a c t r o b o t i cm i n i m a l l yi n v a s i v es u r g e r yh a sb e e n p a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nd u et o m i n i m a ld a m a g ec a u s e di ns u r g i c a lo p e r a t i o n s s i m i l a rt of l i g h ts i m u l a t o r s ，as u r g i e a l s i m u l a t o ri s e x p e c t e d l y u s e df o r t r a i n i n gs u r g e o n sb e f o r e p e r f o r m i n gs u r g i c a l p r o c e d u r e so nh u m a np a t i e n t s ，w h i c hh a sb e c o m ear e s e a r c hh o t s p o ti nr e c e n ty e a r s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr o b o tm i n i m a l l yi n v a s i v es u r g e r ya n das u r g i c a ls i m u l a t i o n s y s t e m ，l ti sn e c e s s a r yt ou n d e r s t a n dt h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs o f tt i s s u e 觚d k n o wt h er e s p o n s e so fs o f tb i o l o g i c a lt i s s u e s d u r i n gas u r g i c a lp r o c e s s “c u t t i n g i st h e c o r et a s ko f “s u r g e r y ”i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ed e v e l o p m e to fr o b o t i cm i n i m a l l v i n v a s i v e s u r g e r y a n d s u r g i c a ls i m u l a t i o ns y s t e mt o i n v e s t i g a t e t h eb i o l o c i c a l d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dm o d e lt h et h er e s p o n s e so fs o f tt i s s u ed u r i n ga s u r g i c a l p r o c e s s i nt h i ss t u d y , c u t t i n ge x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u to np o r c i n ea s c e n d i n ga o r t a t i s s u e c u t t i n gf o r c ew a sm e a s u r e db yal o a d c e l l t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o f tt i s s u e c u t t i n gp r o c e s sw e r ea n a l y z e d t h ei m p a c t so ft h et i s s u ec u t t i n gp a r a m e t e r ss u c ha s i n i t i a lh o l d i n gf o r c e ，t i s s u eh o l d i n gd i s t a n c e ，c u t t i n gs p e e d ，i n c l i n a t i o n a n g l e ，b l a d e r a d i u sa n dt i s s u ec u t t i n gd i r e c t i o nw e r ei n v e s t i g a t e db yc u t t i n ge x p e r i m e n t s t h es o f t t i s s u ec u t t i n gp r o c e s sw a sa n a l y z e db ya ne n e r g ya p p r o a