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具有双特征时间参数的生物软组织黏弹性性质的理论研究

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医用生物力学 2022年第5期37卷 902-910页

作者：满喜郑松玲内蒙古师范大学体育学院运动生物力学实验室呼和浩特010022

目的探索描述生物软组织黏弹性特性的普遍行为或规律。方法根据生物软组织的力学结构,构建由两个线性弹簧和两个黏壶的不同组合构成的四元件黏弹性结构模型;并通过弹性理论,结合不同黏弹性模型的几何构型推导其运动微分方程,利用其微分... 详细信息

目的探索描述生物软组织黏弹性特性的普遍行为或规律。方法根据生物软组织的力学结构,构建由两个线性弹簧和两个黏壶的不同组合构成的四元件黏弹性结构模型;并通过弹性理论,结合不同黏弹性模型的几何构型推导其运动微分方程,利用其微分方程分析不同四元件模型的应力松弛和蠕变行为以及反映弹性和黏性相结合的应力松弛时间和蠕变推迟时间。结果所有可能的四元件黏弹性模型都具有普遍的本构关系、应力松弛和蠕变函数形式。通过比较模型预测结果与主动脉瓣、韧带和脑动脉等生物软组织的实验数据发现,四元件黏弹性模型能够很好地描述生物软组织的力学行为。“快”和“慢”两个特征时间τ_(1)和τ_(2)对生物软组织的应力松弛具有显著的影响。“快”松弛时间τ_(1)对应力达到稳定态所需时间有明显的影响,而“慢”松弛时间τ_(2)对松弛率的影响不显著,但对应力松弛的稳定态有明显的影响。结论生物软组织的时间依赖性行为可以通过两个特征时间尺度来表征,即“快”和“慢”时间;且具有两个特征时间的生物软组织的应力⁃应变关系、应力松弛和蠕变函数具有相同的数学形式,这与所选择的弹簧和黏壶的配置和排列无关,但为保证模型力学参数的合理性,针对不同的生物软组织应选取适合的模型。

关键词：本构模型松弛蠕变黏弹性生物软组织

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生物软组织超弹性本构参数的反演方法研究

生物软组织超弹性本构参数的反演方法研究

作者：刘帅龙河北工业大学

学位级别：硕士

肌肉和关节是支撑生物体运动的两个重要组成部分,同时也是较容易受损的部位。在生物体日常的运动过程中,当外界载荷超出了其所能承受的上限后,肌肉和关节便会出现永久性的损伤,因此,对生物软组织的力学性能进行研究,找出载荷作用下生物... 详细信息

肌肉和关节是支撑生物体运动的两个重要组成部分,同时也是较容易受损的部位。在生物体日常的运动过程中,当外界载荷超出了其所能承受的上限后,肌肉和关节便会出现永久性的损伤,因此,对生物软组织的力学性能进行研究,找出载荷作用下生物软组织的变形特征和应力分布规律,在有效的预测损伤和进行动物体或人体防护方面具有重要的指导意义。生物软组织关键本构参数的确定是有限元分析与模拟的一项非常重要的工作,然而由于生物组织结构复杂性等限制,通常很难直接获取其材料参数。因此,基于生物软组织力学实验进行材料参数反求正日益成为材料参数获取的重要手段。本文基于仿真分析﹑实验﹑优化算法结合的思路,提出了生物软组织材料参数的反求方法,具体工作如下:(1)在总结了现阶段已有的参数反求工作中所采用的目标函数的基础上,提出了一种新的用于参数反求的目标函数。将小生境遗传算法引入到参数的反求过程,基于Python语言编写了针对生物软组织材料参数反求的优化程序,并将所提出的参数反求的目标函数引入到该优化程序。根据骨骼肌和半月板的特有的纤维结构,将仿真所学到的有限元模型的基本信息编写到优化程序中。(2)选取牛的后大腿上的骨骼肌为研究对象,对获取到的样本进行了单轴无约束压缩实验。采用了加载方向和纤维方向之间的夹角为0,90两种不同的加载方式,得到了骨骼肌单轴压缩的载荷-位移的实验数据。将获取到的实验数据读入优化程序,接下来分别采用了论文所提出的新的目标函数以及当前已有的一种目标函数对骨骼肌进行了参数反求,根据仿真结果与实验结果的对比,确定出了骨骼肌的本构参数。研究结果表明,依据所提出的目标函数所得到仿真结果与实验结果相比误差较小,验证所提出目标函数的合理性。(3)进一步改进了小生境遗传算法,将改进过后的小生境遗传算法作为参数反演的搜索算法,重新编写了针对生物软组织材料参数反求的优化程序。选取了牛的半月板作为实验对象,对其进行了单轴无约束的压缩实验,获取了载荷-位移的实验数据。将实验数据传入到改进过后的参数反演程序中去,对半月板进行了参数反演,确定了半月板的本构参数,采用相对误差函数来评估反求所得到的参数。

