面向二尖瓣微創(chuàng)手術(shù)的心臟接觸力學(xué)研究.pdf

1、在微創(chuàng)手術(shù)過程中，生物組織的物理性質(zhì)可通過觸覺傳感器進(jìn)行測量，并被反饋給操作醫(yī)生。這些物理性質(zhì)在手術(shù)過程的整體規(guī)劃與具體操作中都起到重要作用。目前，對這類醫(yī)療觸覺傳感器的研究仍處于初始階段。本文以二尖瓣閉合不全經(jīng)皮導(dǎo)管介入微創(chuàng)修復(fù)手術(shù)為實(shí)際背景，重點(diǎn)對觸覺傳感器設(shè)計(jì)、心臟肌肉力學(xué)性質(zhì)、及傳感器與心臟肌肉組織之間的接觸問題展開研究。
　　考慮到介入導(dǎo)管狹小的操作空間與復(fù)雜的工作環(huán)境，本文設(shè)計(jì)了一種與介入導(dǎo)管構(gòu)型匹配的、高魯棒性的壓阻

2、式觸覺傳感器。該觸覺傳感器的主要元件為兩個(gè)半徑不同的圓形壓阻式力傳感器和一個(gè)填充環(huán)。在原型實(shí)驗(yàn)中，觸覺傳感器與幾種不同橡膠材料發(fā)生接觸后，其輸出可正確地反映出這些橡膠材料硬度等級，從而可對它們進(jìn)行準(zhǔn)確的識別。
　　在心臟跳動過程中，心房所經(jīng)歷的變形較小，因此，可采用兩種線粘彈性模型–廣義Kelvin模型和分?jǐn)?shù)階粘彈性模型–來描述心房肌肉組織的力學(xué)特性。這兩種模型各有其優(yōu)缺點(diǎn)，廣義Kelvin模型的物理意義明確，而分?jǐn)?shù)階粘彈性模型的

3、應(yīng)用范圍更廣。為得到與心房肌肉組織力學(xué)特性相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過動態(tài)機(jī)械分析實(shí)驗(yàn)對心房肌肉組織的粘彈性特性進(jìn)行測量。在此基礎(chǔ)上，利用遺傳算法辨識出廣義Kelvin模型和分?jǐn)?shù)階粘彈性模型中的物質(zhì)參數(shù)。通過對比實(shí)驗(yàn)值與理論值，發(fā)現(xiàn)這兩種模型的預(yù)測結(jié)果均與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較好地吻合。
　　在對心室肌肉組織的力學(xué)特性進(jìn)行分析時(shí)，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)中的不變量理論和心室肌肉組織的微觀結(jié)構(gòu)，提出了一類正交各向異性、超粘彈性模型。在該超粘彈性中，通過引入內(nèi)部

4、狀態(tài)變量使得熱力學(xué)定律得到滿足。根據(jù)心室肌肉組織的簡單剪切變形的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用遺傳算法辨識出超粘彈性模型中的物質(zhì)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，分別對心室圓桶模型和心室軸對稱模型進(jìn)行分析。其分析結(jié)果表明，超粘彈性模型所預(yù)測的殘余應(yīng)力和透壁方向的Cauchy應(yīng)力均與文獻(xiàn)中給出的結(jié)果相符；在剪切應(yīng)變分析時(shí)，相對于文獻(xiàn)中的其他模型，超粘彈性模型給出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加吻合。
　　在分析傳感器與心房肌肉組織之間的接觸時(shí)，對它們之間的光滑接觸問題和摩擦接

5、觸問題進(jìn)行分別求解。其中，經(jīng)典接觸力學(xué)可以用于對光滑接觸問題進(jìn)行求解。首先，基于邊界值問題的Papkovich–Neuber一般解，運(yùn)用Combination–of–Harmonics方法得到光滑接觸問題的線彈性解。然后，通過粘彈性與彈性的對應(yīng)原理，把線彈性解轉(zhuǎn)化為線粘彈性解。在不同的邊界條件下，觸覺傳感器與心房肌肉組織之間的接觸過程可由該粘彈性解直接進(jìn)行分析。其最終分析結(jié)果表明，雖然傳感器能夠?qū)π姆考∪饨M織的硬度信息進(jìn)行測量，但是傳感

6、器輸出值還與作用于其上的法向外力密切相關(guān)。對摩擦接觸問題進(jìn)行分析時(shí)，采用了有限元方法。在此分析過程中，提出了一種本構(gòu)關(guān)系分解策略。在該分解策略中，廣義Kelvin模型被分解為若干經(jīng)典Kelvin模型，從而可方便地進(jìn)行有限元分析。摩擦模型是影響有限元接觸分析收斂性的一個(gè)重要因素，本文采用基于接觸面微觀結(jié)構(gòu)的非關(guān)聯(lián)彈塑性摩擦模型。最終的摩擦接觸分析結(jié)果表明，摩擦力延遲了心房肌肉組織與小力傳感器發(fā)生接觸的時(shí)間，但對傳感器與心房肌肉組織之間的整

7、個(gè)接觸過程產(chǎn)生的影響較小。
　　在心臟跳動過程中，心室所經(jīng)歷的變形較大，所以通過大變形接觸有限元算法對傳感器與心室肌肉組織之間的接觸問題進(jìn)行分析。為使接觸分析具有更好的魯棒性與收斂性，采用基于dual Lagrange乘子的mortar方法建立接觸問題的積分弱形式。為提高計(jì)算效率，通過擬光滑Newton計(jì)算策略對積分弱形式進(jìn)行求解。傳感器與心室肌肉組織之間接觸的分析結(jié)果表明，心肌纖維的分布模式對傳感器與心室肌肉組織之間的接觸過程影