环钻中基于力的密度测量：一种具有不确定性与分辨率表征的物理知情方法

《Measurement》：Force-based density measurement in trephine drilling: A physics-informed approach with uncertainty and resolution characterization

　　摘要- 为手术骨钻刀开发了基于物理信息的环形切削框架。- 由物理导出的 Ka,proxy 特征将密度—力映射线性化。- 在已知条件下，GUM 不确定度为 2.4%，分辨率为 0.2–0.4 PCF。- 离线逻辑回归达到 93.6%；随机森林达到 89.0%。- 所有错误分类均落在相邻的一个密度等级内。引言减压椎板切除术可缓解由椎管狭窄引起的脊髓或神经根压迫[1], [2]。骨钻刀（trephine）是一种用于环形骨截切的圆柱形器械，已被用于骨髓评估[2], [3]、口腔颌面骨截切[4], [5]以及脊柱手术[6], [7], [8]。骨钻刀的中空设计为后续手术操作提供了清晰的作业通道。然而，目前在椎板切除术中，骨钻刀截骨仍为手动操作。外科医生高度依赖主观触觉反馈来区分皮质骨和松质骨。当感知到内皮质骨界面时，外科医生必须停止钻孔，并使用镊子手动去除残余骨组织，以防止意外穿透。这种对主观判断的依赖推动了机器人辅助自主骨钻刀钻孔技术的发展。对于机器人辅助椎板切除术，安全性是首要关注的问题：钻孔推力对材料密度敏感，因此力监测可成为未来皮质骨穿透检测的潜在基础。相关钻孔研究考察了工艺参数对推力的影响以及钻头几何形状的影响[9], [10]。然而，在本文综述的钻孔力学文献中，我们未发现任何研究专门为电动环形骨钻刀钻孔开发了基于力的密度识别方法——在该过程中，保留的骨芯和双壁摩擦会改变推力响应。已开发出多种方法来建模骨钻孔力学。单因素实验法（OFAT）和响应面法（RSM）已被用于预测钻头几何形状和切削参数的钻孔力函数[11]，包括进给率和主轴转速对钻孔过程中推力发展影响的分析[9]。有限元方法已用于钻头几何结构的优化[10]，而统计敏感性分析则量化了单个钻孔参数的相对影响[12]。自适应神经网络也被应用于预测钻孔力和温度[13]。然而，这些研究仅关注实心麻花钻，其模型未考虑骨钻刀固有的环形切削几何和双壁摩擦。最近，皮质骨的超声辅助微铣削已通过实验进行了表征，包括切削力和温度的耦合测量[14]，并且有报道在实验数据上训练的机器学习模型用于该过程中的力和温度预测[15]。确保自主钻孔期间的手术安全需要过程中的状态监测。基于力的反馈系统已被开发用于穿透检测[16], [17], [18]，振动信号分类器在脊柱手术中区分组织类型方面已达到高准确率[19]。传感器集成手术钻头已能够实现刀具-组织相互作用力的直接测量[20]，超声辅助技术已显示出减少钻孔力和刀具打滑的潜力[21]。然而，据我们所知，在钻孔力学文献中，尚无任何先前研究探讨过在电动环形骨钻刀钻孔过程中从推力信号中获取的密度识别。这种识别可以为未来在密度梯度界面处进行穿透检测提供基础。尽管近年来机器人辅助骨科手术的进展探索了传统工具的切削力学，但它们主要关注实心麻花钻和球头铣刀（BMT）。例如，Jiang 等人[22]建立了 BMT 的解析力模型以在椎板切除术中监测切削深度。然而，为麻花钻和 BMT 开发的力学模型由于骨钻刀的中空芯拓扑结构而不适用于骨钻刀。与传统工具依靠中心切削刃挤出骨组织或依靠外围螺旋槽在开放空间中自由排屑不同，骨钻刀进行的是环形切削。这形成了一个半封闭腔体并保留了中央骨芯，导致双壁摩擦。因此，这些麻花钻和 BMT 模型无法捕捉深部骨钻刀钻孔中的非线性动态推力。本研究解构了手术骨钻刀的切削力学并引入了一种数据驱动的力预测框架。使用标准 Sawbones 模型开发了定制钻孔平台，以隔离自然骨异质性中的变量。该框架分为四个阶段。首先，框架识别出控制骨钻刀推力的物理机制。其次，在框架发现的指导下，RSM 模型仅使用显著参数进行力的量化预测。第三，框架揭示出特定轴向切削力 Ka 编码了密度信息；因此提取了由物理导出的特征 Ka,proxy 并将其作为密度分类器的输入。第四，按照 GUM 框架[23]对测量链进行表征，以提供不确定度预算、敏感度和分辨率。各节摘要材料与工具Sawbones 聚氨酯泡沫为跨标称密度等级的受控钻孔比较提供了可重复的测试介质；在生物松质骨上的验证仍然必要。所引用的受控钻孔和 Sawbones 研究说明了标准化样品或钻孔方案的使用[11], [24], [25]。为了研究切削参数和密度的影响，使用了四种 Sawbones 密度和五种 Yutong KH 系列骨钻刀。壁厚与齿数的影响在固定内径条件下，骨钻刀①和②在壁厚和齿数上均有所不同。在所有四种操作条件下，骨钻刀②产生了更高的推力，但观察到的这一差异反映了几何变化的综合效果，不能仅归因于壁厚。在其他条件相同的情况下，框架预测壁厚会影响切削横截面；需要正交工具组来在实验中隔离这一贡献。主轴转速、进给率和材料密度的影响图6显示了……讨论基于物理信息的框架解决了两个观察结果。首先，在所测试的骨钻刀中，推力与直径之间呈近乎零的边际相关性。由于直径、齿数和壁厚共同变化，该观察结果不能被解释为独立的直径效应；需要在固定齿数和壁厚下进行正交实验。其次，框架预测在其他几何参数相同时，壁厚会影响切削横截面和内壁接触……结论本研究探讨了骨钻刀辅助骨钻孔的切削力学，并开发了基于力的密度感知框架。基于物理信息的环形切削框架识别出特定轴向切削力 Ka 为密度编码参数，并促使了物理导出特征 Ka,proxy 的产生。使用单因素实验法筛选、响应面法建模（调整后 R2 = 0.967）和方差分析，在所变化的因素中，主导参数为主轴转速、进给率和材料密度；由于直径……作者贡献声明Wang Yunning：撰写 – 原稿。Wang Yu：撰写 – 原稿。Shi Chao：方法学。Liang Chendi：验证。Yu Tengbo：方法学。Su Nan：调查研究。Weng Xisheng：方法学。Yang Qing：资金支持获取，形式分析，数据管理。资助本研究得到山东省自然科学基金（ZR2024QH588）、国家重点研发计划（2022YFC2407900）、北京市科技计划项目（Z201100005420033, Z221100003522007）以及北京市自然科学基金（L222136, L212055, L222057）的资助。伦理声明本研究未涉及人类参与者、人体组织或动物受试者。所有实验均使用商业可得的 Sawbones 聚氨酯泡沫块（Pacific Research Laboratories, Inc.）进行，这些是合成骨替代品。因此，本研究无需伦理审批。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。作者：Wang Yunning、Wang Yu、Shi Chao、Liang Chendi、Yu Tengbo、Su Nan、Weng Xisheng、Yang Qing