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皮肤力学进展

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力学进展 1990年第2期20卷 211-224页

作者：曾衍钧倪茜北京工业大学 100022

本文概述了近年来皮肤力学的发展成果,介绍了皮肤离体和在体实验的装置、方法以及所用的力学模型.并讨论了皮肤的主要力学性质,对皮肤力学在医学临床上的应用作了简介。

关键词：皮肤力学离体在体实验

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活体状态下人脸皮肤力学性能实验研究

活体状态下人脸皮肤力学性能实验研究

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作者：刘鹏天津大学

学位级别：硕士

皮肤是指包裹在人体骨骼、肌肉外面的组织。一般来讲,人类以及绝大多数动物的皮肤为三层结构,分别为表皮层、真皮层和皮下组织,具有感知温度、抵御外界伤害、排汗、保持体温等功能。然而,人类在几万年的进化过程中,各部位的皮肤出现了... 详细信息

皮肤是指包裹在人体骨骼、肌肉外面的组织。一般来讲,人类以及绝大多数动物的皮肤为三层结构,分别为表皮层、真皮层和皮下组织,具有感知温度、抵御外界伤害、排汗、保持体温等功能。然而,人类在几万年的进化过程中,各部位的皮肤出现了一定程度的差异,比如,面部皮肤除了具备皮肤的一般功能外,还能够表征人类的心理活动,即可以通过面部皮肤的不同变形形式来传达自身内心情绪。目前为止,人类对表情的研究仅仅停留在各种表情及其对应的面部特征上,对表情的形成机理研究尚不完善。原因在于若要分析表情的形成机理,必须要先得到皮肤的本构关系,但目前对面部皮肤力学性能的研究还存在诸多不足,特别是实验方法和实验设备开发等方面还有诸多问题。本文提出一种适用于面部皮肤的力学性能测量装置,该装置配有步进电机,在步进电机的驱动下滚珠丝杠可使探针精确实现X-Y-Z三自由度的运动,探针驱动分辨率为0.01mm。加载仪器内部还装有微型拉压传感器和扭矩传感器,拉压传感器一端固定,另一端与探针相连,可直接测得探针与皮肤之间接触力,扭矩传感器可测得探针上两个方向的扭矩数值,并反推出探针端部的水平、竖直方向的径向力。此外,加载装置上设置两架CCD相机,对加载过程进行实时测量,可得皮肤表面在探针压入的过程中其形貌变化情况。本研究测得三位志愿者面部四个区域接触力-探针位移曲线,根据Hertz接触力学理论,求得面部皮肤有效弹性模量E=5.6kPa1kPa,并发现皮下组织的厚度直接影响着皮肤的有效弹性模量,皮肤组织较薄的颧骨区域E=9.3kPa1kPa,较厚的嘴角及脸颊区域E=5.6kPa.9kPa。本研究采用3D-DIC(三维数字图像相关技术)对皮肤表面变形场进行了测量,其变形场特征充分体现出皮肤的各向异性。本文为深入研究面部皮肤本构关系奠定了基础,也为面部生物力学研究提供实验数据和方法支持。

关键词：皮肤力学压入实验面部皮肤加载装置数字图像相关法

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基于压痕法对人脸皮肤力学特性的活体测量

基于压痕法对人脸皮肤力学特性的活体测量

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第十七届北方七省市区力学学会学术会议

作者：周磊王世斌李林安王志勇李传崴天津大学机械工程学院力学系

皮肤是人体重要的组织器官。人脸皮肤不仅可以保护人体免受外界的干扰和破坏,在美容、刑侦方面也具有重要的作用。而皮肤的力学性能研究因组织结构复杂以及伦理因素等原因发展较为缓慢。本文基于压痕法对人脸皮肤的力学特性开展了一系... 详细信息

