经自然腔道内镜手术以及胃肠镜诊疗均是将最前沿的医学技术,影像技术及工程技术相结合的科学技术。在此类手术过程中,医生通过操纵手术器械使其经由口腔、肛门、阴道等入口进入腹腔或胸腔,借助实时2D图像显示对组织或器官进行检查、夹持、牵引、缝合和切除等操作。由于当前绝大多数微创医疗器械缺乏力传感反馈装置,医生无法精确感知医疗器械与人体软组织之间的接触、摩擦和挤压等交互作用,使介入医疗器械在入路过程中可能出现过大推力或挤压力而引起软组织损伤,最终导致各种术后并发症。因此,深入探索消化内镜与人体消化道组织间的交互作用,对于改善经自然腔道内镜手术的操作效率,提高手术的可靠性具有重要意义。本文通过试验研究、理论建模及数值模拟,研究了内镜前端在入路过程中与食管组织的交互作用行为,其中包括摩擦、挤压和粘附等接触。首先,以猪食管组织为试验模型,根据食管组织的解剖结构,在宏观尺度下分析了猪食管组织在不同生理区域、不同食管壁层以及不同方向上的单轴拉伸力学性能;以此为基础,模拟内镜的入路过程,研究了内镜前端在不同挤压力和入路速度下与食管组织不同生理区域及不同壁层间的摩擦行为,并通过模拟内镜通过食管时食管组织存在的膨胀变形及挤压过程,进一步研究了食管组织在轴向及周向方向上不同延伸率下的摩擦性能差异。其次,采用原子力显微镜研究了微观尺度下食管组织粘膜层在不同加载率,悬臂梁挠度及保留时间下的纳米压痕性能。最后,结合特定病人的CT(computed tomography)扫描数据,通过Abaqus软件建立了内镜管壁与食管组织间的接触模型,数值模拟了内镜通过人体食管组织的交互作用过程。其主要结论如下:食管组织具有大变形粘超弹性,在模拟胃镜前端牵引操作时表现出典型的非线性应力应变关系;由于食管组织在不同生理区域和食管壁层间的组织结构存在差异,不同生理区域及不同壁层间的食管组织的单轴拉伸力学性能有所不同,表现出明显的各向异性;食管粘膜层及肌肉层在轴向及周向的断裂应力均存在明显的速度相关性。食管组织的摩擦学性能与其三个生理区域和不同壁层组织间的生理结构和力学性能相关。内镜前端在食管内壁表面的滑动过程中呈现典型的“粘滑”现象,摩擦系数随食管组织内表面法向载荷的增大而减小,随滑动速度的增大而增大;胸部食管组织相对于颈部食管和腹部食管呈现出较小的摩擦系数,颈部食管和腹部食管的摩擦性能接近;整体未分层食管组织由于抵抗变形能力较强,相对于单层的食管粘膜层具有较大的摩擦系数。内镜入路过程中会造成消化道组织在轴向或周向上的扩张挤压,当食管粘膜层组织在沿轴向和周向方向延展时,食管粘膜层组织与内镜前端间的摩擦行为呈现相反趋势。其摩擦系数和相应的能量耗散随着周向伸长率的增大而减小,随着轴向伸长率的增大而增大。内镜与食管粘膜层组织间摩擦行为的差异与组织的自身生理结构和力学性能有关。此外,随着食管粘膜层组织表层法向力的增大,粘膜表面破裂程度也逐渐增大,临床诊疗时常用的利多卡因胶浆麻醉剂能有效减少食管粘膜组织的摩擦能量耗散和损伤。食管组织粘膜层在微观尺度下的力学性能主要包括弹性模量,塑性指数和粘附力。粘膜层的弹性模量随加载率的增加呈现正相关趋势,而随悬臂梁挠度及停留时间的增加呈现负相关趋势,且弹性模量的值随着加载率、悬臂梁挠度及停留时间的变化均呈现出数量级的差异;粘膜层组织的塑性指数与粘附力均随着加载率的增加逐步增加,随着悬臂梁挠度的增加而下降,不同停留时间下粘膜组织的塑性指数与粘附力的变化趋势相反。微观尺度下的粘膜组织表面呈现出明显的异质性,进而影响其微观力学性能表达。内镜入路过程中与食管组织间交互作用的数值模拟结果表明,随着系统振幅、摩擦系数的增大以及食管内径的减小,摩擦应力引起的总力(CFSM,the total force due to frictional stress)、摩擦耗散能(FD,friction dissipation energy)和应变能(SE,strain energy)均呈正相关变化。食管组织与内镜重叠区域的长度没有明显影响;不同条件下模型的最大Mises应力位置主要集中在内镜与食管组织的初始接触区域。对于食管狭窄的特定病人,当内镜通过食管区域的最狭窄部位时,其食管组织半径是最大Mises应力的主导因素;随着摩擦系数和振幅的增大,腹部食管和胸部食管的CFSM、FD、SE和最大Mises应力均相应增大;随着摩擦系数的增加,内镜对胸部食管壁的冲击应力值也随之增大。