关键词：生物软组织超弹性本构模型小生境遗传算法目标函数参数识别

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生物软组织动态力学特性研究

生物软组织动态力学特性研究

作者：鲍振宇南京理工大学

学位级别：硕士

为了研究人体受到高速冲击(车辆、钝器、子弹、爆炸冲击波等)时的力学响应,需要对生物软组织材料进行动态力学测试,但是由于其非常柔软且部分组织各向异性的特性,无论是在制样还是在动态冲击下的力学性能测试都非常困难。本文主要以实... 详细信息

为了研究人体受到高速冲击(车辆、钝器、子弹、爆炸冲击波等)时的力学响应,需要对生物软组织材料进行动态力学测试,但是由于其非常柔软且部分组织各向异性的特性,无论是在制样还是在动态冲击下的力学性能测试都非常困难。本文主要以实验为主,探究对生物类软组织材料进行动态力学测试适用可行的方法,得到猪胸腹部肌肉、皮肤和脂肪的力学性能参数,并建立相应的本构模型。为了使实验结果更加科学合理,首先采用新鲜的猪胸腹部组织作为实验材料,使用不同规格的切片机进行制样并将试样存放在Krebs溶液中待用。再使用MTS材料试验机分别对猪胸腹部肌肉、皮肤和脂肪进行准静态的拉伸和压缩实验,得到其在低应变率情况下的应力应变曲线。为了探究对生物软组织材料进行动态压缩测试适用可行的方法,使用10℃下20%质量分数的弹道明胶作为试样来暂替生物软组织材料,分别采用3种基于霍普金森压杆的改进方法分别对其动态压缩力学特性进行测试,对比3种方法的优缺点。根据实验结果对比得知,使用PVDF压电薄膜传感器的测试方法可以较好的获取弹道明胶的动态力学特性。在此基础上,使用PVDF压电薄膜传感器对猪胸腹部肌肉、皮肤和脂肪进行动态力学测试,得到其在高应变情况下的应力应变曲线。根据应变率相关本构模型的理论,在已得到的实验结果之上,首先分别对几种超弹性本构模型进行拟合,归纳出每种模型对相应材料的适用性。然后分别对肌肉在两个方向下的应变率相关本构模型进行拟合,并对脂肪和皮肤组织进行各向同性应变率相关本构模型进行拟合,得到的拟合结果基本都能较好地描述各生物软材料的应变率效应。

关键词：生物软组织霍普金森杆动态测试 PVDF 本构模型

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三种典型生物软组织切割特性的试验研究

机械工程学报 2016年第11期52卷 186-192页

作者：胡中伟林旺源徐西鹏华侨大学制造工程研究院厦门361021

以生物医学为应用背景的生物软组织切割机理研究近年来已成为关注的热点,从生物软组织主要组织成分对切割特性的影响出发,定性分析不同生物软组织的切割特性对理解生物软组织切割机理具有重要的意义。选取三种典型的生物软组织:胶原体... 详细信息

以生物医学为应用背景的生物软组织切割机理研究近年来已成为关注的热点,从生物软组织主要组织成分对切割特性的影响出发,定性分析不同生物软组织的切割特性对理解生物软组织切割机理具有重要的意义。选取三种典型的生物软组织:胶原体含量高的肌腱、弹性体含量较高的动脉管和平滑肌含量较高的胃肌层,在自行搭建的生物软组织切割平台上开展切割试验。从切割力、组织变形、切割能和局部刚度等角度对三种典型软组织的切割特性进行对比研究。定性分析了生物软组织中三种主要组织成分对切割特性的影响:胶原纤维对软组织切割力的影响较大,弹性体对软组织切割变形的影响较大,而平滑肌则对软组织切割特性的影响较小。