c hf r o mt h ev i e wo ff r a c t u r e m e c h a n i c s b a s e do ne n e r g yb a l a n c e ，ap h y s i c a lm o d e lw a s b u i l tt od e s c r i b eb i o l o g i c a l s o f tt i s s u ec u t t i n gp r o c e s s af i n i t ee l e m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e dt o s i m u l a t et h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nt o o la n dt i s s u ed u r i n gb i o l o g i c a ls o f tt i s s u ec u t t i n gp r o c e s s t h e r e s e a r c hw o r k m a i n l yi n c l u d e s ： ( 1 ) a o r t at i s s u ec o n s t i t u e n t sa n d s t r u c t u r e ，e s p e c i l l yt h em e d i a la o r t i c m i c r o s t r u c t u r ew e r ed e c r i b e di nd e t a i l t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt i s s u es t r u c t u r e sa n d t h e i rm e c h a n i c a lr e s p o n s ew e r ea n a l y z e d u n i a x i a lt e n s i l ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e d o u tt om e a s u r et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp o r c i n e a o r t at i s s u ei n c l u d i n gs t r e s s s t r a i n r e s p o n s e ，s t r e s sr e l a x i o na n dt e n s i l es t r e n g t h ( 2 ) at i s s u ec u t t i n ga p p a r a t u sw a sd e s i g n e da n dc o n s t r u c t e d t h et u t t i n g e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u te xv i v oo np o r c i n ea s c e n d i n ga o r t at i s s u ew h i c hw a sa r e p r e s e n t i v es o f tt i s s u e t h ec u t t i n gf o r c ew a sm e a s u r e da n dt h ec u t t i n gp r o c e s sw a s c h a r a c t e r i z e d w ee x p l o r e dt h ei m p a c to ft h et i s s u ec u t t i n gv a r i a b l e s s u c ha si n i t i a l h o l d i n gf o r c e ，t i s s u eh o l d i n gd i s t a n c e ，c u t t i n gs p e e d ，t o o li n c l i n a t i o n a n g l e b l a d e r a d i u s ，a n a t o m i co r i e n t a t i o na n dt i s s u et h i c k n e s s t h ee f f e c t so ft i s s u ec u t t i n gv a r i a b l e s o nc u t t i n gf o r c ea n dl o c a ls t i f f n e s sw e r ei n v e s t i g a t e d i n i t i a lh o l d i n gf o r c ea n d t i s s u e i v 博士学位论文 h o l d i n gd i s t a n c ew e r ev e r