套管柔性针穿刺人体组织受力及运动分析

摘要

目前，靶向穿刺手术中，由于斜尖柔性针不对称的针尖与组织间相互作用，可使柔性针在穿刺过程中发生弯曲，从而避开一些骨骼和敏感器官等障碍，到达传统刚性手术针无法到达的目标靶点，因而受到医生的关注，也成为国内外学者研究的热点。现阶段研究的柔性针存在斜尖转角无法精确控制和矫正穿刺路径能力较差等问题，为解决上述弊端，本文提出了一种“套管柔性针”，并对套管柔性针穿刺组织进行了深入的研究：
　　首先，在比较现有的软组织建模方法的基础上，通过对软组织力学特性分析，采用线弹性有限元的算法，建立了组织的有限元模型；然后对仿生物组织的材料进行选择并对所选材料（琼脂胶）做了压缩实验，对其破坏机理进行了分析，为套管柔性针穿刺组织提供了理论依据和实验基础。
　　其次，对柔性套管和柔性针的材料进行了选择，并通过实验分析了套管柔性针弯曲应力和应变之间的关系。根据杆件大变形理论，对柔性套管约束下柔性针自身受力及耦合变形进行了分析，之后利用静力平衡依次对套管柔性针穿刺组织时受到的夹紧力、侧向力（切割反力）以及摩擦力进行了研究，建立了相应的力学模型，并通过ABAQUS软件对整个穿刺力进行了仿真。
　　然后，基于套管柔性针穿刺组织的受力以及穿刺过程的分析，利用悬臂梁建立了套管柔性针穿刺组织的径向运动学模型，通过刚性杆件模型建立了套管柔性针穿刺组织的轴向运动学模型，并通过最小势能原理和虚功原理对该模型进行了有限元分析，然后通过ABAQUS软件对套管针穿刺组织的力-变形运动学进行了仿真分析。
　　最后，建立了套管柔性针穿刺组织实验系统，并对实验平台进行了调整和标定，保证穿刺实验的精度，进行了穿刺仿生组织力学实验以及力-变形实验，通过与仿真对比研究，验证了建模方法的可行性和模型的准确性。
　　本文主要采用仿真及实验结合的方法对套管柔性针穿刺软组织力学建模及力-弯曲变形的运动学分析，为微创手术的靶向穿刺技术提供了理论依据，也为后续套管柔性针的路径规划及控制研究奠定了理论基础。

目录

声明

第1章 绪论

1.1课题研究背景

1.2课题研究的目的和意义

1.3国内外研究现状

1.4课题来源与主要研究内容

第2章 人体软组织生物力学特性及有限元分析

2.1引言

2.2软组织力学特性分析

2.3软组织仿生材料的特性参数测定

2.4软组织建模及有限元分析

2.5本章小结

第3章 套管柔性针穿刺人体组织的力学建模

3.1套管柔性针弹性分析

3.2柔性套管约束下柔性针受力耦合变形分析

3.3套管柔性针穿刺组织的力学模型

3.4本章小结

第4章 基于有限元理论的穿刺运动学建模分析

4.1套管柔性针穿刺过程分析

4.2套管柔性针穿刺软组织运动学物理模型

4.3套管柔性针力-弯曲变形运动学有限元分析

4.4套管柔性针穿刺组织形变仿真分析

4.5本章小结

第5章 套管柔性针穿刺柔性组织实验研究

5.1引言

5.2实验材料的制备

5.3实验平台的搭建

5.4套管柔性针穿刺仿生材料实验

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