【摘要】：隨著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展,虛擬手術(shù)通過結(jié)合三維軟組織仿真建模與虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)手術(shù)過程的仿真,使得外科醫(yī)生獲得大量的仿真手術(shù)試驗機會,為手術(shù)成功率提高、實習(xí)醫(yī)生訓(xùn)練等提供技術(shù)支持。而目前在三維軟組織仿真建模過程中,由于軟組織本身構(gòu)成復(fù)雜、結(jié)構(gòu)特殊,難以建立精確的仿真模型。本文通過建立精確的肌肉仿真模型,結(jié)合實驗研究與理論分析,進行肌肉組織的切削實驗與仿真研究,并優(yōu)化其切削參數(shù),使肌肉組織仿真切削過程精度極大提高,為虛擬手術(shù)中肌肉組織與器械接觸提供有力數(shù)據(jù)與模型支持。首先,提出一種肌肉組織粘彈性本構(gòu)方程建模方法。該方法基于Kelvin-Voigt模型,將超彈性特性與粘彈性特性相結(jié)合,通過實驗數(shù)據(jù)處理分別擬合、提取超彈性特性和粘彈性特性的材料常數(shù),建立肌肉組織粘彈性本構(gòu)方程。其次,設(shè)計并搭建肌肉組織拉壓實驗平臺,進行所提出粘彈性本構(gòu)方程的實驗及仿真驗證研究。通過進行肌肉組織拉伸壓縮實驗,擬合、提取超彈性特性與粘彈性特性的材料常數(shù),建立肌肉組織壓縮仿真模型;通過壓縮實驗與壓縮仿真對比,表明所提出的粘彈性本構(gòu)方程適用于肌肉組織,且表現(xiàn)出顯著的粘彈性特性。然后,設(shè)計并搭建肌肉組織切削實驗平臺,研究手術(shù)條件下纖維向肌肉組織切削實驗。通過搭建專用的肌肉組織切削實驗平臺,進行不同切削角度與切削速度下的切削實驗;比較不同切削參數(shù)下的切削力、局部剛度、斷裂韌性和拉伸屈服應(yīng)力等,以及切削過程中的組織形變與微觀形貌分析,優(yōu)化手術(shù)條件下的肌肉組織切削過程,減少肌肉組織損傷。接下來,提出一種肌肉組織切削仿真建模方法,進行肌肉組織切削過程仿真及實驗驗證研究。通過本構(gòu)方程擬合、提取結(jié)果,劃分肌肉組織超彈性階段與塑性階段,通過切削過程實驗確定肌肉組織斷裂階段,構(gòu)建肌肉組織材料模型并進行切削過程仿真;進行不同切削方式、切削角度、切削深度和切削速度情況下的仿真過程,研究切削過程中組織表面完整性、切屑形貌、組織變形狀態(tài)、應(yīng)力分布和切削力變化等;通過搭建垂直切削實驗平臺,驗證切削力與變形狀態(tài),確保切削仿真的精確性,為難以通過實驗研究的復(fù)雜工況提供組織與器械接觸的仿真支持;最后,優(yōu)化復(fù)雜工況下肌肉組織切削過程,減少肌肉組織損傷。通過比較不同工況下切削仿真結(jié)果,討論垂直切削方式下對切削速度的優(yōu)化;水平切削方式下切削角度、切削深度、切削速度的優(yōu)化,選擇最優(yōu)切削參數(shù),減少切削過程中組織損傷。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：R318.0
【圖文】：

山東大學(xué)碩士學(xué)位論文器材及樣本逡逑行的單軸拉伸實驗均由ＱＸ－Ｗ２００電子萬能試驗機完成進行非金屬、肌肉組織、血管、韌帶、人體組織器官等的檢測。其主要技術(shù)參數(shù)：１、最大試驗負荷：５０Ｎ；邋２、、有效測力范圍：０．２％－］００％；邋４、測力精度：示值的±：最大試驗力的±１／５０００００；邋６、試驗速度調(diào)節(jié)范圍：０．０ＣＵ－５值的±０．５％以內(nèi)；８、變形測量范圍：０．２％－］００％ＦＳ；邋９、內(nèi)；１０、變形分辨力：最大變形的１／２５００００邋（全程分辨示值的±０．５％以內(nèi)；１２、位移分辨率：０．５ｐｍ；邋１３、數(shù)據(jù)４、有效試驗行程：６００ｍｍ；邋１５、有效試驗寬度：１２０ｍ

，，產(chǎn)生較大差異。因此拉伸速度選擇確保內(nèi)部結(jié)締組織不會由于較快拉逡逑緊迅速破壞。將樣件固定在儀器上進行拉伸，直至組織完全斷裂，保存數(shù)據(jù)并重復(fù)逡逑拉伸實驗。沿纖維向和垂直纖維向各進行８組實驗，對其進行標準偏差分析和平逡逑均極限強度應(yīng)力求解。其中應(yīng)力應(yīng)變求解如下，逡逑0－邋＝邋—邐（２－１４）逡逑Ａ逡逑Ｌ－Ｌ０逡逑￡＝￣＾邐（２－１５）逡逑式中，為名義應(yīng)力，Ｆ為拉伸力，Ｊ為試樣橫截面積，￡為名義應(yīng)變，Ｉ為變形后逡逑長度，／？0為試樣初始長度。逡逑通過多次重復(fù)實驗獲得的力與位移數(shù)據(jù)處理得到平均應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖２－４逡逑左側(cè)所示。沿纖維向和沿垂直纖維向應(yīng)力最大值時肌肉組織拉仲狀態(tài)如圖２－４右側(cè)逡逑所示。逡逑

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本文編號：2728135