医用射流分离技术将水射流技术与医学工程结合应用于外科手术中,临床实践表明其具有精细分离、切口平整、视野清晰、出血量小等显著优势。基于上述优势,作为构建精准外科手术体系的渠道之一,医用射流技术正面临着智能化精细化的挑战。然而,目前高速射流冲击软组织的作用机理和动态演化机制尚处空白,在医用临床需求与射流分离装备之间还缺少紧密连接应用需求和装备特性的理论研究、试验分析手段和优化路径。本文着手于微小尺度射流动力分布特点和生物软组织力学响应特征,通过理论分析、试验设计、观测判别、数值分析、指标量化等方法研究了高速微小尺度射流冲击分离生物软组织机理,构建了基于直驱泵的医用射流分离软组织试验平台,揭示了分离过程中射流动力在软组织内的作用机制,建立了冲击过程数值分析理论与方法,形成了面向临床指标的评价体系和优化调节路径,主要研究内容和成果如下:(1)针对射流冲击破坏软组织的作用机理和医用射流动力参数的基本约束条件,研究了微小尺度射流的动力传递及分布规律,建立了临床操作下的微小尺度射流发生装置出口参数的基本约束,分析了软组织分离过程中典型受力变化阶段及临界断裂力阈值,提出了射流破坏软组织具有临床优势的生物力学解释,基于软组织动态变形特征构建了射流破坏软组织过程的动态力学交互作用模型,建立了射流冲击软组织的能量转换模型并结合动量守恒关系开展了水射流冲击软组织后的喷溅行为研究。结果表明:软组织变形角达到0.4466π时,射流水锤作用区域半径最大,为整个射流断面,而这一过大的临界值使得水锤作用区间几乎不可能覆盖整个射流断面;提高射流冲击速度和射流直径能够延长水锤作用时间,使得水锤作用范围更接近射流断面直径;射流与软组织冲击后的喷溅范围与射流冲击速度有关外,既与软组织的表面切线夹角有关也与射流入射角有关。(2)针对医用射流分离软组织试验观测需求,进行了直驱式射流泵以及射流喷嘴的结构和控制方案设计,形成了医用射流分离离体软组织观测平台,验证了射流发生装置出口参数的匹配性,通过大冲击速率下生物材料压缩、拉伸、压痕力学试验,确定了能够覆盖猪肝力学特性的明胶试样配制方法。结果表明:圆锥形喷嘴能量转换效率高于圆柱形喷嘴,相同压力下的能量损失小,且压力稳定性好;试验台形成的高速射流初始段长度小于14 mm,在这一范围的冲击距离调节范围符合临床应用需求;在8%、10%和12%三种质量分数的明胶配置比例下,能够一定程度覆盖猪肝和明胶两者材料间的力学行为差异。(3)为了数值化再现软组织在高速射流冲击下响应过程,基于光滑粒子流体动力学(SPH)—有限元(FEM)数值计算方法建立了微小尺度射流冲击明胶的分离计算模型,得到了形成分离效果的冲击压力控制区间;以垂直冲击、倾斜侵入和移动破坏三种临床操作模式比较了软组织的应力应变分布和分离效率。结果表明:射流垂直冲击时应力不断沿轴向和径向传递,应力集中范围呈纺锤形,射流动力产生径向作用形成了更大的应力径向集中范围;倾斜侵入过程具有的水平动量分量使得冲击对象破坏的径向范围更广;射流移动冲击时,随着射流移动速度的提高破坏深度减小,分离面长度稍有增大,但破坏深度减小的比例低于移动速度增加的比例。(4)为了探明软组织分离效果的动静态变化规律,验证数值计算方法的准确性,试验分析了冲击压力、冲击距离和移动速度与静态分离效率的关系,研究了高速射流冲击破坏明胶的动态分离效率,推演了分离过程中射流动力的演化规律及其对分离效果的作用机制,提出了软组织在高速射流冲击下的动态变形典型过程,基于RBF神经网络和相邻平均法预测还原并提取量化了弹性势能存储和释放频率与幅值,为软组织分离过程中动态变形过程量化评价研究建立了理论基础。结果表明:不同软组织的最佳分离压力区间存在差异;冲击距离对分离效率的影响较小;冲击分离深度是动态波动的,这一波动过程中软组织弹性势能交替存储和释放;相同冲击条件下弹性模量小的组织在冲击分离时的弹性势能存储和释放过程更剧烈,其分离过程对射流动能的利用率更低。(5)面向临床实际操作中的关注,基于软组织行为响应的数值模拟和分离效率观测结果,提出了对应射流分离软组织的临床评价指标和非测量指征量化方法,建立了临床指标多目标优化模型,开展了临床应用动态调节主因素分析。结果表明:在临床涉及范围内,临床指标动态优化过程中冲击压力是主要因素,冲击距离和移动速度是次要因素,不同调节需求下应当采用不同的调节路径。该论文有图84幅,表14个,参考文献165篇。