随着影像学、计算机学和机器人学等领域的快速发展,计算机辅助医学技术日趋成熟。生物软组织的理论建模和仿真实现是计算机医学技术的基础,可为计算机辅助手术规划、修复材料选型等提供必需的理论支撑。然而,软组织力学响应涉及各向异性超弹性和粘弹性形变,且与其高度复杂的微观结构密切相关,建立精准且合理的软组织生物力学模型存在巨大挑战。本论文选取肝脏和巩膜两类典型软组织,采用理论推导、数值模拟和实验分析相结合的方法,深入探究了两种组织超弹性本构建模方法和力学响应规律。当前,软组织响应理论分析和数值模拟时,多被视为近似不可压缩或完全不可压缩材料,但软组织可压缩性的实验研究和理论分析尚不充分。基于此,论文第二章采用实验测试和理论分析相结合,研究了离体猪肝脏组织的体积近似可压缩性,建立了软组织体积压缩特性的定量描述,并分析了不同初始体积样品的体积可压缩性差异。此外,现有生物软组织的本构模型多以右柯西格林变形张量为基础,在描述极限拉/压问题时与实际物理现象不完全相符。因此,论文第三和四章引入了可描述极限情况的新型应变度量,结合理论推导建立了含单向胶原纤维增强软组织的横观各向同性超弹性模型,并探究了组织在极限变形下的响应。最后,已有大量影像学研究表明软组织中胶原纤维存在相互交织结构,但该结构特征对组织宏观力学行为的影响机制尚不完全清楚。基于此,论文第五章结合实验数据和逆有限元法,深入探讨了纤维交织结构对巩膜组织宏观力学特性的影响。本论文的主要研究内容和结论包括:1、猪肝脏组织体积近似可压缩特性实验研究和本构建模以猪肝脏组织为研究对象,开展围限压缩实验,探究了肝脏组织可压缩性与初始体积的关系。实验结果表明,猪肝脏组织近似可压缩性呈现出明显的初始体积依赖效应:相较于初始体积较大的样品,初始体积较小样品表现出更大的可压缩性。结合实验数据和理论推导,本论文建立了新型肝脏组织近似可压缩理论模型,模型包含体积模量和可压缩系数两个参量。其中,体积模量与初始体积正相关,控制组织起始压缩过程中近似线弹性响应;可压缩系数与初始体积无关,控制软组织体积压缩的非线性响应。结合泰勒展开和线性回归分析建立了模型参数标定方法。模型预测结果与实验数据吻合较好,可有效描述肝脏组织的体积近似可压缩响应。2、单向纤维增强生物软组织的横观各向同性超弹性理论模型Darijani-Naghdabadi提出的当前构型-初始构型应变度量与物理要求相符,可正确描述软组织初始和极大变形时的应力状态。基于该应变度量,本论文给出了正定的广义变形张量,推导了与其共轭的应力张量,并建立了生物软组织横观各向同性超弹性模型。结合沿纤维方向和垂直于纤维方向的单轴拉伸和简单剪切等四种边界条件,通过理论推导获得了单向纤维增强软组织的力学响应,并采用文献实验数据检验了模型的有效性。该模型适用于软组织各向异性超弹性响应模拟,且可较为准确反映组织拉/压极限加载时的应力状态。3、巩膜组织胶原纤维交织结构的生物力学模型及作用机制巩膜微结构影像表明胶原纤维相互交织,但交织结构对巩膜组织宏观力学性能的影响并不明确。基于此,本论文建立了具有不同纤维密度的胶原纤维交织和非交织结构模型。结合人类巩膜双轴拉伸实验数据,通过逆有限元法提取了每个模型中胶原纤维力学性能参数。结果表明:与非交织结构相比,交织结构需要更高的胶原纤维刚度,该差异在纤维密度大的情况下更为显著。为模型添加或去除交织结构会导致截然不同的整体力学性能,故纤维交织结构对巩膜组织宏观力学特性起重要作用。