CN113281172B - 一种气管组织各向异性力学特性模型的建立方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于气管组织各向异性力学特性模型技术领域，具体涉及一种气管组织各向异性力学特性模型的建立方法，包括如下步骤：S1：选取样本，对样本进行合理的处理、解剖及分割，针对气管组织构成、各向异性特性以及力学性能参数制作不同角度的气管样本；S2：制定单轴拉伸实验的方案和步骤，采集不同角度样本的力学性能参数，获取气管组织的应力‑应变曲线；S3：根据上述所得参数作为输入，假设气管是不可压缩材料，搭建以Monney‑Rivilin模型的应变能密度函数为基础的不同角度的气管组织力学特性的本构模型；S4：获取各角度的气管本构模型方程在Origin中非线性拟合参数，对气管组织力学特性模型进行仿真验证。

Description

一种气管组织各向异性力学特性模型的建立方法
技术领域
本发明属于气管组织各向异性力学特性模型技术领域，具体涉及一种气管组织各向异性力学特性模型的建立方法。
背景技术
如今，在支气管镜手术过程中，手术质量常常受到医生技术水平和支气管镜导管管径的限制。由于气管环境复杂，且在诊疗过程中支气管镜需要医生手动送入气管，这对医生的经验和手法要求较高，即使有着视觉图像的辅助，手动的误差仍会使得导管前端与气管管壁误触，引起患者产生刺激性咳嗽等不适症状，甚至会使导管触碰气管组织粘膜时导致粘膜损伤，且术后可能会严重导致患者产生心脏骤停等意外情况发生。因此，支气管镜等手术器械与气管内部的多角度接触作用问题，一直普遍存在于介入治疗当中。另外，在患者的临床治疗中，现有的气管组织的各向异向及气管力学的研究尚不能较为全面地评价气管的力学性能，术中也缺少精准的数据反馈，无法对患者术后康复和护理提供科学帮助，以气管生物力学为基础的医疗产品开发、表面仿生结构、3D打印技术以及人工气管修复方面，都亟需一个有效完整的气管力学模型作为相关试验的理论基础。
发明内容
为了解决现有的气管组织的各向异向及气管力学的研究尚不能较为全面地评价气管的力学性能，术中也缺少精准的数据反馈以及无法对患者术后康复和护理提供科学帮助等问题，本发明公开了一种气管组织各向异性力学特性模型的建立方法，提供了一个有效完整的气管力学模型作为相关试验的理论基础，且对以气管生物力学为基础的医疗产品开发、表面仿生结构、3D打印技术以及人工气管修复方面提供了一个有效分析工具。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种气管组织各向异性力学特性模型的建立方法，包括如下步骤：
S1：选取样本，对样本进行合理的处理、解剖及分割，针对气管组织构成、各向异性特性以及力学性能参数制作不同角度的气管样本；
S2：制定单轴拉伸实验的方案和步骤，采集不同角度样本的力学性能参数，获取气管组织的应力-应变曲线；
S3：根据上述所得参数作为输入，假设气管是不可压缩材料，搭建以Monney-Rivilin模型的应变能密度函数为基础的不同角度的气管组织力学特性的本构模型；
S4：获取各角度的气管本构模型方程在Origin中非线性拟合参数，对气管组织力学特性模型进行仿真验证。
作为优选，上述S1具体为：采用手术剪刀将新鲜猪肺气管沿轴向剪开，展开成长方形；以气管组织水平方向作为0°，利用量角器沿着气管逆时针方向分别测量30°、60°、90°、120°、150°和180°6个不同方向；利用手术剪刀将不同角度的气管样本依次剪开，制作出6个不同方向的气管样本。
作为优选，上述S2具体为：
S21：将步骤S1中不同角度的气管样本的两端缠上纱布固定在单轴拉伸试验机夹具两端；
S22：测量气管样本的厚度和试验机夹具上下两端的距离，通过单轴拉伸试验机的人机交互界面设定相关试验样本参数，启动单轴拉伸试验机以10mm/min应变率开始单轴拉伸试验，此时，计算机输出相关力学数据；
S23：当气管样本拉伸到所获曲线的所设目标状态或者拉断时，拉伸试验机停止工作，获得相关试验数据。
作为优选，上述S3中的应变能密度函数为：
W＝W(I1,I2,I3)
