微创外科手术因其可以大大减小手术过程中所造成的损伤而受到广泛关注。外科手术仿真系统被认为类似于用教练机培训飞行员一样来用于培训外科医生,近年来已成为研究热点。而机器人微创手术技术和外科手术仿真系统的发展不仅需要了解外科手术过程中工具与组织相互作用时组织的变形特性,也需要对生物软组织在各种切割手术中的反应特性进行研究。“切割”作为外科手术的核心任务,研究生物软组织的切割特性及其切割机理,建立刀具与组织之间相互作用关系的精确模型对机器人微创手术和外科手术仿真系统的发展具有重要意义。基于此本论文对以猪主动脉壁为代表的生物软组织进行切割实验,对切割力进行了测量,并对生物软组织切割特性进行了分析。系统研究了切割参数对生物软组织切割过程的影响规律；从断裂力学角度对生物软组织切割过程进行分析,揭示生物软组织在切割过程中的断裂机理；根据能量平衡建立了生物软组织切割过程模型；采用有限元方法对生物软组织切割过程进行仿真,建立了生物软组织切割过程中刀具与组织相互作用的有限元模型。本文所做的工作主要包括：(1)阐述了主动脉壁组织成分及其结构特性,尤其是对主动脉壁中层组织单元的微观结构进行了详细介绍。分析了主动脉壁各组织成分的力学性能。开展了单向拉伸实验,对猪主动脉壁组织的力学性能进行了测试。分析了猪主动脉壁组织的应力-应变特性和应力松弛特性,测得了猪主动脉壁组织沿轴向和周向的拉伸极限应力强度。(2)搭建了一台生物软组织切割装置,以猪主动脉为生物软组织代表开展了大量的切割实验。对切割力进行实时测量,分析了生物软组织切割特性。研究了切割参数包括初始拉伸力、组织夹持距离、切割速度、刀具倾斜角度、刀刃圆弧半径、切割组织方向和组织厚度等对切割过程的影响规律,主要研究了切割参数对切割力和局部刚度的影响。初始拉伸力和组织夹持距离对切割力和局部刚度有着重要的影响,刀具倾斜角度和刀刃圆弧半径主要对破裂切割力有较大影响,而对破裂前组织的局部刚度则影响不大。切割速度对切割力和局部刚度都有影响,但在较小速度范围内,局部刚度受切割速度的影响不大。描述了在生物软组织切割过程中刀刃前组织所产生的皱起现象,研究了组织皱起现象对切割过程的影响,并分析了切割参数对组织皱起现象的影响。(3)从断裂力学角度对生物软组织切割过程进行了分析,研究了切割过程中,生物软组织的断裂机理,分析了切割参数对破裂切割能和组织破裂能的影响。根据能量平衡方法,利用切割实验计算了猪主动脉壁组织的断裂韧性,其值在800J/m2～1800J/m2范围内,并分析了不同切割条件下所消耗的非弹性应变能。(4)根据能量平衡对切割过程中各个阶段能量之间的转换关系进行了分析,并建立了各个切割阶段的切割力模型。在变形阶段,切割力表现为典型的非线性J型曲线关系,一个指数函数被用于拟合在变形阶段的切割力；在切割阶段,根据能量平衡方程建立了切割力的物理模型；而对于破裂阶段,由于时间非常短,切割力从破裂切割力直线减小。比较发现模型所得切割力能够很好地与实验所得切割力吻合,证明切割力模型是正确的。(5)对生物软组织切割过程进行仿真,建立了刀具与组织之间相互作用的有限元模型。选用Ogden模型作为猪主动脉组织的材料模型,采用反向求解法,将仿真所得的刀具与组织间的相互作用力与位移关系曲线与实验结果进行比较,求出材料模型参数。通过有限元模型获得在切割过程中,组织被切破时的破裂应力值及刀刃附近组织的应力分布。本文的研究成果有助于理解生物软组织切割特性和切割机理,有利于外科医生对切割手术过程的理解,为改进外科手术工具和改善手术情景提供理论指导。本文研究结果为机器人微创手术提供实验结果和理论依据,同时也为外科手术仿真系统提供实验数据和理论模型。