用于心脏微创手术的触觉传感器与接触模型研究

摘要

在临床医学实践当中，微创手术（MIS）凭借其突出的优点——创伤小、术后感染风险低、恢复快等已受到人们越来越多的关注。它正逐渐地改变着现有的医疗手段并提高了当前的医疗水平。然而，当外科医生执行微创手术的时候，由于缺少必要的触觉反馈信息，这将可能会导致病人体内健康软组织遭到医疗器械的破坏，甚至会造成更严重的医疗事故。因此，触觉反馈信息的匮乏已然成为微创手术发展的最大障碍。
　　本文以适用于心脏微创手术为目标，以心脏二尖瓣膜闭合不全经皮导管介入微创手术为应用对象，设计了一种用于心脏微创手术的触觉传感器。所设计的传感器带有圆锥形内凹面，同时凹面上均匀布置着压阻材料。为了分析传感器与心脏肌肉组织间的接触数学模型，首先研究了粘弹性材料的建模方式，选用广义Kelvin模型建立了猪心脏肌肉组织的本构模型；在建立了传感器与弹性体的接触模型之后，根据弹性-粘弹性对应原理，确定了触觉传感器与粘弹性体之间的接触模型；为使该接触问题的有限元仿真更加合理、准确，对松弛模量与蠕变柔量转换方法进行研究，获得了猪心脏肌肉组织粘弹性模型的相关Prony参数；选用ABAQUS软件对该接触问题进行仿真验证，证明了理论模型的准确性；最后，选用五种硅胶材料，对本文研究的触觉传感器进行实验验证。通过对四种测试结果的比较，确定了传感器的有效性与本研究的可行性。
　　本文所设计的用于心脏微创手术的触觉传感器特色在于能够辨别软组织间相对硬度的同时还能够测量被测软组织的剪切模量，这为探测器官内部组织是否发生病变提供了一定的预测功能；采用的接触模型建立方法同样适用于其他形状内凹面与粘弹性体（弹性体）接触模型的建立；对肌肉软组织有限元仿真的方法较传统的用橡胶类材料替代的方法更加合理、准确，该方法对此类仿真研究有一定的参考价值。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 触觉传感器研究现状

1.3 本文研究内容

第二章 传感器结构设计与心脏肌肉组织模型建立

2.1 引言

2.2 触觉传感器描述

2.3 经典粘弹性模型类型选择

2.4 针对心脏肌肉组织的广义模型

2.5 心脏肌肉组织模型确定

2.6 本章小结

第三章 心脏肌肉组织有限元模型分析

3.1 引言

3.2 松弛模量与蠕变柔量转换法

3.3 误差分析

3.4肌肉组织松弛模量与蠕变柔量之间转换

3.5 材料仿真验证

3.6 本章小结

第四章 传感器接触模型建立及其结构优化

4.1 引言

4.2 接触模型建立与分析

4.3 传感器结构优化

4.4 实验样机参数确定及其接触性能分析

4.5 本章小结

第五章 传感器仿真与实验验证

5.1 引言

5.2 传感器仿真分析

5.3实验准备

5.4实验验证

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要研究工作与创新点

6.2不足及展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文