基于扩展有限元素方法的超声波骨切割机制的研究

科学领域:

• 生物材料工程 生物材料工程
• 整形外科手术 整形外科手术
• 机械工程 机械工程

背景情况:

• 了解骨裂传播对于外科工具开发和参数选择至关重要.
• 目前的方法缺乏对超声波骨切割机制的详细分析.

研究的目的:

• 开发一个扩展的有限元素方法 (X-FEM) 模型用于超声波骨切割.
• 量化分析切割方向,超声波参数和切割参数对裂传播的影响.

主要方法:

• 开发了一种包含骨微观结构的X-FEM模型.
• 在各种参数条件下模拟超声波骨切割.

主要成果:

• 超声波切割骨头是一种受控的裂传播过程 (脆性和疲劳裂).
• 高振幅和高频率提高了切割效率.
• 横切割方向导致最大的裂纹偏移和最差的表面质量.
• 幅度与偏斜角度,传播长度和速度正相关,可控制裂纹传播.

结论:

• 超声波振动速度主导裂纹传播特征.
• X-FEM模型有助于为骨科机器人选择最佳加工参数,并设计超声波骨.
• 建议在骨科手术机器人中避免横切的切割方向.