Figure BDA0003135365630000021
其中，I1,I2,I3分别为软组织变形张量的第一、第二、第三基本不变量；λ1,λ2,λ3分别为3个主伸长率。
作为优选，上述S3中的本构模型的方程为：
Figure BDA0003135365630000022
其中，σ1为主应力；C01和C10为Mooney-Rivilin本构模型的材料参数；ε1为主轴方向应变。
作为优选，上述S4具体为：根据得出的气管本构模型方程在Origin中进行非线性拟合，通过对真实拉伸试验数据的非线性拟合，得出猪气管两个级别的Monney-Rivilin本构模型拟合参数。
作为优选，考虑气管物理单轴拉伸试验过程中，由于试验场地与试验仪器的制约，气管拉伸试验参数存在一定的误差，利用有限元仿真软件ABAQUS来验证Mooney-Rivilin本构模型材料参数描述气管变形的方法，来验证该气管组织各向异性力学特性模型的可行性。
作为优选，上述S22在试验过程中，需要不断向气管样本喷洒生理盐水，以保持气管样本湿润环境。
本发明具有如下的有益效果：
本发明的气管组织各向异性力学特性模型的建立方法，提供了一个有效完整的气管力学模型作为相关试验的理论基础，且对以气管生物力学为基础的医疗产品开发、表面仿生结构、3D打印技术以及人工气管修复方面提供了一个有效分析工具，有效解决了现有的气管组织的各向异向及气管力学的研究尚不能较为全面地评价气管的力学性能，术中也缺少精准的数据反馈以及无法对患者术后康复和护理提供科学帮助等问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明气管组织各向异性力学特性模型建立方法的流程图；
图2是本发明气管组织样本制作方法示意图；
图3是本发明不同角度的气管组织样本的载荷-变形曲线；
图4是本发明气管组织样本单轴拉伸实验流程图；
图5是本发明气管组织样本单轴拉伸试验图(初始固定状态和拉伸断裂状态)；
图6是本发明主气管和一级支气管的6个不同角度样本的应力-应变曲线；
图7是ABAQUS仿真等效应力应变分布云图。
具体实施方式
现在结合实施例对本发明作进一步详细的说明。
一种气管组织各向异性力学特性模型的建立方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1：选取样本，对样本进行合理的处理、解剖及分割，针对气管组织构成、各向异性特性以及力学性能参数制作不同角度的气管样本，具体为：
S11：在-15℃的冷冻箱中取出保持完整生物活性的成年离体猪肺气管，在室温下进行解冻，解冻完成后，在AIRTECH VD-650U(水平)桌上型洁净工作台上利用手术刀片、镊子、剪刀等装置将猪肺气管外部结缔组织剔除，并保证气管膜部完好，将剥离好的气管组织浸泡于生理盐水中；
S12：对上述处理过后的猪离体气管组织进行拉伸试验标本制作，制作方法如图2所示，采用手术剪刀将新鲜猪肺气管沿着轴向进行剪开，展开成长方形；以气管组织水平方向作为0°，利用量角器沿着气管逆时针方向分别测量30°、60°、90°、120°、150°和180°6个不同方向；利用手术剪刀将不同角度的气管组织样本依次剪开，制作出6个不同方向的样本，如图2所示。将气管试验组织尺寸大体控制为表1所示数据。由于标本厚度依赖于气管自身壁厚，因此以气管组织样本长度方向作为物理单轴拉伸试验的测试方向。
表1气管标本平均尺寸
参数(mm) 长 宽 高
主气管 30.21±0.50 20.12±0.20 2.25±0.10
一级支气管 20.20±0.20 10.21±0.50 1.75±0.10
S2：制定单轴拉伸实验的方案和步骤，采集不同角度样本的力学性能参数，获取气管组织的应力-应变曲线，试验流程如图4所示，过程如下：
试验中采用的单轴拉伸试验机型号为Byes3003，量程为3000N。由于猪气管具有生物组织力学特性，需要对拉伸试验机进行预调整才能得到真实气管载荷曲线，因此在进行单轴拉伸试验之前要进行预调试验，设置试验机加载速度为0.05mm/s，位移达到0.50mm再卸载，如此循环4次，预调阶段的载荷位移曲线如图3所示。由图3可知，随着循环次数的增加，加载曲线与卸载曲线之间差别越来越小，第3次和第4次的加载曲线与卸载曲线差别很小，因此认为在4次位移加载和卸载后，气管的载荷-变形曲线趋于稳定。
