基于生物软组织结构分层切割特性的实验与理论研究

In recent years,the study on biological soft tissue cutting becomes a new research field, which can be applied in surgery. Based on the current research situation of biological soft tissue cutting mechanism,this project is further proposed to systematically investigate cutting characteristics of tissue layers with different structures. The cutting mechanism of biological soft tissue will be further revealed by studying the mechanical properties and cutting characteristics of the tissue compositions, single-layer with the same structure, multi-layers with different structures and different soft tissues. The project will focus on: (1) the mechanical properties and cutting characteristics of biological soft tissue compositions, single-layer soft tissue, multi-layers soft tissue and different soft tissue organs;(2) the effect and optimization of cutting parameters on biological soft tissues and (3) biological soft tissue damage mechanism in soft tissue cutting, including evaluation methods for tissue damage, effect of cutting parameters on tissue damage and the characteristics of cutting damage in multi-layer soft tissues. The achievements from the project will build up a theoretical foundation for some new surgical techniques, such as the robotic minimally invasive surgery, surgical simulation system, and etc.

近年来，以外科手术为应用背景的生物软组织切割成为一个新的研究领域，基于目前只是对生物软组织器官整体切割特性及切割机理研究的现状，本课题提出基于生物软组织结构分层切割特性研究，对生物软组织主要组织成分、结构相同的单层软组织、结构不同的多层软组织及不同生物软组织切割特性进行系统研究，更加深入地揭示生物软组织切割机理。课题将重点探讨：（1）单个组织成分、单层软组织、多层软组织及不同软组织器官的力学性能和切割特性，揭示生物软组织成分及其结构对组织的力学性能和切割特性的影响；（2）切割参数对生物软组织切割过程的影响规律及生物软组织切割参数优化；（3）生物软组织切割损伤机理，包括生物软组织切割损伤评价机制、切割参数对组织切割损伤的影响规律及切割多层软组织时不同层组织切割损伤特性等。项目成果将为一些新的外科手术技术如机器人微创手术和外科手术仿真系统等的发展提供基础理论依据。

选取三种典型的生物软组织：胶原体含量高的肌腱、弹性体含量较高的动脉管和平滑肌含量较高的胃肌层，对其组织成分和结构进行了深入的分析，并开展了相应的力学性能实验，比较了这三种典型生物软组织的力学性能，揭示了生物软组织成分对力学性能的影响。自行搭建了一台生物软组织切割装置，并对这三种典型生物软组织开展切割实验，从切割力、组织变形、切割能和局部刚度等角度对三种典型生物软组织的切割特性进行研究，揭示了生物软组织成分对切割特性的影响规律；从能量角度对生物软组织切割过程进行了分析，建立了生物软组织切割力模型，并采用三种典型生物软组织切割力实验验证了该模型的正确性。对生物软组织机械应力损伤机理进行了理论分析，并针对外科手术过程中防止夹钳夹伤软组织而设计了一种压电式测力和组织夹伤报警的外科手术夹钳和一种应变片式测力和组织夹伤报警的外科手术夹钳。