用于生物组织弹性模量测量的触觉传感器接触建模与实验研究

论文摘要

在微创手术中,触觉传感器可以将测得的生物组织信息,经处理分析后传递给医生,使得医生获得与真实生物组织接触相近的感觉,此技术不仅有助于医生判别生物组织是否发生病变,而且能够有效地优化手术方案,提高手术的安全性。本文在此背景下,设计一种用于测量生物组织弹性模量的触觉传感器。重点对传感器设计、传感器与生物组织间的接触机理、传感器的修正系数以及传感器实物实验展开研究。在阐述触觉传感器与生物组织间接触机理时,首先设计一种圆筒状触觉传感器,该传感器主要由一个刚性圆环、一个刚性接触圆盘、一根柔性弹簧和两个力传感器构成。其次假设接触面没有摩擦力,基于满足该边界值问题的Papkovich–Neuber一般解,运用Combination–of–Harmonics方法得到接触问题的线弹性解,最后求出生物组织弹性模量的表达式。在分析传感器的修正系数时,通过(47)定理对接触问题进行量纲分析,推导传感器修正系数与生物组织厚度间的无量纲函数关系。利用ABAQUS有限元仿真软件,建立接触模型。经过多次仿真后,得到无量纲函数的具体表达式。提出一种测量生物组织厚度的方案,从而能准确知道触觉传感器在测量不同厚度的生物组织时,所需要的修正系数的数值。在进行传感器模型实验时,制作触觉传感器实物,使用硅胶代替生物组织,搭建实验平台,设计实验方案,验证生物组织厚度和修正系数的测量准确性以及触觉传感器的性能。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
•   1.2 研究现状
•     1.2.1 触觉传感器的研究现状
•     1.2.2 触觉传感器接触机理的研究现状
•   1.3 研究内容
•   1.4 论文的结构安排
• 第二章 触觉传感器的设计与接触建模
•   2.1 引言
•   2.2 触觉传感器的设计
•   2.3 触觉传感器与生物组织接触模型解析
•     2.3.1 Four-part问题的边界条件
•     2.3.2 Papakovich-neuber通解
•     2.3.3 引入调和函数ψ
•     2.3.4 求解调和函数ψ
•   2.4 生物组织弹性模量表达式
•   2.5 本章小结
• 第三章 接触模型的量纲分析及有限元仿真
•   3.1 引言
•   3.2 量纲分析
•     3.2.1 量纲分析的基本概念
•     3.2.2 Π定理
•   3.3 传感器对生物组织压痕的量纲分析
•   3.4 ABAQUS有限元分析
•     3.4.1 ABAQUS有限元软件介绍
•     3.4.2 有限元模型建立
•     3.4.3 有限元结果分析
•   3.5 .无量纲函数的确定
•     3.5.1 无量纲函数拟合方程
•     3.5.2 无量纲函数拟合方程验证
•   3.6 本章小结
• 第四章 生物组织厚度测量模型
•   4.1 引言
•   4.2 整体思路
•   4.3 测量原理分析
•     4.3.1 模型接触问题量纲分析
•     4.3.2 有限元模型
•     4.3.3 有限元结果分析
• n数量关系'>    4.3.4 生物组织厚度与F_n数量关系
•   4.4 本章小结
• 第五章 触觉传感器实验研究
•   5.1 引言
•   5.2 实物模型制作
•     5.2.1 传感器模型的制作
•     5.2.2 硅胶模型的制作
•   5.3 生物组织厚度测量的实验验证
•     5.3.1 实验测量方法
•     5.3.2 生物组织厚度实验结果分析
•     5.3.3 修正系数实验结果分析
•   5.4 硅胶模型弹性模量测量的实验验证
•     5.4.1 测量硅胶模型弹性模量参考值的方法
•     5.4.2 实验结果分析
•   5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
•   6.1 主要研究工作总结
•   6.2 展望
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文
• 附录2 攻读硕士学位期间申请的专利
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴亚勇

导师: 申景金

关键词: 触觉传感器,弹性模量,接触机理,量纲分析,模型实验

来源: 南京邮电大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技,信息科技

专业: 生物学,生物医学工程,自动化技术

单位: 南京邮电大学

分类号: R318;TP212

DOI: 10.27251/d.cnki.gnjdc.2019.000097

总页数: 63

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