软组织双轴拉伸实验台及本构模型研究

作     者：崔健炜 

作者单位：哈尔滨工程大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于凌涛;王伟东

授予年度：2019年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0836[工学-生物工程] 

主      题：软组织 物理模型 双轴拉伸实验 参数反演 

摘      要：虚拟外科手术系统近年来快速发展,虚拟手术系统中如何准确地模拟器官、软组织的真实变化情况成为新技术发展需要解决的关键问题。为了更好的模拟真实手术中的软组织形变,本文研制了一种软组织双轴拉伸实验台并使用其对软组织进行等轴拉伸实验,获得软组织双轴力学特性数据。通过参数反演方式对软组织双轴力位数据进行处理,获得本构模型参数,最终得到能够较好描述软组织形变的物理模型。针对软组织的非线性、各向异性、滞后性和非均质性等特点进行软组织双轴拉伸实验试样与夹持方式相关研究。分析常见生-机连接方式载荷传递机理、对软组织试样形状进行有限元仿真并研究了软组织试样形状对软组织中心区域应力变化的作用机制,最终获取了适用于与软组织的生-机接触方式及方型试样形状。在确定方型试样形状及生-机接触方式后,设计并搭建软组织双轴拉伸实验台。编写电机控制部分程序并设计控制程序前面板,实现软组织等轴拉伸。在Open CV环境中通过视觉对图像进行预处理、特征识别后,通过成像原理设计一种基于CCD相机的位移采集系统,并对其进行优化使其满足实验要求。使用软组织双轴实验台对胃壁肌层组织进行等轴拉伸实验,并记录软组织双轴拉伸的力位数据。针对利用实验力位数据获取最优的软组织模型参数问题,提出一种Matlab与Abaqus联合仿真的参数反演方法。基于模拟退火算法,通过Matlab调用Abaqus程序来获取表征软组织力学特性的GOH物理模型参数。通过有限元仿真验证所提出的参数反演方法的有效性并根据实验数据获取到GOH模型中[C10,k1,k2,k]四个参数。最终获得较好描述软组织变形的本构模型。