人体前臂软组织活体力学性质研究

论文摘要

人体皮肤、肌肉等软组织的力学性质是诸多研究领域的基础,尤其在互动可视注射模拟,微创外科治疗,皮肤病学、美容化妆、量化医药产品效力及皮肤病检测等方面有着举足轻重的作用。如今,压凹痕实验被广泛应用于软组织材料的弹塑性力学行为研究。人体的皮肤是一个复杂的多层复合材料,具有和其他生物软组织相同的力学性质,即非线性、超弹性、粘弹性和各向异性等。但传统的压痕实验也有其自身的局限性,虽然可以通过自动控制设备来得到探头的总体压痕深度,但并不能由此确定每层的变形位移。因此,在传统实验方法的基础上,我们提出一种结合断层扫描技术（Magnetic Resonance Imaging）的方法来弥补传统压痕实验方法的不足,使其具有更广泛的应用性。本文提出了一种结合传统的压痕实验方法和MRI技术来测量人体皮下层和肌肉层非线性力学性质的实验方法。为此,我们利用MRI断层扫描图像建立了皮肤-皮下-肌肉-骨头复合体的三维有限元模型作为整个前臂组织的简化模型。通过静态压痕实验和MRI图像的原始数据确定了材料本构方程的超弹性参数,并利用上述模型验证了该过程,此时只把皮下-肌肉视为弹性材料而忽略了其粘弹性力学特征的影响。另外,我们通过测量动态荷载下前臂接触反力随时间变化的响应来确定不同的加载速率对整个软组织结构率相关性行为的影响。结果显示,整个结构的初始接触力随着载荷速率的增加而不断增大,此时模型所有软组织都视为非线性弹性和粘弹性,其中粘弹性特征通过应力松弛函数的Prony级数来表示。总体来说,本文的研究内容可分为以下几个部分:压痕实验及实验结果整理。实验部分主要介绍压痕实验的建立方法,包括压痕部位的绑定,压痕设备的安装,前臂部位的影像定位,以及实验过程中的加载等。实验结果整理部分,包括对断层图像中各个软组织层变形位移的测量,静态压痕实验中压痕深度的确定以及动态松弛实验中力位移数据的整理。断层图像三维重建。由于理想的生物组织模型在外部形态和内部结构方面都与真实结构存在着巨大的差异,从而大大降低了模拟计算的可信度,导致整个研究的结果出现错误。基于上述原因,我们通过医学图像处理软件Simplewar-ScanIP对断层扫描图像进行了真实结构的三维重建,大大提升了计算模型的精确度和可信度。各软组织层力学性质的描述。将上述整理的力位移数据通过弹性接触理论的关系获得皮下层和肌肉层的超弹性材料参数,再将所有的软组织层视为非线性超弹性和粘弹性来研究不同加载速率对整个结构粘弹性响应的影响,其中材料的粘弹性参数全部来自于文献中的数据。有限元仿真模拟。将上述三维重建的实体模型划分网格后转化为可用于后续计算分析的有限元模型,将力学参数赋予表皮-皮下-肌肉-骨头分层结构的复合体,来模拟其非线性超弹性和粘弹性力学特征,通过模拟结果和实验结果的对比来验证参数的合理性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 研究的目的及意义
• 1.3 国内外相关技术发展现状
• 1.3.1 传统实验方法
• 1.3.2 近代实验方法
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 人体软组织的力学特性
• 2.1 引言
• 2.2 超弹性本构方程参数的确定
• 2.2.1 超弹性
• 2.2.2 Neo-Hookean模型
• 2.2.3 对应实验的参数获取
• 2.3 粘弹性本构方程参数的确定
• 2.3.1 粘弹性
• 2.3.2 应力松弛函数
• 2.4 本章小结
• 第3章 压痕实验及数据分析
• 3.1 引言
• 3.2 静态压凹痕实验
• 3.2.1 实验设计
• 3.2.2 实验方法
• 3.2.3 实验数据整理
• 3.3 动态应力松弛实验
• 3.3.1 实验设计
• 3.3.2 实验方法
• 3.4 本章小结
• 第4章 前臂组织结构的三维重建
• 4.1 引言
• 4.2 MRI数据
• 4.2.1 数据获取来源及设备型号
• 4.2.2 DICOM标准介绍
• 4.3 三维重建过程
• 4.4 三维重建结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 有限元建模求解过程
• 5.2.1 模型建立
• 5.2.2 材料属性
• 5.2.3 网格划分
• 5.2.4 接触及边界条件
• 5.2.5 求解
• 5.3 超弹性模拟结果
• 5.4 粘弹性模拟结果
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