·716* 工程科学学报，第41卷，第6期 割技术在实际临床应用中还不够成熟，如超声骨切 recent advances in numerical modelling of bone cutting.Mech 割存在能量传输效率低、稳定性差，手术时间延长等 Behav Biomed Mater,2015,44:179 ] 问题，这些问题的解决将会极大促进超声骨切割技 Takabi B,Tai B L.A review of cutting mechanics and modeling techniques for biological materials.Med Eng Phys,2017,45:I 术在医学领域的发展和应用. B]Birkenfeld F,Erika Becker M,Harder S,et al.Increased intrao- 4结论 sseous temperature caused by ultrasonic devices during bone sur- gery and the influences of working pressure and cooling irrigation. (1)骨切削数值仿真的本构模型有待完善.材 mlJ0 ral Max1mpl,2012,27(6）:1382 4 料的力学特性与本构关系是切削仿真与切削机理研 Manerrnann W J,Sampathkumar P,Thompson R L Sternal 究的基础，而现有研究大多将骨简单地看成是类似 wound infections.Best Pract Res Clin Anaesthesiol,2008,22(3): 423 于金属的弹塑性均质材料，未把骨材料微结构和物 [5] Wiggins K L,Malkin S.Orthogonal machining of bone.Biomech 理特性考虑在内.现有的本构模型还不能准确有效 Eng,1978,100(3):122 地指导切削机理的研究 [6]Jacobs C H.Pope M H,Berry J T,et al.A study of the bone ma- (2)构建系统的骨材料切削理论以解释骨材料 chining process-orthogonal cutting./Biomech,1974,7(2):131 切屑形态的切削机理.切削过程中的切削力、切削 D]Krause W R.Orthogonal bone cutting:saw design and operating characteristics.J Biomech Eng,1987,109 (3):263 热现象主要由材料的切削变形产生.目前对骨材料 ⑧] Sui J B,Sugita N,Ishii K,et al.Force analysis of orthogonal cut- 切屑变形机理研究较少，各自观察到的切屑形态不 ting of bovine cortical bone.Mach Sci Technol,2013,17(4): 尽相同. 637 (3)骨材料切削刀具的开发需要进一步深化. 9]Alam K,Mitrofanov A V,Silberschmidt VV.Finite element anal- 相关研究大多集中在骨钻削的切削参数和刀具结构 ysis of forces of plane cutting of cortical bone.Comput Mater Sci, 2009,46(3):738 优化上，理论模型及结论尚欠完备性和普适性，没有 [10]Alam K,Mitrofanov A V,Silberschmidt VV.Thermal analysis 从根本上解决骨切削中的热损伤问题，事实上骨切 of orthogonal cutting of cortical bone using finite element simula- 削的热损伤是影响骨愈合的最直接因素.且现有研 tions.Int J Exp Comput Biomech,2010,1 (3):236 究只能局部降低切削力和温度，很少涉及如何提高 [11]Childs T H C,Arola D.Machining of cortical bone:Simulations 骨材料切削表面质量、另外临床上手术刀具经常需 of chip formation mechanics using metal machining models.Mach Sci Technol,2011,15(2):206 要清洗、消毒和杀菌，在一定程度上会加剧刀具磨 02] Santiuste C,Rodriguez-Millin M,Giner E,et al.The influence 损.骨材料刀具磨损的相关研究较少 of anisotropy in numerical modeling of orthogonal cutting of corti- (4)超声骨切削由于安全性高、损伤小、愈合快 cal bone.Compos Struct,2014,116:423 的特点将成为未来临床骨切割操作的发展方向和趋 [13]Li S,Zahedi A,Silberschmidt V,et al.Penetration of cutting 势.