yi m p o r t a n tf o rs o f tt i s s u ec u t t i n gs i n c et h e yh a di m p o r t a n t e f f e c t so nt h ec u t t i n gf o r c ea n dl o c a ls t i f f n e s s al a r g et o o li n c l i n a t i o na n g l ea n da s m a l lb l a d er a d i u sc o u l dr e d u c et h ec u t t i n gf o r c e ，b u th a dn oe f f e c to nt i s s u el o c a l s t i f f n e s s c u t t i n gs p e e dh a da ne f f e c to nc u t t i n gf o r c e ，b u tn o to nt i s s u el o c a ls t i f f n e s s i nt h er a n g eo f0 - - 15 0 m m m i n t h ee f f e c to ft i s s u eb u l g i n gw a ss t u d yd u r i n gt h es o f t t i s s u ec u t t i n gp r o c e s s t h ei m p a c t so fc u t t i n g p a r a m e t e r so nt i s s u eb u l g i n gw e r e a n a l y z e d ( 3 ) t h es o f tt i s s u ec u t t i n gp r o c e s sw a sa n a l y z e df r o mt h ep e r s p e c t i v eo ff r a c t u r e m e c h a n i c s t h er u p t u r em e c h a n i s md u r i n gs o f tt i s s u ec u t t i n gw a se x p o s e d t h ee f f e c t o f c u t t i n gp a r a m e t e r so n “b r e a k i n ”e n e r g yw a si n v e 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dt h em a x i m u ns t r e s sa n ds t r e s s d i s t r i b u t i o no fb l a d es u r r o u n d i n gt h et i s s u ea t t h e “b r e a k i n ”p o i n t t h er u p t u r e s t r e s s e so fa o r t at i s s u ew e r eu s e di nf e mu n d e rd i f f e r e n tc u t t i n gc o n d i t i o n s t h e e f f e c t so ft i s s u eh o l d i n gc o n d i t i o n sa n dt o o lg e o m e t r i cd i m e n s i o nw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s e a r c hr e s u l t sr e p o r t e di nt h i ss t u d yp r o v i d eab a s i sf o ru n d e r s t a n d i n gt h e c h a r a c t e r i s t i cr e s p o n s e so fs o f tt i s s u et o s c a l p e lc u t t i n g a n ds o f tt i s s u e c u t t i n g m e c h a n i s m ，w h i c hi sh e l p f u lf o rs u r g e o n st oc r e a t en e ws u r g i c a lt o o l sa n di m p r o v e s u r g i c a lo p e r a t i o n s t h er e s u l t so ft h i ss t u d ya r eu s e f u lt ot h ed e v e l o p m e n to f m i n i m a l l yi n v a s i v er o b o t i cs u r g e r ya n ds u r