关键词：生物软组织切割力切割特性微创手术机器人

生长—力学耦合生物软组织中弹性波频散特性研究

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生长—力学耦合生物软组织中弹性波频散特性研究

作者：吴文博西南科技大学

学位级别：硕士

生长效应在生物软材料中广泛存在(如皮肤、血管、粘膜等),是生物软组织特有的性质。该效应常常导致生物软组织形态、力学性质和力学行为发生变化。因此,研究生长-力学耦合效应下,生物软组织对外界刺激的力学响应问题在医学诊断和治疗中... 详细信息

生长效应在生物软材料中广泛存在(如皮肤、血管、粘膜等),是生物软组织特有的性质。该效应常常导致生物软组织形态、力学性质和力学行为发生变化。因此,研究生长-力学耦合效应下,生物软组织对外界刺激的力学响应问题在医学诊断和治疗中具有十分重要的意义。本工作研究了定常生长情况下,弹性波在具有生长-力学耦合效应的有限预变形生物组织中的传播特性,着重分析弹性波传播的频散特性并讨论相关参数的影响,建立区分生长预变形和弹性预变形的方法,以期为弹性波在医学领域的应用提供力学理论基础。研究内容包括:(1)在连续介质力学的框架内,针对考虑生长-力学耦合效应的生物软组织,建立了相应的声弹性理论基本方程,包括变形运动学方程、本构方程、平衡方程和边界条件等。尤其是推导了考虑生长演化的增量形式本构方程,并给出了对应生长演化的本构参数。在本工作中,生长效应的影响利用变形梯度分解引入,并通过生长演化方程表征不同生物组织的生长变化。对基本方程的分析表明:生长效应对生物软组织力学响应的影响与生长预变形和生长演化密切相关。若忽略生长演化,如医学弹性成像时,由于生长预变形的影响,相同初始变形的生物软组织与普通软物质的材料性质和力学响应也有所不同。(2)研究了定常生长情况下,反平面波(SH波)在有限预变形的双层生物软组织结构中的传播问题。首先,推导了相应的频散方程并利用数值方法进行求解得到相应的频散曲线。然后,重点讨论了拉伸-剪切预变形和生物软组织层厚度对SH波零阶和一阶模态频散特性的影响。研究结果表明:零阶模态的SH波不发生频散,而一阶模态的SH波呈现明显的频散现象,尤其在低频阶段。SH波零阶和一阶模态的波速随拉伸比的增加而增加,随拉伸指数和剪切变形k的增加先减小后增加,随剪切变形k的增加先轻微增加,再迅速减小最后增加。厚度的增加不改变零阶模态SH波波速,但引起更高的一阶模态SH波波速。此外,根据频散方程给出了波数趋于0和无穷时,SH波零阶模态和一阶模态相速度的解析表达式,此类极限波速随上述影响因素的变化与该因素对频散特性的影响具有很强的相关性。(3)研究了定常生长情况下,平面波(Lamb波)在有限拉伸预变形或有限简单剪切预变形的双层生物软组织结构中的传播问题。首先,推导并数值求解了相应的频散方程并解析得到了拉伸预变形条件下,波数趋于0时Lamb波一阶模态和二阶模态的相速度,以及波数趋于无穷时Lamb波一阶模态的相速度。然后,讨论了双层结构及其退化为单层结构两种情况下,拉伸预变形或剪切预变形、初始外载荷和厚度比(仅对双层结构)对Lamb波一阶和二阶频散特性的影响。研究结果表明:三个极限波速存在与否取决于预变形、初始外载荷和厚度比的取值。当综合考虑极限波速的存在性、双层性质差异和预变形类型的影响时,Lamb波的一阶和二阶频散中可能会出现特殊的现象,包括频率截止、频率阻断、带隙、带通以及模态消失等。此外,随着三类影响参数的取值增加,Lamb波相速度的变化通常不呈现单调趋势,且依赖于Lamb波的频率/波数。最后,本文还提出了一种利用得到的极限波速来区分弹性预变形和生长预变形的方法。

关键词：生物软组织生长效应弹性波频散特性极限波速

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生物软组织纳米压痕测试方法的最新进展

生物软组织纳米压痕测试方法的最新进展

腔镜吻合器对生物软组织牵扯损伤的实验及仿真研究

第十四届北方七省市区力学学会学术会议

作者：杨庆生刘志远李熙北京工业大学

本文综述了应用纳米压痕技术研究生物软组织的最新进展,文中讨论了软组织表面黏性对测试结果的干扰,并通过相关实验研究阐述了实验仪器设置对实验结果的影响。另外,介绍了纳米压痕软组织动态力学性能测试的原理及使用方法,并给出了了软... 详细信息

