Towards a Physics Engine to Simulate Robotic Laser Surgery: Finite Element Modeling of Thermal Laser-Tissue Interactions

要約

この論文では、レーザー照射された組織の熱応答をシミュレートする、有限要素法 (FEM) に基づく計算モデルを紹介します。
このモデルは、一般にレーザーやその他のエネルギーベースのエンドエフェクターのサポートが不足している、手術ロボット シミュレーターの現在のエコシステムのギャップに対処します。
提案されたモデルでは、適切な境界条件を使用して熱伝導問題の解決策として組織の熱力学が計算されます。
FEM 定式化により、モデルは対流などの複雑な現象を捉えることができます。これは現実的なシミュレーションを作成するために重要です。
モデルの精度は、寒天組織ファントムと体外鶏筋肉を使用したベンチトップレーザー組織相互作用実験によって検証されました。
その結果、ほとんどの実験条件において、平均二乗平均平方根誤差 (RMSE) が摂氏 2 度未満であることが明らかになりました。

要約(オリジナル)

This paper presents a computational model, based on the Finite Element Method (FEM), that simulates the thermal response of laser-irradiated tissue. This model addresses a gap in the current ecosystem of surgical robot simulators, which generally lack support for lasers and other energy-based end effectors. In the proposed model, the thermal dynamics of the tissue are calculated as the solution to a heat conduction problem with appropriate boundary conditions. The FEM formulation allows the model to capture complex phenomena, such as convection, which is crucial for creating realistic simulations. The accuracy of the model was verified via benchtop laser-tissue interaction experiments using agar tissue phantoms and ex-vivo chicken muscle. The results revealed an average root-mean-square error (RMSE) of less than 2 degrees Celsius across most experimental conditions.

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