1、在微創(chuàng)手術過程中，生物組織的物理性質可通過觸覺傳感器進行測量，并被反饋給操作醫(yī)生。這些物理性質在手術過程的整體規(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皮導管介入微創(chuàng)修復手術為實際背景，重點對觸覺傳感器設計、心臟肌肉力學性質、及傳感器與心臟肌肉組織之間的接觸問題展開研究。
　　考慮到介入導管狹小的操作空間與復雜的工作環(huán)境，本文設計了一種與介入導管構型匹配的、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半徑不同的圓形壓阻式力傳感器和一個填充環(huán)。在原型實驗中，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，從而可對它們進行準確的識別。
　　在心臟跳動過程中，心房所經歷的變形較小，因此，可采用兩種線粘彈性模型–廣義Kelvin模型和分數階粘彈性模型–來描述心房肌肉組織的力學特性。這兩種模型各有其優(yōu)缺點，廣義Kelvin模型的物理意義明確，而分數階粘彈性模型的

3、應用范圍更廣。為得到與心房肌肉組織力學特性相關的實驗數據，通過動態(tài)機械分析實驗對心房肌肉組織的粘彈性特性進行測量。在此基礎上，利用遺傳算法辨識出廣義Kelvin模型和分數階粘彈性模型中的物質參數。通過對比實驗值與理論值，發(fā)現(xiàn)這兩種模型的預測結果均與實驗數據較好地吻合。
　　在對心室肌肉組織的力學特性進行分析時，基于連續(xù)介質力學中的不變量理論和心室肌肉組織的微觀結構，提出了一類正交各向異性、超粘彈性模型。在該超粘彈性中，通過引入內部

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

5、觸問題進行分別求解。其中，經典接觸力學可以用于對光滑接觸問題進行求解。首先，基于邊界值問題的Papkovich–Neuber一般解，運用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原理，把線彈性解轉化為線粘彈性解。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行分析。其最終分析結果表明，雖然傳感器能夠對心房肌肉組織的硬度信息進行測量，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。對摩擦接觸問題進行分析時，采用了有限元方法。在此分析過程中，提出了一種本構關系分解策略。在該分解策略中，廣義Kelvin模型被分解為若干經典Kelvin模型，從而可方便地進行有限元分析。摩擦模型是影響有限元接觸分析收斂性的一個重要因素，本文采用基于接觸面微觀結構的非關聯(lián)彈塑性摩擦模型。最終的摩擦接觸分析結果表明，摩擦力延遲了心房肌肉組織與小力傳感器發(fā)生接觸的時間，但對傳感器與心房肌肉組織之間的整

7、個接觸過程產生的影響較小。
　　在心臟跳動過程中，心室所經歷的變形較大，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。為提高計算效率，通過擬光滑Newton計算策略對積分弱形式進行求解。傳感器與心室肌肉組織之間接觸的分析結果表明，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