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(guò)程中，生物組織的物理性質(zhì)可通過(guò)觸覺(jué)傳感器進(jìn)行測(cè)量，并被反饋給操作醫(yī)生。這些物理性質(zhì)在手術(shù)過(guò)程的整體規(guī)劃與具體操作中都起到重要作用。目前，對(duì)這類醫(yī)療觸覺(jué)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(duì)觸覺(jué)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(wèn)題展開(kāi)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(jué)傳感器。該觸覺(jué)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(jué)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(jí)，從而可對(duì)它們進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別。
　　在心臟跳動(dòng)過(guò)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(lái)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(guò)動(dòng)態(tài)機(jī)械分析實(shí)驗(yàn)對(duì)心房肌肉組織的粘彈性特性進(jìn)行測(cè)量。在此基礎(chǔ)上，利用遺傳算法辨識(shí)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(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)值與理論值，發(fā)現(xiàn)這兩種模型的預(yù)測(cè)結(jié)果均與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較好地吻合。
　　在對(duì)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(guò)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(jiǎn)單剪切變形的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用遺傳算法辨識(shí)出超粘彈性模型中的物質(zhì)參數(shù)。在此基礎(chǔ)上，分別對(duì)心室圓桶模型和心室軸對(duì)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(cè)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(duì)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(duì)它們之間的光滑接觸問(wèn)題和摩擦接

5、觸問(wèn)題進(jìn)行分別求解。其中，經(jīng)典接觸力學(xué)可以用于對(duì)光滑接觸問(wèn)題進(jìn)行求解。首先，基于邊界值問(wèn)題的Papkovich–Neuber一般解，運(yùn)用Combination–of–Harmonics方法得到光滑接觸問(wèn)題的線彈性解。然后，通過(guò)粘彈性與彈性的對(duì)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(jué)傳感器與心房肌肉組織之間的接觸過(guò)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(cè)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(duì)摩擦接觸問(wèn)題進(jìn)行分析時(shí)，采用了有限元方法。在此分析過(guò)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(duì)傳感器與心房肌肉組織之間的整

7、個(gè)接觸過(guò)程產(chǎn)生的影響較小。
　　在心臟跳動(dòng)過(guò)程中，心室所經(jīng)歷的變形較大，所以通過(guò)大變形接觸有限元算法對(duì)傳感器與心室肌肉組織之間的接觸問(wèn)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(wèn)題的積分弱形式。為提高計(jì)算效率，通過(guò)擬光滑Newton計(jì)算策略對(duì)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(duì)傳感器與心室肌肉組織之間的接觸過(guò)程影