正中胸骨切开术是开放性心脏手术的标准入路方式,目前的手术存在切口界面力损伤大、骨组织难愈合等问题。本文结合临床需求,对胸骨锯切力展开了仿真与实验研究,主要内容和结论如下:针对胸骨各向异性粘弹性生物复合组织结构特征,建立基于骨单元增强的骨组织复合本构力学物理模型。利用ABAQUS的VUMAT子程序进行二次开发,对骨组织复合材料进行宏观整体建模,子程序中包含了骨正交各向异性材料的本构模型、应力应变关系、应力更新和刚度退化、损伤起始和失效判据、单元删除等,采用渐进式损伤分析方法,克服了骨切削仿真弹塑性本构模型的局限,解决了骨切削仿真中材料单元的过度畸变导致的收敛性问题。基于上述骨组织本构模型,采用有限元方法模拟了胸骨锯切的三维动态仿真过程,系统研究了胸骨组织锯切机理。仿真分析发现骨锯切过程中材料破坏主要变现为弹脆性断裂,塑性变形很小,切屑形态为蹦碎切屑。锯切三向分力中锯切抗力远远大于进给抗力和侧向力。骨单元的存在对骨组织强度具有增强作用,当锯切方向和骨单元夹角接近90°时,锯切力最大。锯切深度的增加使得同时参与锯切的齿数增加,锯切力显著增大。设计了胸骨锯切实验,实验和仿真结果的变化趋势大致吻合,验证了仿真模型的有效性。实验结果发现锯切频率是影响锯切力大小的主要因素。当锯切频率较小时,锯切力的变化不明显,当锯切频率大于8000次/min时,锯切力随着锯切频率的增加而逐渐增大。进给速度对锯切抗力的影响较小,进给抗力随进给速度的增大有增加趋势,且过大的进给速度会使胸骨锯发生颤振。胸骨锯切的最佳进程参数是进给速度约为1.2 mm/s,锯切频率在6000～7000次/min,此时对骨组织的力学损伤小而又不影响手术效率。上述研究工作构建胸骨仿真模型并系统揭示了胸骨锯切参数对锯切力的影响规律,为胸骨开胸手术中医生合理操作以减少胸骨力损伤提供了科学的理论依据。