9、经皮骨成形术注射装置与手术机器人简化动态模型的研究进展

经皮骨成形术注射装置与手术机器人简化动态模型的研究进展

1 经皮骨成形术注射装置研究

1.1 机械研究

为了确定两根注射骨的最大强度和刚度，进行了实验测试。随后，开展了类似实验测试的数值模拟，以更好地理解加固肱骨的力学行为。
- 弯曲测试 ：使用 Zwick 万能试验机进行三点弯曲测试，测量注射骨的强度和刚度。骨头以 1mm/min 的恒定十字头速度加载，测试对注射三周后的标本进行，直至其失效。测试了两具不同尸体的骨质疏松肱骨，一左一右。
- 有限元分析（FEM） ：建立有限元模型，分析在相同三点弯曲实验条件下骨水泥加固骨的行为。通过基于 CT 数据进行 3D 骨重建，获得模拟骨水泥成形术后骨行为所需的注射骨实体几何形状。联合使用用于分割 3D 医学图像结构的软件和 CAD 软件，对注射骨和骨水泥进行数值建模，分割并重建了三个固体组件，分别代表外皮质、松质骨和注射的骨水泥。

FEM 分析所需的骨力学特性难以确定，原因包括骨结构不均匀、各向异性，不同患者的骨结构不同，且骨结构会随年龄变化。基于相关研究，对外皮质和松质骨假设为线性弹性和各向同性材料特性，骨水泥（Heraeus Medical GmbH 的 Osteopal）的杨氏模量已有定义。材料特性如下表所示：
| 材料 | 杨氏模量 | 泊松比 | 体积 |
| — | — | — | — |
| 水泥（PMMA） | 2000 MPa | 0.4 | 6.24 cm³ |
| 外皮质 | 16000 MPa | 0.3 | 30 cm³ |
| 松质骨 | 80 MPa | 0.