皮肤是人体重要的组织器官。人脸皮肤不仅可以保护人体免受外界的干扰和破坏,在美容、刑侦方面也具有重要的作用。而皮肤的力学性能研究因组织结构复杂以及伦理因素等原因发展较为缓慢。本文基于压痕法对人脸皮肤的力学特性开展了一系列的活体实验研究。在实验中,我们专门设计的一种特殊的透明压头,该压头依次连接CCD相机、力传感器等形成一套完整的有机系统。利用该透明压头,我们不仅可以得到传统压痕实验的力—位移数据,还能够实时监测压头与皮肤间的接触形貌。由于人脸皮肤不同位置的力学性能也不尽相同,为此,在实验过程中,我们依次选择多个位置点进行压痕测量。前面说到,人脸皮肤结构非常复杂,从解剖学上主要由表皮、真皮、皮下组织三层组成。其真皮层的厚度为150um-4mm,其内部的胶原蛋白和弹性蛋白纤维影响着该层的力学性能。通过实验可以看出:人体脸部软组织的应力—应变关系并不遵循胡克定律,而是类似呈现J形曲线关系,应力随应变增加的速度比胡克定律预计的要快的多。19世纪末期Hertz根据接触力学相关原理建立了两物体接触挤压受力时的弹性方程,推动接触力学的发展,例如两物体均为球面光滑接触,其接触方程表达式如下:a=3PR/4E*1/E*=((1-v))/E+((1-v’))/E’其中, a为接触投影面半径, R为接触面曲率半径, P为接触压力,v、 E、v’、E’分别为两接触体的泊松比和弹性模量。1948年Tabor利用Hertz的理论设计压痕实验。1976年Swain and Hagan将压痕实验应用于人体皮肤上,但皮肤并非弹性且非匀质材料,其接触方程表达式也仅在小变形时勉强适用。因此采用超弹性的本构模型更为合理。本文选用Mooney-Rivlin应变能密度函数表征皮肤的力学性能。鉴于皮肤的多层解剖结构,我们将其简化为两层结构模型,将表皮层和真皮层化为第一层,并赋予解剖学厚度。本构模型拟定之后,根据压痕实验测定的接触力-位移曲线以及人脸表面实时三维动态形貌结合有限单元法,通过迭代拟合确定本构参数。

关键词：皮肤力学压痕实验透明压头有限元

来源： cnki会议评论

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各向异性超弹性的皮肤本构模型参数识别方法研究

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应用力学学报 2024年第4期41卷 948-955页

作者：温广全纪小刚李华彬孙榕江南大学机械工程学院无锡214122 江苏省食品先进制造装备技术重点实验室无锡214122

通过力学建模方法对病人皮肤组织疾病进行诊断、评估和治疗,需要准确识别皮肤组织的力学性能。为此,提出了一种运用自适应模拟退火优化算法结合代理模型技术的皮肤组织本构参数识别方法。首先,采用有限元方法模拟皮肤单轴拉伸试验,获取... 详细信息

通过力学建模方法对病人皮肤组织疾病进行诊断、评估和治疗,需要准确识别皮肤组织的力学性能。为此,提出了一种运用自适应模拟退火优化算法结合代理模型技术的皮肤组织本构参数识别方法。首先,采用有限元方法模拟皮肤单轴拉伸试验,获取不同参数组合下,皮肤组织的数值计算力学响应数据。为提高参数识别的计算效率,分别构建了响应面模型、克里金模型、椭球基神经网络3种代理模型来代替重复的仿真计算过程,并采用决定系数R 2对3种代理模型的拟合精度进行校验。最后,利用自适应模拟退火优化算法,以试验曲线与数值计算曲线均方根误差最小为优化目标,通过反演识别出了与普通家猪腹肋部皮肤组织单轴拉伸试验结果最匹配的本构参数:C_(10)=0.1401 MPa、k_(1)=24.51 MPa、k_(2)=0.4961、κ=0.3171、φ=13.86°。结果表明,椭球基神经网络模型更适合拟合皮肤本构模型参数与应力应变响应间的非线性关系。对比识别出的数值计算曲线与试验曲线,表明自适应模拟退火算法结合代理模型技术是识别皮肤组织各向异性超弹性本构参数的快速、可靠方法。

