经自然腔道内镜手术以及胃肠镜诊疗均是将最新的工程技术与医学技术相结合的前沿科学技术。在此类手术过程中,医生通过操纵手术器械来使其经由口腔、食管、胃或结(直)肠等自然腔道进入腹腔或胸腔等各种体腔,借助实时的2D图像完成对器官或组织的探查、夹持、牵引、缝合和切除等操作。由于绝大多数此类微创手术器械缺乏传感装置,使得医生无法精确感知手术器械与软组织之间的接触、摩擦和夹持作用,致使器械入路时过大的推力或操作时过大的夹持力引起组织损伤,从而导致各种术后并发症。本文利用试验研究、病理性分析和细胞形态分析相结合的方法,研究了经自然腔道器械入路及夹持操作时器械-组织的交互作用行为,探索了力学参数、润滑介质和器械构型等因素对兔肝脏和肠道组织力学特性和损伤机制的影响,通过建立病理性评分系统来定量评价肝脏和肠道组织的损伤程度,提出了避免兔肝脏和肠道组织发生严重损伤的安全操作参数阈值。取得的主要结论如下:通过模拟胃肠镜器械通过自然腔道的方式,研究了不同法向载荷、滑动速度和润滑条件下器械对活体兔小肠和大肠组织的摩擦特性和损伤响应的影响。结果表明:经过摩擦作用后这些组织出现充血、出血、弹性纤维和胶原纤维破坏以及F-肌动蛋白和α-微管蛋白损伤,这与力学参数和润滑状态的变化有关。随着法向载荷的增加,内镜先端部外管前方累积了较多的变形,导致最大静摩擦力和摩擦系数值增大,加剧了肠道组织的损伤程度;随着滑动速度的增加,弹性变形能增大,使摩擦系数和损伤程度均呈增长趋势;当分别加入生理盐水、透明质酸和小牛血清润滑介质时,所测组织粘膜表面的润湿性依次增强,从而使加载过程中的组织弹性变形量依次减少,并引起滑移前的位移和弹性变形累积量同时减少,最终使最大静摩擦力、摩擦系数和组织损伤程度依次减小。对于兔小肠和大肠组织,法向载荷的安全阈值为0.2 N,滑动速度的安全阈值为0.2 mm/s;与生理盐水相比,小牛血清和透明质酸在减少摩擦和预防损伤方面具有较好的效果。通过模拟腹腔镜夹钳夹持实体器官和管状器官组织的方式,探索了不同夹持参数对兔肝脏等实体器官组织以及小肠和大肠等管状器官组织的损伤程度的影响。结果表明:受压缩后所测组织中均出现炎性细胞浸润、充血和出血等损伤;此外,实体器官组织中还出现表皮破裂等损伤,而管状器官中则出现浆膜层和肌肉层之间的撕裂以及粘膜的破坏等损伤。随着夹持速度、夹持力和时间的增加,这些组织的应变,即变形量均增加,引起组织的损伤程度加重,从而导致组织的粘弹性减弱。针对每种组织,均存在可以避免其产生严重夹持损伤的安全参数阈值。利用试验研究、有限元模拟和病理性分析相结合的方法,定量评估了四种不同构型的夹钳在夹持肝脏、小肠和大肠等软组织过程中的安全性。结果表明:组织中产生应力集中的区域和组织中损伤最严重的部位均出现在与钳头边缘接触的位置;增加钳头边缘倒角曲率半径和齿顶弧度,均可以减小组织内的应力集中及变形量,减轻夹持时组织的损伤程度,由此提出了可以实现安全操作的夹钳构型设计理念。本文深入探索了软组织在手术器械摩擦与夹持作用下的损伤机制,不仅可以为临床上组织损伤的防治提供一定的理论依据和基础数据,而且有利于丰富机械应力刺激下组织损伤的理论研究,进而改善经自然腔道内镜手术等微创手术的效率,提高此类手术的安全性。