目前对骨材料切削工艺仍以传统的钻、铣和磨 tool into cortical bone:experimental and numerical investigation 削为主，超声骨切削尚处于起步阶段，很多问题需要 of anisotropic mechanical behaviour.JBiomech,2014,47:1117 [14]Feldmann A,Ganser P,Nolte L,et al.Orthogonal cutting of 系统和深入的研究，如超声效应与骨组织界面切削 cortical bone:Temperature elevation and fracture toughness.Int 机理尚不清楚，超声工作负载变化及其对换能器特 J Mach Tools Manuf,2017,118-19:1 性的影响规律还不明确等.此外，目前临床应用的 15] Yin J.Study on Simulation and Experiment of Micro Cutting of 超声骨切割普遍存在效率低，超声切骨稳定性差，手 Bone [Dissertation].Harbin:Harbin Institute of Technology, 术时间延长，能量传输效率低，只适用于局部或厚度 2016 (殷杰.骨骼微切削过程的有限元仿真与实验研究[学位论 小于3mm的骨组织切割等问题.因此，医工结合背 文].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016) 景下大振幅稳定超声骨切削研究将会推动超声切骨 16] Liao Z R,Axinte D A.On chip formation mechanism in orthogo- 在外科手术中更广泛的应用.总之，超声骨切削技 nal cutting of bone.Int J Mach Tools Manuf,2016,102:41 术在医学领域有显著优势和广阔的应用前景.超声 07] LiaoZ R.Research on Bone Cutting and A Novel Tool Derelop- 骨切割技术一旦成熟，必将开启医学临床骨切割的 ment [Dissertation].Harbin:Harbin Institute of Technology, 2017 新时代 (图志荣.骨材料切削加工及一种新型刀具研究[学位论 文].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017) 参考文献 [18]Cui H Y,Hu Y H,Wang C.Study on the prediction model of cutting temperature on cortical bone by micro-exture tool.Mach [Marco M,Rodriguez-Millan M,Santiuste C,et al.A review on Tool Hydraul,2015,43(23):31工程科学学报，第 41 卷，第 6 期 割技术在实际临床应用中还不够成熟，如超声骨切 割存在能量传输效率低、稳定性差，手术时间延长等 问题，这些问题的解决将会极大促进超声骨切割技 术在医学领域的发展和应用． 4 结论 ( 1) 骨切削数值仿真的本构模型有待完善． 材 料的力学特性与本构关系是切削仿真与切削机理研 究的基础，而现有研究大多将骨简单地看成是类似 于金属的弹塑性均质材料，未把骨材料微结构和物 理特性考虑在内． 现有的本构模型还不能准确有效 地指导切削机理的研究． ( 2) 构建系统的骨材料切削理论以解释骨材料 切屑形态的切削机理． 切削过程中的切削力、切削 热现象主要由材料的切削变形产生． 目前对骨材料 切屑变形机理研究较少，各自观察到的切屑形态不 尽相同． ( 3) 骨材料切削刀具的开发需要进一步深化． 相关研究大多集中在骨钻削的切削参数和刀具结构 优化上，理论模型及结论尚欠完备性和普适性，没有 从根本上解决骨切削中的热损伤问题，事实上骨切 削的热损伤是影响骨愈合的最直接因素． 且现有研 究只能局部降低切削力和温度，很少涉及如何提高 骨材料切削表面质量． 另外临床上手术刀具经常需 要清洗、消毒和杀菌，在一定程度上会加剧刀具磨 损． 骨材料刀具磨损的相关研究较少． ( 4) 超声骨切削由于安全性高、损伤小、愈合快 的特点将成为未来临床骨切割操作的发展方向和趋 势． 目前对骨材料切削工艺仍以传统的钻、铣和磨 削为主，超声骨切削尚处于起步阶段，很多问题需要 系统和深入的研究，如超声效应与骨组织界面切削 机理尚不清楚，超声工作负载变化及其对换能器特 性的影响规律还不明确等． 此外，目前临床应用的 超声骨切割普遍存在效率低，超声切骨稳定性差，手 术时间延长，能量传输效率低，只适用于局部或厚度 小于 3 mm 的骨组织切割等问题． 因此，医工结合背 景下大振幅稳定超声骨切削研究将会推动超声切骨 在外科手术中更广泛的应用． 总之，超声骨切削技 术在医学领域有显著优势和广阔的应用前景． 超声 骨切割技术一旦成熟，必将开启医学临床骨切割的 新时代． 