本文综述了应用纳米压痕技术研究生物软组织的最新进展,文中讨论了软组织表面黏性对测试结果的干扰,并通过相关实验研究阐述了实验仪器设置对实验结果的影响。另外,介绍了纳米压痕软组织动态力学性能测试的原理及使用方法,并给出了了软骨在一系列振动频率下的力学性能。

关键词：生物软组织纳米压痕动态力学性能测试

来源： cnki会议评论

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腔镜吻合器对生物软组织牵扯损伤的实验及仿真研究

作者：胡梦雅华中科技大学

学位级别：硕士

吻合器作为腹腔镜手术中最常用的切割缝合器械,具有操作简单、手术时间短、术后恢复快等优点,但是,受操作空间的限制,吻合器在腹腔内操作时执行端的稳定程度严重依赖于医生使用器械的熟练度及临床操作经验,在一定程度上可能会造成手术... 详细信息

吻合器作为腹腔镜手术中最常用的切割缝合器械,具有操作简单、手术时间短、术后恢复快等优点,但是,受操作空间的限制,吻合器在腹腔内操作时执行端的稳定程度严重依赖于医生使用器械的熟练度及临床操作经验,在一定程度上可能会造成手术过程中器械运动范围过大,造成对健康组织不必要的牵扯,进而引起组织损伤、出血,引发各种术后并发症。为了提高使用吻合器进行手术的安全性,有必要对吻合器与软组织的交互作用进行研究。目前临床上常用的吻合器分为手动和电动款,传统的手动吻合器采用机械结构驱动,切割缝合时所需的击发力大,而且手动吻合器需要多次重复击发来完成切割缝合操作,容易导致医生手臂肌肉疲劳,造成吻合器末端大范围不规律的运动。电动吻合器的出现解决了手动吻合器击发力大的缺点,但是,电动吻合器采用电机驱动刀片运动,需要配备电池为电机提供动力,因此电动吻合器在重量上大于手动吻合器,然而质量过大也可能造成吻合器末端的不规律运动。至今,国内外针对吻合器使用过程中末端执行器不规律运动的研究相对较少,将吻合器末端运动与组织损伤关联的研究更是空白。针对这一情况,本文通过实验与仿真研究对手动和电动腔镜吻合器操作过程中的末端运动与组织牵扯损伤的关系进行了系统的研究。本文的研究内容如下:第一,采用代码控制Real Sense深度相机进行标记点的识别,采集到了使用吻合器进行大肠吻合操作时末端标记点运动坐标的数据集,并采用数据集中各点到中心点距离的均值作为量化抖动程度的指标。手动和电动吻合器抖动程度的差异性分析结果显示,手动吻合器击发过程中末端的抖动程度显著高于电动吻合器。第二,利用Delsys无线表面肌电信号采集系统,采集了使用吻合器进行大肠吻合过程中,被试者右臂桡侧腕伸肌、肱桡肌、桡侧腕屈肌、肱二头肌的表面肌电信号。被试者操作手动和电动吻合器时右臂肌肉肌电信号的差异性分析结果显示,手动吻合器击发过程中手臂肌肉肌电信号RMS值显著高于电动吻合器。由4块肌肉肌电RMS值与抖动程度的相关性分析可知,桡侧腕伸肌、肱桡肌、桡侧腕屈肌的肌电信号RMS值与吻合器末端抖动程度存在显著正相关关系。第三,分析肠道组织的力学特性,采用ANSYS有限元分析软件对吻合器执行端夹持及牵引过程进行仿真,观察不同牵引角度下组织的应力应变变化情况,将组织应力达到180 k Pa时的应变值作为组织牵扯损伤的位移阈值,并结合实验采集到的抖动数据对不同吻合器进行评估。结果显示使用电动吻合器可以在一定程度上降低由击发力过大引起的组织牵扯损伤。通过本研究建立的吻合器末端抖动程度与组织牵扯损伤之间的关系,为评估手动和电动吻合器使用过程中对组织牵扯损伤程度提供了测量方法,为电动吻合器的优化设计提供了参考依据,为改善吻合器的临床使用规范提供理论支撑。

