开发一个集成的计算-实验框架,用于预测在超声波骨头头皮刀操作中的磨削力和安全性
Chengbei Li1, Gang Chen2, Yunfeng Xu3
1School of Electronic Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing, 100876, China.
Scientific reports
|February 16, 2026
概括
研究人员开发了一种精确的模型,用于脊椎外科手术中的超声波骨头手术刀力量. 该模型通过定义基于骨密度,振幅和料率的操作极限来提高手术安全性.
科学领域:
- 生物医学工程 生物医学工程
- 手术机器人手术机器人手术机器人
- 计算力学 计算力学 计算力学
背景情况:
- 目前的超声波骨头头刀模型由于2D模拟而缺乏准确性.
- 复杂的3D工具骨相互作用没有完全被捕获.
- 在脊椎外科手术中需要定量安全边界.
研究的目的:
- 开发一个高精度的预测模型,用于研磨力.
- 建立超声波骨头头皮刀的数量操作界限.
- 在脊柱手术中提高安全性和精度.
主要方法:
- 集成的3D显式动态有限元素分析 (FEA).
- 盒子-贝恩肯实验设计和响应表面方法 (RSM).
- FEA模拟了工具骨相互作用;RSM分析了骨密度,超声波振幅和料速率.
主要成果:
- 导出了用于研磨力的二阶多项式模型.
- 磨削力随着骨密度 (+3.10) 和料速度 (+2.55) 的增加而增加.
- 磨削力随着超声波振幅 (-2.52) 的下降;预测误差为7.10%.
结论:
- 验证了手术规划的计算-实验框架.
- 使用热图建立了临床可行的安全边界.
- 在脊柱外科手术中建立智能,强力反机器人系统的基础.