g i c a ls i m u l a t i o ns y s t e m s v 生物软组织切割机理的实验与理论研究 k e yw o r d s ：s o f tt i s s u e ；c u t t i n gf o r c e ；a o r t a ；f r a c t u r et o u g h n e s s ；l o c a ls t i f f n e s s ； m i n i m a l l yi n v a s i v es u r g e r y ；s u g i c a ls i m u l a t i o ns y s t e m v l 博七学位论文 插图索引 图1 1 生物软组织的几种切割方式2 图1 2 心脏瓣膜介入式切割装置2 图1 3 用于反映几何形状改变的三次样条曲线4 图1 4 弹簧质量模型5 图1 5 利用无网格有限元法建立的软组织模型【8 们一8 图1 6 一般弹性断裂情况下载荷位移关系1 0 图2 1 不同位置血管结构图1 4 图2 2 主动脉结构图1 5 图2 3 动脉组织成分的总体排列和各组织成分分布图一1 7 图2 4 主动脉中层组织的三维s b f s e m 微细结构图一1 8 图2 5 主动脉中层组织中弹性体的三维s b f s e m 图1 9 图2 6 平滑肌细胞结构的三维s b f s e m 体积图2 0 图2 7 二维s b f s e m 图片显示了螺旋状的胶原纤维一2 l 图2 8 平滑肌细胞核、弹性体和胶原体的排列方向2 2 图2 9 项背韧带、腱、肠平滑肌的滞后环特性2 3 图2 1 0 项背韧带、腱、肠平滑肌的应力松弛曲线2 4 图2 “单轴拉伸实验机2 5 图2 1 2 主动脉壁组织方向一2 6 图2 1 3 组织试样示意图2 6 图2 1 4 轴向主动脉壁组织循环加载力与拉伸位移关系曲线2 8 图2 15 轴向主动脉壁组织循环加载应力与应变关系曲线2 8 图2 1 6 猪主动脉壁单向拉伸应力与应变曲线2 9 图2 1 7 应力松弛拉伸力与时间关系曲线3 0 图2 1 8 应力松弛拉伸应力与时间关系曲线一3 l 图2 1 9 猪主动脉组织单轴拉伸强度实验载荷与位移关系曲线3 l 图2 2 0 猪主动脉壁组织轴向和周向拉伸极限应力强度曲线一3 2 图2 2 l 猪主动脉壁组织轴向和周向极限应力强度3 2 图3 1 生物软组织切割装置一3 5 图3 2 初始拉伸力加载过程：夹持力与位移关系曲线一3 6 图3 3 夹持力松弛曲线3 7 图3 4 典型的切割力和央持力曲线3 8 x i 生物软组织切割机理的实验与理论研究 图3 5 切割力和夹持张力曲线3 9 图3 6 初始拉伸力的影响4 0 图3 7 组织夹持距离的影响4 2 图3 8 切割速度的影响4 2 图3 9 刀具倾斜角度4 3 图3 1 0 刀具倾斜角度的影响4 4 图3 1 1 刀刃圆弧半径的影响4 5 图3 1 2 切割组织方向的影响4 6 图3 1 3 组织厚度的影响4 7 图3 1 4 切割组织试样后刀刃的e s e m 图4 7 图3 1 5 不同切割条件下切割力曲线比较4 8 图3 1 6 切割力和组织局部刚度与刀具位移关系5 0 图3 1 7 初始拉伸力对组织破裂前切割力和局部刚度的影响一5 l 图3 1 8 刀具位移为2 m m ，不同初始拉伸力情况下的切割力和局部刚度5 1 图3 1 9 组织夹持距离对组织破裂前切割力和局部刚度的影响5 2 图3 2 0 刀具位移为2 m m 时，不同组织夹持距离情况下的切割力与局部刚度5 3 图4 1 裂纹的三种基本模型5 5 图4 2 夹持力加载过程曲线一5 8 图4 3 初始拉伸力对初始拉伸能、破裂切割能和组织破裂能的影响一5 9 图4 4 组织夹持距离对初始拉伸能、破裂切割能和组织破裂能的影响6 l 图4 5 切割速度对初始拉伸能、破裂切割能和组织破裂能的影响6 2 图4 6 刀具倾斜角度对初始拉伸能、破裂切割能和组织破裂能的影响6 3 图4 7 刀刃圆弧半径对初始拉伸能、破裂切割能和组织破裂能的影响6 4 图4 8 切割组织方向对初始拉伸能、破裂切割能和组织破裂能的影响6 5 图4 9 组织厚度对组织破裂能的影响6 5 图4 1 0 图形法描述切割力做功和刀刃前变形区内存储的弹性应变能6 7 图4 1 1 初始拉伸力对断裂韧性的影响7 0 图4 1 2 组织夹持距离对断裂韧性的影响7 1 图4 1 3 猪主动脉组织轴向和周向断裂韧性比较7 2 图5 1 生物软组织切割过程分析7 4 图5 2 拉伸载荷对线弹性体做功7 6 图5 3 锋利刀具切割模型7 6 图5 4 不同夹持条件下变形阶段切割力的拟合曲线7 9 图5 5 不同夹持条件下拟合指数函数系数7 9 图5 6 在切割阶段切割力实验值与模型值比较8 1 x 博十学位论文 图5 7 切割力与刀具位移关系曲线8 2 图5 8 刀具与组织体相互作用模型8 3 图5 9 模型所得切割力与实验所得切割力比较8 4 图6 1 生物软组织切割实验示意图8 7 图6 2 生物软组织切割过程示意图8 7 图6 3 