S21：将步骤S1中不同角度的气管样本的两端缠上纱布固定在单轴拉伸试验机夹具两端，纱布的作用是防止试验过程中试验样本出现打滑现象；
S22：测量气管样本的厚度和试验机夹具上下两端的距离，通过单轴拉伸试验机的人机交互界面设定相关试验样本参数，启动单轴拉伸试验机以10mm/min应变率开始单轴拉伸试验，此时，计算机输出相关力学数据，在试验过程中，需要不断向气管样本喷洒生理盐水，以保持气管样本湿润环境；
S23：当气管样本拉伸到所获曲线的所设目标状态或者拉断时，拉伸试验机停止工作，获得相关试验数据。
采用上述方法将所有样本测试完毕后，整理相关试验参数。
对气管组织标本的单轴拉伸试验装置如图5所示。
在试验过程中，如图6所示，气管和一级支气管在加载速率为10mm/min时的应力-应变曲线上没有直线部分，说明气管组织不服从虎克定律，这一性质与血管、皮肤等软组织相似，且气管标本具有典型的粘弹性特性。由于气管组织中含有大量的胶原纤维与弹性纤维，在刚开始拉伸阶段，气管发生微小形变，气管组织内部的弹性纤维开始伸张，来抵抗气管组织变形，此时，气管内部的胶原纤维仍处于松弛状态；在气管发生中等程度变形时，气管内部的弹性纤维逐渐被拉伸，此时，气管内部的胶原纤维开始被拉伸；在气管发生较大程度变形时，此阶段气管组织内部的弹性纤维以及胶原纤维都被拉直，再继续增加拉伸位移时，气管组织内部纤维束开始发生断裂，应力-应变曲线呈现锯齿状，最终随着试验的位移进一步增大，测试气管样本开始发生断裂。在同一加载速率下，不同角度的6个样本应力-应变曲线有着明显的差异，但是仍呈现一定的变化趋势。在气管中，角度为30°、150°和120°的气管应力变化在1-1.5MPa范围内；角度为60°和90°的气管应力变化在0.5-1MPa范围内；角度为180°的气管应力峰值最大。在一级支气管中，角度为30°、60°和150°的一级支气管应力变化在0.8-1MPa范围内；角度为90°和180°的一级支气管应力变化在1.4-1.8MPa范围内；角度为120°的一级支气管应力变化在0.4-0.6MPa范围内。虽然角度30°和150°、60°和120°在结构上是对称的，但是表现出来的材料力学性能是不对称的，这些规律明确表明猪气管材料具有明显的各向异性特性。
S3：根据上述所得参数作为输入，假设气管是不可压缩材料，搭建以Monney-Rivilin模型的应变能密度函数为基础的不同角度的气管组织力学特性的本构模型。
应变能密度函数为：
W＝W(I1,I2,I3)
Figure BDA0003135365630000051
其中，I1,I2,I3分别为软组织变形张量的第一、第二、第三基本不变量；λ1,λ2,λ3分别为3个主伸长率。
根据步骤S2所得的应力应变关系，基于Monney-Rivilin模型的应变能密度函数，考虑计算精度中误差的影响，构建一阶多项式本构模型：
Figure BDA0003135365630000052
其中，σ1为主应力；C01和C10为Mooney-Rivilin本构模型的材料参数；ε1为主轴方向应变。
S4：获取各角度的气管本构模型方程在Origin中非线性拟合参数，对气管组织力学特性模型进行仿真验证，通过对真实拉伸试验数据的非线性拟合，可以得出猪气管两个级别的Monney-Rivilin本构模型拟合参数。
考虑气管物理单轴拉伸试验过程中，由于试验场地与试验仪器的制约，气管拉伸试验参数存在一定的误差，利用有限元仿真软件ABAQUS来验证Mooney-Rivilin本构模型材料参数描述气管变形的方法，来验证该气管组织各向异性力学特性模型的可行性。
