软组织

软组织是指体内所有未因骨化或钙化过程而硬化的组织，如骨骼和牙齿。 软组织连接、包围或支撑内部器官和骨骼，包括肌肉、肌腱、韧带、脂肪、纤维组织、淋巴和血管、筋膜和滑膜。

软组织细胞外基质内部的特征物质是胶原蛋白、弹性蛋白和基质。 正常情况下，由于基质的存在，软组织非常水合。 成纤维细胞是负责产生软组织纤维和基质的最常见细胞。 成纤维细胞的变异，如成软骨细胞，也可能产生这些物质。

在小应变下，弹性蛋白赋予组织刚度并储存大部分应变能。 胶原纤维相对不可伸长，通常松散（波浪形、卷曲）。 随着组织变形的增加，胶原蛋白在变形方向上逐渐被拉伸。 当绷紧时，这些纤维会产生组织硬度的强烈增长。 复合材料的行为类似于尼龙长袜，其橡皮筋起到弹性蛋白的作用，而尼龙起到胶原蛋白的作用。 在软组织中，胶原蛋白限制变形并保护组织免受伤害。

人体软组织是高度可变形的，其机械性能因人而异。 冲击测试结果表明，测试对象组织的刚度和阻尼阻力与撞击物体的质量、速度和大小相关。 当诱发挫伤时，这些特性可能对法医调查有用。 当固体物体撞击人体软组织时，撞击的能量会被组织吸收，以减轻撞击的影响或疼痛程度； 具有更多软组织厚度的受试者倾向于以更少的厌恶来吸收冲击。

软组织有可能发生大变形，并且在卸载时仍会恢复到初始配置，即它们是超弹性材料，并且它们的应力-应变曲线是非线性的。 软组织也是粘弹性的、不可压缩的并且通常是各向异性的。 在软组织中可观察到的一些粘弹性特性是：松弛、蠕变和滞后。 为了描述软组织的机械响应，已经使用了几种方法。 这些方法包括：基于应变能的超弹性宏观模型、使用非线性本构方程的数学拟合，以及线性弹性材料的响应通过其几何特性进行修改的基于结构的模型。

即使软组织具有粘弹性，即作为应变率函数的应力，它也可以在负载模式预处理后通过超弹性模型来近似。 在加载和卸载材料的一些循环之后，机械响应变得与应变率无关。

S = S ( E , E ˙ ) → S = S ( E ) {\displaystyle \mathbf {S} =\mathbf {S} (\mathbf {E} ,{\dot {\mathbf { E} }})\quad \rightarrow \quad \mathbf {S} =\mathbf {S} (\mathbf {E} )}

尽管应变率独立，但预处理的软组织仍然存在滞后现象，因此机械响应可以建模为在加载和卸载时具有不同材料常数的超弹性。 通过这种方法，弹性理论被用来模拟非弹性材料。 Fung 将此模型称为伪弹性模型，以指出该材料并非真正具有弹性。

在生理状态下，软组织通常存在残余应力，当组织被切除时，残余应力可能会释放。 生理学家和组织学家必须意识到这一事实，以避免在分析切除组织时出错。 这种收缩通常会导致视觉伪影。

Fung 开发了一个预处理软组织的本构方程，它是

W = 1 2 [ q + c ( e Q − 1 ) ] {\displaystyle W={\frac {1}{2}}\left[q+c\left(e{Q}-1 是的是的]}

和

q = a i j k l E i j E k l Q = b i j k l E i j E k l {\displaystyle q=a_{ijkl}E_{ij}E_{kl}\qquad Q=b_{ijkl}E_{ij}E_{kl}}

二次形式的格林-拉格朗日应变 E i j {\displaystyle E_{ij}} 和 a i j k l {\displaystyle a_{ijkl}} , b i j k l {\displaystyle b_{ijkl}} 和 c {\displaystyle c} 材料常数 . W {\displaystyle W} 是每体积单位的应变能函数，它是给定温度下的机械应变能。