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骨科手术中皮质骨温度预测模型的构建及验证

Construction and validation of a temperature prediction model for cortical bone during orthopedic surgery

二维码有效期 120s

摘要背景:皮质骨钻孔切削摩擦产热易致局部温升,若超过骨组织耐受阈值并持续作用可引发骨坏死、延迟愈合或假体松动等并发症.临床常用参数(如转速、进给、灌洗)的耦合显著影响热累积程度,亟需建立可预测温度场与热影响区的量化工具以界定安全操作窗口.目的:通过分析不同深度和径向的皮质骨温度分布,建立骨科手术中皮质骨的温度预测模型.方法:建立描述皮质骨钻孔过程的三维瞬态传热控制方程,引入移动/分布热源法以表征前刀面剪切与后刀面摩擦所致的界面热输入,计算不同径向与深度处的温度场演化;采用逆传热方法,在有限测点温度序列约束下反演孔壁界面热流与热量在刀具-切屑-骨体之间的分配比例;再以实验对比验证预测模型.结果与结论:①逆传热反演显示,在给定工况下约11.7％的总热量进入皮质骨实体;②所建温度预测模型与新鲜猪骨钻孔实验在峰值温度、升温起点与温度-时间曲线形态上表现出良好的一致性,证实模型对时空温度分布的表征可靠;③空间分布方面,越接近孔壁(半径X趋近2.0 mm)温度上升越早且峰值更高,沿深度方向(z=0–5 mm)升温先发生于近表层并逐步向深部扩展;④热影响区随转速增加而增大:在钻头直径4 mm、进给60 mm/min条件下,800 r/min时热影响区约0.71 mm,1 000 r/min时约0.86 mm;⑤上述结果表明,在控制钻头直径与进给速度的前提下,提高转速会增加骨热负荷与热影响区厚度;因此临床上需协同优化转速与冷却/灌洗策略,以降低热性骨损伤风险;该模型可用于术前参数筛选与术中风险评估,为制定"安全参数窗"、改进刀具与灌洗方案及提升患者预后表现提供量化依据.