基于压痕法对人脸皮肤力学特性的活体测量

【作者】 周磊； 王世斌； 李林安； 王志勇； 李传崴；

【机构】 天津大学机械工程学院力学系；

【摘要】 皮肤是人体重要的组织器官。人脸皮肤不仅可以保护人体免受外界的干扰和破坏,在美容、刑侦方面也具有重要的作用。而皮肤的力学性能研究因组织结构复杂以及伦理因素等原因发展较为缓慢。本文基于压痕法对人脸皮肤的力学特性开展了一系列的活体实验研究。在实验中,我们专门设计的一种特殊的透明压头,该压头依次连接CCD相机、力传感器等形成一套完整的有机系统。利用该透明压头,我们不仅可以得到传统压痕实验的力—位移数据,还能够实时监测压头与皮肤间的接触形貌。由于人脸皮肤不同位置的力学性能也不尽相同,为此,在实验过程中,我们依次选择多个位置点进行压痕测量。前面说到,人脸皮肤结构非常复杂,从解剖学上主要由表皮、真皮、皮下组织三层组成。其真皮层的厚度为150um-4mm,其内部的胶原蛋白和弹性蛋白纤维影响着该层的力学性能。通过实验可以看出:人体脸部软组织的应力—应变关系并不遵循胡克定律,而是类似呈现J形曲线关系,应力随应变增加的速度比胡克定律预计的要快的多。19世纪末期Hertz根据接触力学相关原理建立了两物体接触挤压受力时的弹性方程,推动接触力学的发展,例如两物体均为球面光滑接触,其接触方程表达式如下:a~3=3PR/4E*1/E*=((1-v~2))/E+((1-v’~2))/E’其中, a为接触投影面半径, R为接触面曲率半径, P为接触压力,v、 E、v’、E’分别为两接触体的泊松比和弹性模量。1948年Tabor利用Hertz的理论设计压痕实验。1976年Swain and Hagan将压痕实验应用于人体皮肤上,但皮肤并非弹性且非匀质材料,其接触方程表达式也仅在小变形时勉强适用。因此采用超弹性的本构模型更为合理。本文选用Mooney-Rivlin应变能密度函数表征皮肤的力学性能。鉴于皮肤的多层解剖结构,我们将其简化为两层结构模型,将表皮层和真皮层化为第一层,并赋予解剖学厚度。本构模型拟定之后,根据压痕实验测定的接触力-位移曲线以及人脸表面实时三维动态形貌结合有限单元法,通过迭代拟合确定本构参数。更多还原