用于腰椎术中监测压力传感器封装特性研究

摘要

腰椎手术部位附近有丰富的神经组织，为充分暴露手术域、避免误伤，使用神经拉钩牵拉开神经根。牵拉操作控制不当会对神经根造成损伤，影响手术疗效，引起术后并发症。因此，在神经拉钩上安装传感器，获取神经根被牵拉时的力学信息，给手术操作提供量化参考。但相关研究采用的带有传感器神经拉钩多存在应力集中问题，造成使用中对神经根的二次伤害，并产生传感器测量值与神经根实际所受最大压力的误差。
　　针对安装于神经拉钩MEMS压力传感器特殊的使用场景，通过优化封装设计，缓解神经拉钩侧边接触神经根时的应力集中。本文主要完成了以下工作:
　　1.建立具有粘弹性特征的神经根模型。分析神经根的生物力学特性，用有限元法建立具有粘弹性的神经根模型。从静态特性和体现粘弹性的应力松弛、速率相关性入手，结合大鼠神经根牵拉实验，验证了所建立模型符合神经根力学特性。
　　2.设计传感器的封装结构，通过仿真获得该封装结构的力—电转换关系。改进封装外形和封装结构，尽量减少应力集中。充分考虑“吊床效应”，比较不同的封装结构后，选定带有缓冲区的双层封装结构。还仿真分析了封装后的应力——电压转换关系，初步探讨影响力—电转换系数的因素。
　　3.进行了传感器和神经根的接触分析。运用所建的粘弹性神经根模型与改进封装后的传感器，通过仿真分别获得神经根与传感器接触中心点、接触边缘关于传感器位移的关系，为衡量牵拉过程中神经根所受实际损伤和传感器测量值之间误差提供了重要的指导。
　　本文密切联系传感器所测对象生物组织的力学特性，从而设计传感器封装。基于生物力学特点所建粘弹性神经根模型，重点关注宏观力学特性，以材料模型的复杂化实现模型结构的简单化。改进传感器封装结构，以减小被牵拉神经根的应力集中问题。对神经根与传感器接触模型的研究，有助于修正传感器测量结果。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 MEMS传感器

1．1．1 MEMS的发展历史和特征

1．1．2 MEMS传感器的分类和应用

1．2 医用压力传感器

1．3 神经根牵拉损伤

1．3．1 腰椎结构及相关病变

1．3．2 神经根解剖学特点

1．3．3 腰椎手术对神经根的影响

1．4 被牵拉神经根应力集中问题

1．5 本文主要工作

1．6 本章小结

第二章 神经根生物力学模型

2．1 神经根生物力学特性

2．2 神经根粘弹性仿真模型的建立

2．2．1 有限元方法和分析软件

2．2．2 粘弹性模型

2．2．3 建模前的分析

2．2．4 神经根仿真模型

2．3 神经根模型力学特性验证

2．3．1 静态特性验证

2．3．2 粘弹性验证

2．4 本章小结

第三章 传感器封装结构优化设计

3．1 传感器的封装要求和材料

3．1．1 医用传感器的封装要求

3．1．2 医用传感器的封装材料

3．2 封装外形和结构设计

3．3 封装有限元模型仿真

3．4 封装后传感器的力电转换关系

3．4．1 换能元件的选择

3．4．2 换能元件模型的建立

3．4．3 力电转换的有限元仿真

3．5 本章小结

第四章 神经根和传感器的接触分析

4．1 接触实验及理论模型

4．2 有限元接触算法

4．2．1 动态约束法

4．2．2 罚函数法

4．2．3 分布参数法

4．3 有限元接触仿真

4．3．1 接触仿真模型的建立

4．3．2 不同位置应力与位移的关系

4．3．3 接触仿真结果的数据拟合处理

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 工作展望

致谢

参考文献

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