在有限元仿真软件ABAQUS中建立长方体来模拟不同角度气管，仿真过程中，气管相关尺寸均采用真实物理试验所测得的数据；对气管有限元模型进行相关材料参数的赋值，创建气管组织材料时设定密度为0.4143g/cm3，分别将上述所得的不同角度的本构模型材料参数赋予到气管组织中并创建分析。对气管组织模型创建截面属性，接下来对气管组织有限元仿真模型进行边界条件的设定，为了与真实物理单轴拉伸试验一致，将气管组织有限元仿真模型上端固定，模拟真实单轴拉伸试验，在气管组织有限元仿真模型下端添加位移载荷，由于在真实支气管镜术介入诊疗时，气管不会达到大应变的阶段，因此，本发明主要研究气管发生低形变时的阶段，即拉伸为原长的35％时的位移伸长量，使气管模型下端向下移动。对气管组织有限元仿真模型进行网格的划分，之后提交分析，计算气管模型不同级别、不同角度气管单轴拉伸试验，得到ABAQUS仿真等效应力应变分布云图，如图7所示(图7中云图是将彩色云图调整为灰度显示)。
通过仿真试验得到的气管组织应力应变曲线与真实拉伸试验的气管组织应力应变曲线进行对比，即可判断该气管组织各向异性力学特性一阶多项式本构模型的可行性。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种气管组织各向异性力学特性模型的建立方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：选取样本，对样本进行合理的处理、解剖及分割，针对气管组织构成、各向异性特性以及力学性能参数制作不同角度的气管样本；
S2：制定单轴拉伸实验的方案和步骤，采集不同角度样本的力学性能参数，获取气管组织的应力-应变曲线；
S3：根据上述所得参数作为输入，假设气管是不可压缩材料，搭建以Monney-Rivilin模型的应变能密度函数为基础的不同角度的气管组织力学特性的本构模型；
S4：获取各角度的气管本构模型方程在Origin中非线性拟合参数，对气管组织力学特性模型进行仿真验证；
所述S3中的本构模型的方程为：
Figure FDA0003318725420000011
其中，σ1为主应力；C01和C10为Mooney-Rivilin本构模型的材料参数；ε1为主轴方向应变。
2.如权利要求1所述的气管组织各向异性力学特性模型的建立方法，其特征在于：所述S1具体为：采用手术剪刀将新鲜猪肺气管沿轴向剪开，展开成长方形；以气管组织水平方向作为0°，利用量角器沿着气管逆时针方向分别测量30°、60°、90°、120°、150°和180°6个不同方向；利用手术剪刀将不同角度的气管样本依次剪开，制作出6个不同方向的气管样本。
3.如权利要求1所述的气管组织各向异性力学特性模型的建立方法，其特征在于：所述S2具体为：
S21：将步骤S1中不同角度的气管样本的两端缠上纱布固定在单轴拉伸试验机夹具两端；
S22：测量气管样本的厚度和试验机夹具上下两端的距离，通过单轴拉伸试验机的人机交互界面设定相关试验样本参数，启动单轴拉伸试验机以10mm/min应变率开始单轴拉伸试验，此时，计算机输出相关力学数据；
S23：当气管样本拉伸到所获曲线的所设目标状态或者拉断时，拉伸试验机停止工作，获得相关试验数据。
4.如权利要求1所述的气管组织各向异性力学特性模型的建立方法，其特征在于：所述S3中的应变能密度函数为：
W＝W(I1,I2,I3)
Figure FDA0003318725420000021
其中，I1,I2,I3分别为软组织变形张量的第一、第二、第三基本不变量；λ1,λ2,λ3分别为3个主伸长率。
5.如权利要求1所述的气管组织各向异性力学特性模型的建立方法，其特征在于：所述S4具体为：根据得出的气管本构模型方程在Origin中进行非线性拟合，通过对真实拉伸试验数据的非线性拟合，得出猪气管两个级别的Monney-Rivilin本构模型拟合参数。
6.如权利要求5所述的气管组织各向异性力学特性模型的建立方法，其特征在于：考虑气管物理单轴拉伸试验过程中，由于试验场地与试验仪器的制约，气管拉伸试验参数存在一定的误差，利用有限元仿真软件ABAQUS来验证Mooney-Rivilin本构模型材料参数描述气管变形的方法，来验证该气管组织各向异性力学特性模型的可行性。
7.如权利要求3所述的气管组织各向异性力学特性模型的建立方法，其特征在于：所述S22在试验过程中，需要不断向气管样本喷洒生理盐水，以保持气管样本湿润环境。
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