参 考 文 献 ［1］ Marco M，Ｒodríguez-Milln M，Santiuste C，et al． A review on recent advances in numerical modelling of bone cutting． J Mech Behav Biomed Mater，2015，44: 179 ［2］ Takabi B，Tai B L． A review of cutting mechanics and modeling techniques for biological materials． Med Eng Phys，2017，45: 1 ［3］ Birkenfeld F，Erika Becker M，Harder S，et al． Increased intrao￾sseous temperature caused by ultrasonic devices during bone sur￾gery and the influences of working pressure and cooling irrigation． Int J Oral Max Impl，2012，27( 6) : 1382 ［4］ Manerrnann W J，Sampathkumar P，Thompson Ｒ L． Sternal wound infections． Best Pract Ｒes Clin Anaesthesiol，2008，22( 3) : 423 ［5］ Wiggins K L，Malkin S． Orthogonal machining of bone． J Biomech Eng，1978，100( 3) : 122 ［6］ Jacobs C H，Pope M H，Berry J T，et al． A study of the bone ma￾chining process-orthogonal cutting． J Biomech，1974，7( 2) : 131 ［7］ Krause W Ｒ． Orthogonal bone cutting: saw design and operating characteristics． J Biomech Eng，1987，109( 3) : 263 ［8］ Sui J B，Sugita N，Ishii K，et al． Force analysis of orthogonal cut￾ting of bovine cortical bone． Mach Sci Technol，2013，17 ( 4) : 637 ［9］ Alam K，Mitrofanov A V，Silberschmidt V V． Finite element anal￾ysis of forces of plane cutting of cortical bone． Comput Mater Sci， 2009，46( 3) : 738 ［10］ Alam K，Mitrofanov A V，Silberschmidt V V． Thermal analysis of orthogonal cutting of cortical bone using finite element simula￾tions． Int J Exp Comput Biomech，2010，1( 3) : 236 ［11］ Childs T H C，Arola D． Machining of cortical bone: Simulations of chip formation mechanics using metal machining models． Mach Sci Technol，2011，15( 2) : 206 ［12］ Santiuste C，Ｒodríguez-Milln M，Giner E，et al． The influence of anisotropy in numerical modeling of orthogonal cutting of corti￾cal bone． Compos Struct，2014，116: 423 ［13］ Li S，Zahedi A，Silberschmidt V，et al． Penetration of cutting tool into cortical bone: experimental and numerical investigation of anisotropic mechanical behaviour． J Biomech，2014，47: 1117 ［14］ Feldmann A，Ganser P，Nolte L，et al． Orthogonal cutting of cortical bone: Temperature elevation and fracture toughness． Int J Mach Tools Manuf，2017，118-119: 1 ［15］ Yin J． Study on Simulation and Experiment of Micro Cutting of Bone［Dissertation］． Harbin: Harbin Institute of Technology， 2016 ( 殷杰． 骨骼微切削过程的有限元仿真与实验研究［学位论 文］． 哈尔滨: 哈尔滨工业大学，2016) ［16］ Liao Z Ｒ，Axinte D A． On chip formation mechanism in orthogo￾nal cutting of bone． Int J Mach Tools Manuf，2016，102: 41 ［17］ Liao Z Ｒ． Ｒesearch on Bone Cutting and A Novel Tool Develop￾ment［Dissertation］． Harbin: Harbin Institute of Technology， 2017 ( 廖志荣． 骨材料切削加工及一种新型刀具研究［学 位 论 文］． 哈尔滨: 哈尔滨工业大学，2017) ［18］ Cui H Y，Hu Y H，Wang C． Study on the prediction model of cutting temperature on cortical bone by micro-texture tool． Mach Tool Hydraul，2015，43( 23) : 31 · 617 ·