软组织切割的有限元模型9 0 图6 4 有限元模型所得切割力与实验切割力比较9 4 图6 5 刀刃前组织应力分布云图9 5 图6 6 不同初始拉伸力情况下变形阶段切割力一9 6 生物软组织切割机理的实验与理论研究 附表索引 表2 1 健康鼠动脉中层单元组织成分含量1 8 表3 1 生物软组织切割实验参数3 6 表3 2 不同拉伸力在1 0 0 秒时间内由于应力松弛所引起的减小值3 7 表4 1 不同初始拉伸力情况下的初始拉伸能、破裂切割能和组织破裂能5 9 表4 2 不同组织夹持距离情况下的初始拉伸能、破裂切割能和组织破裂能6 0 表4 3 不同切割速度情况下的夹持能、破裂切割能和组织破裂能6 1 表4 4 不同刀具倾斜角度情况下的初始拉伸能、破裂切割能和组织破裂能6 2 表4 5 不同刀刃圆弧半径情况下的初始拉伸能、破裂切割能和组织破裂能6 3 表4 6 不同切割组织方向情况下的初始拉伸能、破裂切割能和组织破裂能6 4 表4 7 不同初始拉伸力情况下，断裂韧性平均值和标准偏差一6 9 表4 8 不同组织夹持距离情况下，断裂韧性平均值和标准偏差7 l 表5 1 初始拉伸力对拟合指数函数系数的影响7 8 表5 2 组织夹持距离对拟合指数函数系数的影响7 9 表5 3 初始拉伸力对切割阶段切割力的影响8 0 表5 4 组织夹持距离对切割阶段切割力的影响8 1 表6 1o g d e n 三阶模型中材料参数一9 4 表6 2 与初始拉伸力相对应的载荷位移9 6 博士学位论文 ) c 磁嘲 形 k l 符号列表 破裂切割力 破裂后平均切割力 破裂位移 切割力 夹持力 局部刚度 切割能 破裂切割能 夹持力做功或夹持能 弹性应变能 非弹性应变能 断裂韧性 破裂能 表面能 应力场强度因子 棚 c c乞民e吒形形人r 博上学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 微创外科手术因其可大大减小手术过程中所造成的损伤而被广泛关注，近年 来己取得了重要的发展。目前，已有很多外科手术过程采用微创手术治疗技术， 例如胆囊切除术【、疝修补术【2 1 、食管反射手术【孙、结肠手术【4 1 和经皮冠状介入治 疗手术等。这些手术已经完全改变了传统手术方式，医生通过操作各种器械在组 织器官上进行手术，而不需要直接用手接触或直接用眼睛观察这些组织器官。例 如具有高度创伤的开胸手术、开胸心脏瓣膜修复手术和心脏瓣膜置换手术现在都 可采取经皮导管方法进行微创手术治疗。微创外科手术已经被证明具有很好的治 疗效果，能够降低死亡率、减少并发症，并能使患者较快康复，提高患者生活质 量。然而，在这些微创外科手术过程中需要进行复杂的操作来对组织进行解剖、 切除和修复，也包括利用微创外科手术方法进行诊断。这些都要求医生对工具与 组织相互作用时组织的反应特性进行详细的了解。而工具与组织之间的触觉( 包 括力和视觉) 反馈信息的不足是微创外科手术发展的一个制约因素1 5 j 。 外科手术仿真系统被认为可类似于用教练机培训飞行员一样来用于培训外科 医生。学生可以利用外科手术仿真系统在一个可控的环境中训练自己而无需在动 物或人体上进行训练。仿真系统允许反复训练并纠正操作失误而不会像在真实手 术中那样对病人造成伤害。利用动物或病人对学生进行培训，风险大，成本高， 而利用外科手术仿真器对医生进行培训没有任何风险，且可以大大降低培训成本。 外科手术仿真器是一个触觉补偿装置，被培训的外科医生能够通过它感受到外科 手术力，位置和触觉信息等而不会造成组织损伤【6 j 。外科手术仿真器有望大大缩短 外科医生的培训周期，提高培训效率，改善培训效果。除了培训方面的应用外， 外科手术仿真器也被一些有经验的外科医生用于开发新的外科技术和练习新技术 以便改善外科手术技能【_ 7 1 。然而，设计和发展一个先进的高仿真度的外科手术仿真 器需要对组织器官与工具之间的相互作用建立精确的关系模型。这不仅需要了解 生物软组织的变形特性，也需要对生物软组织在各种外科切割手术中的反应特性 进行研究。 外科手术的核心任务是“切和锯”。定量分析和理解生物软组织切割过程是实 现微创机器人外科手术的关键一步。近年来已有一些学者对生物软组织切割展开 了实验和理论研究。c h a n t h a s o p e e p h a n 等人1 8 - 9 1 对肝脏组织进行了切割实验并建立 了有限元模型模拟刀具与组织之间的相互作用，研究了切割速度和刀具倾斜角度 生物软组织切割机理的实验与理论研究 对切割力的影响。m a h v a s h 等人【1 0 川1 对生物材料进行了剪切实验，测量了剪切力， 并基于接触力学和断裂力学理论建立了剪切力的解析模型。最近，v a l d a s t r i 等人 【1 2 1 搭建了一个可测量的实验平台，该实验平台可以测量x 、y 、z 三个方向上的切 割力，并对猪的肺、肝和肾脏组织开展了切割实验研究。 针 刺 装 置 图1 1 生物软组织的几种切割方式 掌l 一 ( a )_ ，! 