面向活检穿刺试验的明胶假体力学本构关系研究及穿刺参数优化

发布时间：2017-06-07 07:28

  本文关键词：面向活检穿刺试验的明胶假体力学本构关系研究及穿刺参数优化，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：细胞病理学检查是诊断癌症的主要方法,该检查首先需要获取目标器官的组织样本。由于具有花费低,创伤小,并发症少,愈合较快等优点,目前临床上提取组织标本的首选方法是穿刺活检法。 穿刺活检就是利用中空取样针刺入目标软组织,切下少量组织样本并保存在针芯空腔中一并取出的方法。在实际临床中,穿刺活检的取样精度及取样效率一直不尽如人意,往往需要取样多次才能获得较为理想的组织样本,造成这种问题的原因主要是穿刺过程中组织及活检针受相互作用力作用而产生变形。由此可见,行之有效的手段是通过对软组织及针尖进行研究,降低穿刺活检过程中针与组织的相互作用力,减少针与组织的变形,最终达到提高活检取样精度和效率的目的。 本文选定明胶假体作为穿刺对象,并对明胶假体的力学性能进行了试验测试及本构模型建模,并基于该假体进行了活检穿刺参数优化正交试验。 本文采用压痕试验测得小变形下明胶假体材料的压力时间曲线,通过公式计算出了Neo-hookean超弹性本构模型参数,在matlab软件中采用最小二乘法将该组数据与粘弹性本构模型进行拟合,获得了prony级数粘弹性本构模型参数,并进行了有限元仿真验证；采用单轴拉伸试验测得大变形下假体材料的应力应变曲线,获得了材料的破裂阈值,并在ABAQUS软件中通过拟合获得了4阶Ogden超弹性本构模型的参数。通过将获得的试验结果及本构模型参数与相关文献中生物软组织的测试结果进行比对,证实了明胶假体与生物软组织本构关系上的相似性。 由于有限元分析软件ABAQUS自带材料属性编辑器存在不足及盲点,本文通过将推导出的应力本构关系写入ABAQUS用户材料子程序VUMAT中,开发了软组织力学本构模型VUMAT子程序,并同ABAQUS自带的材料设定进行比对确定了子程序的准确性。该模型有利于下一步引入合适于软组织的失效准则,模拟整个活检穿刺过程。 采用力学性能相对稳定的明胶假体作为穿刺对象,减少了生物软组织力学性能差异对穿刺试验的影响。本文将进针速度、进针深度、针尖角度等因素作为影响因子设计实施了正交穿刺试验,以穿刺前后针尖偏差为评价指标,明确了不同因素对穿刺精度影响的主次顺序,并获得了最佳进针参数组合。
【关键词】：活检穿刺 明胶假体 力学本构 VUMAT 正交试验
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：R318.01
【目录】：

• 摘要11-13
• ABSTRACT13-15
• 第1章 绪论15-27
• 1.1 课题背景及意义15-18
• 1.1.1 课题背景15-18
• 1.1.2 课题意义18
• 1.2 国内外研究现状18-24
• 1.2.1 软组织假体在穿刺模拟试验的使用现状18-19
• 1.2.2 软组织力学性能研究19-22
• 1.2.3 ABAQUS的用户材料子程序开发22-23
• 1.2.4 活检穿刺参数优化研究23-24
• 1.3 本文主要研究内容24-27
• 第2章 软组织力学性能及其本构关系模型27-37
• 2.1 不均匀性、各向异性27
• 2.2 弹性27-28
• 2.3 超弹性28-31
• 2.3.1 N阶多项式模型29-30
• 2.3.2 N阶减缩多项式模型30
• 2.3.3 Ogden模型30-31
• 2.4 粘弹性31-35
• 2.4.1 Maxwell模型31-32
• 2.4.2 Kelvin模型32-33
• 2.4.3 三单元模型33-34
• 2.4.4 广义Maxwell模型34-35
• 2.5 本章小结35-37
• 第3章 明胶假体力学性能测试试验37-49
• 3.1 假体材料的选定37
• 3.2 明胶假体压痕试验37-45
• 3.2.1 试验设备38
• 3.2.2 试验过程38-39
• 3.2.3 试验数据处理与结果39-43
• 3.2.4 仿真验证43-45
• 3.3 明胶假体单轴拉伸试验45-48
• 3.3.1 试验设备45-46
• 3.3.2 试验过程46-47
• 3.3.3 试验数据处理与结果47-48
• 3.4 本章小结48-49
• 第4章 基于VUMAT的软组织力学本构模型子程序开发49-59
• 4.1 ABAQUS用户材料子程序介绍49-52
• 4.1.1 UMAT与VUMAT49
• 4.1.2 VUMAT子程序接口49-51
• 4.1.3 VUMAT中的变量51-52
• 4.2 Neo-Hookean超弹性本构的VUMAT描述52-55
• 4.2.1 Neo-Hookean超弹性材料的本构方程52-53
• 4.2.2 Neo-Hookean超弹性本构在VUMAT中的实现53-55
• 4.2.3 Neo-Hookean超弹性本构的仿真验证55
• 4.3 prony级数粘弹性本构的VUMAT描述55-57
• 4.3.1 prony级数粘弹性材料的本构方程55-56
• 4.3.2 prony级数粘弹性本构在VUMAT中的实现56-57
• 4.3.3 prony级数粘弹性本构的仿真验证57
• 4.4 本章小结57-59
• 第5章 穿刺活检参数优化正交试验59-67
• 5.1 正交试验设计59-61
• 5.2 正交穿刺试验及数据处理61-65
• 5.2.1 试验设备61-62
• 5.2.2 试验过程62-63
• 5.2.3 试验结果及分析63-65
• 5.3 本章小结65-67
• 结论67-69
• 参考文献69-75
• 致谢75-77
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文77-78
• 学位论文评阅及答辩情况表78

【参考文献】

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本文编号：428462