关键词：腹腔镜手术腔镜吻合器抖动深度相机表面肌电信号生物软组织牵扯损伤有限元分析

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虚拟手术中生物软组织力学性能的研究

虚拟手术中生物软组织力学性能的研究

作者：李飞燕云南师范大学

学位级别：硕士

随着虚拟现实技术和增强现实技术的不断发展,两者技术与医学手术相结合便产生了虚拟手术仿真系统。虚拟手术仿真系统为用户提供了手术真实场景的再现,用户通过力反馈触觉交互设备在虚拟环境中模拟真实手术过程,获得逼真的触觉反馈和视... 详细信息

随着虚拟现实技术和增强现实技术的不断发展,两者技术与医学手术相结合便产生了虚拟手术仿真系统。虚拟手术仿真系统为用户提供了手术真实场景的再现,用户通过力反馈触觉交互设备在虚拟环境中模拟真实手术过程,获得逼真的触觉反馈和视觉效果,它可应用于医生的手术规划、术中导航、术后评估及手术训练等方面。在外科手术操作中,医生经常通过手术器械感知人体的软组织器官,对软组织器官的物理模型建立是虚拟手术仿真系统的关键技术之一。软组织的力学性能参数一直是制约虚拟手术中模拟器官物理模型的发展,成为开发该系统中软组织物理模型精确性的一个瓶颈。因此,研究生物软组织力学性能特性及测量软组织的力学参数对提高虚拟手术中的触觉反馈效果具有重要的作用。在国内外对软组织力学性能和力学参数测量的研究基础上,本文搭建一个用于测量软组织力学性能的实验平台,通过测量软组织的力学参数,建立软组织力学模型,并利用有限元仿真软件对模型进行有效验证,最终目的是让该模型应用在虚拟手术系统中以实现更真实的力反馈效果。具体完成的工作如下:（1）在分析软组织的力学性能特征的基础上,重点研究了软组织的超弹性和粘弹性,并总结了这两个特性的主要研究现状和现有的模型。通过分析软组织的材料特性,结合实验数据,提出了适合本文研究对象的超弹性模型和粘弹性模型。利用MATLAB软件对实验数据进行分析,将数据与模型相结合,确定模型参数,得到具体的模型表达式。（2）为了测量软组织的力学参数,设计软组织的力学实验方案,以猪肝脏为研究对象,分别设计猪肝的单轴拉伸实验和压缩实验。此外为了研究软组织的粘弹性,还设计了应力松弛实验和蠕变实验。在实验的基础上,将实际测量软组织的真实力学参数,如肝脏的弹性系数和粘度系数等应用到模型当中。（3）为了进一步验证模型的有效性,利用ABAQUS有限元仿真软件对猪肝的拉伸实验进行有限元仿真,并将仿真实验数据与实际测量数据进行比较。

关键词：虚拟手术仿真系统生物软组织力学性能本构模型有限元仿真

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生物软组织激光消融阈值的光谱特性

生物软组织激光消融阈值的光谱特性

作者：张先增福建师范大学

学位级别：硕士

激光消融技术的关键在于掌握消融阈值与辐照波长的相关性，获得大的消融率和减少热损伤等等。激光辐照参数对生物组织消融特性尤其是消融阈值有着重要的影响。本文结合数值模拟和离体组织模型实验，初步研究了波长因素对激光消融特性，... 详细信息

激光消融技术的关键在于掌握消融阈值与辐照波长的相关性，获得大的消融率和减少热损伤等等。激光辐照参数对生物组织消融特性尤其是消融阈值有着重要的影响。本文结合数值模拟和离体组织模型实验，初步研究了波长因素对激光消融特性，特别是消融阈值的影响。首先，简要概述了生物组织激光消融的历史背景和研究现状，并对现有的研究成果进行了评价，阐述了开展本论文的研究意义和研究内容。其次，介绍了生物组织激光消融的相关基本概念，详细阐述了光热消融过程中的光分布、热传输和热效应。得到了激光作用生物组织的热源项，推导了生物热传输方程，并对其定解条件进行了探讨。论文还结合数值模拟，对三种典型波长激光作用下生物组织体内的光分布和热源分布进行数值分析，着重考察了相变因素对无扩散时的温度分布造成的影响;运用有限元方法求解了生物传热非线性方程，给出温度的空间和时间分布曲线，并进行了讨论。最后，进行了激光外科中最具代表性的超脉冲CO、脉冲Er：YAG和脉冲Ho：YAG等三种激光辐照猪皮肤组织的消融实验。对三种波长激光的消融效果进行了分析比较，获得了对应三种波长激光消融阈值范围，并对消融率进行了探讨。

关键词：生物软组织光热响应组织消融消融阈值有限元法数值模拟