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手術シミュレーションarXiv:2411.14249

ロボットレーザー手術のための物理エンジンに向けて:熱レーザー組織相互作用の有限要素モデリング

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

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有限要素法を用いてレーザー照射組織の熱応答をシミュレートする計算モデルを提案し、寒天ファントムと鶏肉を用いた実験で平均RMSE 2℃未満の精度を検証した。

著者: Nicholas E. Pacheco, Kang Zhang, Ashley S. Reyes, Christopher J. Pacheco, Lucas Burstein, Loris Fichera

分類: cs.RO

原文アブストラクト

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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