关键词：皮肤力学参数识别代理模型自适应模拟退火算法

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考虑材料参数不确定性的皮肤缝合力学响应分析与应用

考虑材料参数不确定性的皮肤缝合力学响应分析与应用

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作者：温广全江南大学

学位级别：硕士

基于皮肤力学性能的有限元仿真技术,可以有效预测皮肤缝合后的应力分布情况,在皮肤移植手术术前模拟及方案制定方面具有重要的指导作用。然而,皮肤材料有着各向异性、超弹性的复杂力学特性,并且材料参数受试验误差、身体部位差异等影响... 详细信息

基于皮肤力学性能的有限元仿真技术,可以有效预测皮肤缝合后的应力分布情况,在皮肤移植手术术前模拟及方案制定方面具有重要的指导作用。然而,皮肤材料有着各向异性、超弹性的复杂力学特性,并且材料参数受试验误差、身体部位差异等影响具有一定的不确定性。如何准确表征皮肤材料力学性能,并在有限元建模过程中考虑材料参数不确定性对皮肤缝合力学响应的影响是亟待解决的问题。为此,本文在皮肤力学性能试验研究的基础上,对皮肤材料力学建模中材料参数识别及不确定性传播问题展开研究,主要工作内容如下:分析大变形下的皮肤拉伸力学行为,建立皮肤力学性能测量不确定度的定量描述。基于皮肤生物力学特性,制定猪皮试样的单轴拉伸试验方案,确定了合理的预调处理次数,并分析了取样方向、取样部位及重复测量对皮肤力学响应的影响。总结试验测量不确定度来源,并基于测量不确定度表示指南对试验结果进行不确定度评定,得到一定置信水平下的皮肤单轴拉伸应力-应变响应数据。探究各向异性、超弹性的本构参数识别优化方法,准确表征皮肤材料力学性能。采用Holzapfel各向异性、超弹性本构描述皮肤生物力学特性,建立皮肤单轴拉伸试验有限元模型,获取不同参数组合下,皮肤单轴拉伸数值计算力学响应数据。构建并校验代理模型以替代重复的仿真计算过程,进而利用自适应模拟退火优化算法,以试验曲线与数值计算曲线均方根误差最小为优化目标,通过反演得到与普通家猪腹部、背部皮肤单轴拉伸试验结果最匹配的本构参数。提出基于蒙特卡洛模拟的材料参数不确定性传播分析方法,有效量化皮肤材料参数的不确定性。采用正态分布函数及描述抽样方法量化不确定的材料参数,构建代理模型以描述不确定的材料参数与皮肤力学建模仿真结果间的非线性关系。计算并比较Sobol敏感度,以优化调整不确定的材料参数,进而基于蒙特卡洛模拟得到输出响应统计结果。以皮肤单轴拉伸有限元模拟为例给出完整计算过程,同时确定了皮肤材料参数的不确定度,该结果可用于描述皮肤力学性能试验测量及材料参数识别过程引入的误差。分析材料参数不确定性影响下的皮瓣缝合应力响应,制定术前皮瓣设计方案。利用逆向建模技术构建临床病人创面几何模型,并利用三维创面展开方法,获取皮瓣初步设计轮廓。以此为基础,构建皮瓣缝合有限元模型,并应用提出的不确定性传播分析方法,计算并比较不同纤维取向、不同设计尺寸皮瓣缝合后的应力响应,从而确定了皮瓣最佳切取方向和极限设计尺寸。本课题研究的皮肤材料参数识别方法,能够快速、准确地表征皮肤材料的力学性能。将不确定性传播分析方法应用到皮肤缝合仿真分析中,可以有效量化材料参数的不确定性对分析结果的影响。这将有助于临床医生通过力学建模方法对病人皮肤组织疾病进行诊断、评估和治疗。

关键词：皮肤力学有限元仿真参数识别不确定性传播皮肤移植

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