基于基尔霍夫定律的速度控制运动模型可以预测微创手术中的切削力
Kostyantyn Malukhin1, Timon Rabczuk2, Kornel Ehmann1
1Northwestern University, Department of Mechanical Engineering, McCormick School of Engineering, 2145 Sheridan Road, Evanston, IL, 60208, USA.
Journal of the mechanical behavior of biomedical materials
|March 30, 2024
概括
一个新的理论框架模拟了在微创手术期间的外科切割力和组织相互作用. 这个系统效应模型准确地预测实时的力量和组织反应,以改进外科仪器设计.
科学领域:
- 生物力学 生物力学
- 手术工程的外科工程.
- 机器人技术 机器人技术 机器人技术
背景情况:
- 精确的切削力建模对于开发先进的外科手术仪器至关重要.
- 了解组织-仪器相互作用对于安全有效的微创手术 (MIS) 至关重要.
- 当前的模型往往缺乏精度来捕捉组织切割过程中遇到的复杂,动态的力量.
研究的目的:
- 制定一个理论框架,模拟手术仪器透过程中的切割/触觉力演变.
- 使用统一的"系统效应"方法来预测切削力,组织骨折,摩擦和阻尼.
- 为了能够准确地实时预测软生物组织中的非周期性波动力.
主要方法:
- 根据Kirchhoff的能量保存定律,开发了一种速度控制的运动方程公式.
- 对于断裂力,摩擦,阻尼和组织构成模型的综合并发关系.
- 利用"系统效应"来统一切割仪器与组织相互作用的建模.
主要成果:
- 该模型在运动平衡方程中几乎实现了零余量,表明了高精度.
- 演示了准确预测非周期性,波动切割力的实时能力.
- 建立了医疗器械与非线性粘弹性组织之间的相互作用的强大建模.
结论:
- 提出的理论框架为建模外科切割力提供了强大的工具.
- 该模型的实时预测能力提高了智能手术仪器设计的潜力.
- 通过模拟的验证和与实验数据的比较显示了切削力演变的质量上相似的趋势.