基鬟黝 ( b ) ( d ) ( d ) 图1 2 心脏瓣膜介入式切割装置 目前，对于生物软组织切割的研究主要集中在两个方面，一方面就是针对生 物软组织在不同切割方式下( 如针刺【1 3 州】、剪切【1 0 1 和刀切【15 1 等) 的切割特性及切 溉岁 博士学位论文 割机理研究，图1 1 显示了几种不同切割方式的切割装置；另一方面就是针对具体 的外科手术研究开发特殊的切割装置，如心脏瓣膜介入式切割装置【1 6 - 1 7 j ( 图1 2 ) 。 虽然已有部分学者对生物软组织的切割特性展开了研究，但远远不够，对生 物软组织的切割特性及其切割机理的理解仍然不清楚。本文首次开展了以主动脉 为代表的心脏组织切割实验研究，分析了其切割特性。通过大量的切割实验研究 了切割参数对切割过程的影响，揭示生物软组织切割机理。从能量角度对切割过 程进行分析，揭示生物软组织在切割过程中的断裂机理，并建立了切割力模型。 利用商业有限元软件a b a q u s 对刀具与生物软组织作用过程进行仿真，并建立软 组织切割过程的有限元模型。本文的研究结果对微创外科手术和外科手术仿真系 统的发展具有重要的意义。 接下来对与本论文研究相关的文献进行分析总结，主要包括生物软组织力学 性能、生物软组织变形建模方法、有限元模拟仿真和生物软组织断裂机理等。 1 2 生物软组织力学性能测试方法 许多研究结果表明生物软组织整体力学性能表现为非线性、粘弹性和不可压 缩性【”】。由于生物软组织内部结构非常复杂，这种复杂的组织结构决定了对生物 软组织力学性能测试的难度。一直以来，对生物软组织性能的测试都是一项重要 而困难的工作。 最初对生物软组织力学性能的研究主要集中在组织的应力应变关系上。f u n g yc l l 8 】对生物软组织的应力应变关系性能进行了拓展性研究，测试了生物软组织 的粘弹性特性，主要包括迟滞效应、应力松弛和蠕变特性，并建立生物软组织应 力松弛曲线模型。对各种生物软组织开展大量压痕【l9 】和拉伸【2 0 】实验，测试生物软 组织的力学性能，并根据实验数据建立组织器官的连续体力学模型【2 卜2 3 】，如建立 腹腔组织器官和脑组织等的连续体力学模型。单向拉伸和双向拉伸试验是确定生 物软组织力学性能的主要试验方法，结合压痕和拉伸试验可以确定生物软组织的 应力应变关系及其相应的泊松比。在外科诊断治疗过程中，通常使用较钝的工具 或诊断探针挤压组织器官来进行诊断。这与采用压痕法测试软组织力学性能是类 似的。在很多文献中，利用压痕法对生物软组织材料开展了各种体内 2 4 - 2 7 j 和体外 2 8 - 3 0 1 测试实验。机器人装置和力传感器1 3 1 3 3 1 被用于开展体内静态和动态压痕试验， 以获得腹腔内软组织反应特性，包括猪的肝脏和低位食管等软组织器官的反应特 性。n a v a 等人1 3 4 l 通过吸气试验对人体肝脏和肾脏组织力学性能进行了体内测试。 c a r t e r 等人【3 5 】使用探针获得了猪的肝脏和脾脏组织的静态应力应变特性，同时， 他们也测试了人肝脏组织的杨氏模量，其平均杨氏模量值大约为0 2 7 m p a 。z h a n g 等人 3 6 l 开展了压痕试验测试生物软组织的杨氏模量。k e r d o k 等人【3 。7 j 开展实验研究 了灌注对肝脏组织粘弹性的影响。弹性成像检测法是另一种体内测试软组织性能 生物软组织切割机理的实验与理论研究 的非侵害性测量方法。弹性成像检测法即用成像方法测量软组织的弹性性能，如 超声波，磁共振成像( m r i ) 等。这些非侵害性检测方法，被广泛应用于体内检测组 织器官的弹性性能1 3 引。磁共振成像法作为一种非侵害性测量方法，是通过观测波 在组织器官中的传播来测量组织的局部弹性性能。 很多学者简单地采用工具触碰生物软组织的方法来研究真实人体组织的力学 性能【2 6 , 3 9 - 4 2 】。然而，这些方法过于简单，并没有考虑实际情况下组织器官与周围 其他组织相连接所形成的复杂边界条件的影响。h o w e 和他的同事建立了一个 “t r u t hc u b e ”模型，考虑了边界条件的影响，并开展实验验证了该模型的有效性 2 3 , 4 3 】。组织试样的高频剪切变形【4 4 1 和弹性成像检测技术【4 5 l 也被用于评价软组织的 力学性能。在文献中，还有各种各样其它技术被应用于测试和评价生物软组织的 力学性能【4 6 。4 7 l ，如被用于生物软组织测试的三轴测试装置【4 8 1 等。 1 3 生物软组织变形建模 对很多生物软组织来说都具有大变形特性，研究生物软组织的变形反应特性， 建立其变形反应模型是非常重要的。可以为医生在外科手术过程中提供精确的触 觉反馈。例如，通过有限元方法构建的模型能够基于物理特性精确地描述外科手 术过程中工具与组织间的相互作用。目前，对生物软组织的建模既有基于几何形 状模型，也有基于物理特性模型。 1 3 1 基于图形模型 在基于几何形状的建模方法中，组织变形纯粹是通过对几何形状的操作来实 现，并没有考虑组织内部物理反应特性。在基于几何形状的模型中，主要是使用 基于顶点的方法1 4 9 踟1 和基于样条线的方法【5 0 也1 。 b 图1 3 用于反映