用于心脏微创手术的触觉传感器与接触模型研究

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1、中图分类号：TP212.3论文编号：102870515-S099学科分类号：080202硕士学位论文用于心脏微创手术的触觉传感器与接触模型研究研究生姓名吕根波学科、专业机械电子工程研究方向传感器技术指导教师李成刚副教授南京航空航天大学研究生院机电学院二О一五年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMechanicalandElectricalEngineeringResearchonTactileSensorandContactModelforMinimallyI

2、nvasiveCardiacSurgeryAThesisinMechanicalandElectricalEngineeringbyLüGen-boAdvisedbyAssociateProf.LiCheng-gangSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch，2015承诺书本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对

3、本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的学位论文在解密后适用本承诺书)作者签名：日期：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

4、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

5、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

6、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。关键词：触觉传感器，接触模型，剪切模量，蠕变柔量，松弛模量iABSTRACTBecauseoftheadvantagessuchasminimaltrauma,lowerriskofpost-operationinfectionandreducedrecoverytime,MinimallyInvasiceSugery(MIS)hasgotincreasinglyattentioninclinicalmedicalpractice.Themedicalprocedureswerechangedandtheleve

7、lofmedicalwasimprovedgraduallybythedevelopmentofMIS.However,whentheMISwasperformedbythesurgeons,lackoftactileinformationmaycauselargerdamageonhealthytissueorevenmoreseriousmedicalerrors.So,thelackoftactileinformatinisthebiggestobstacleforthedevelopmentofMIS.Inthispaper,th