神经外科手术已进入微创时代。经鼻入路进入颅底进行肿瘤摘除手术，以鼻腔为天然通道，避免了开颅过程对正常组织结构造成的破坏，对患者的创伤小、术后恢复快，受到了神经外科界的广泛关注。骨头磨削是经鼻颅底肿瘤摘除手术中常见的和基本的手术操作之一，磨削过程产生的热量会对骨头及邻近的脑神经和血管结构等关键组织带来热损伤，而目前有关神经外科骨头磨削热问题的研究还非常少。本文采用实验和数值模拟相结合的方法，对采用微型球形磨具的骨头磨削过程的传热问题及其反问题进行了研究。建立了骨头磨削过程产热模型并对骨头磨削过程的瞬态温度场进行了数值模拟；在此基础上，结合磨削过程的实验研究结果，研究了磨削过程的瞬态热流强度及其空间分布的反演问题，并依据反演结果，重构了骨头磨削过程的三维瞬态温度场；通过磨削实验，研究了磨削过程电机占空比与磨削热之间的函数关系，初步建立了磨削热实时估算模型，为磨削过程骨头温度的实时监控奠定了基础；最后，对加入冷却液的磨削热问题进行了研究。本文的具体研究内容及获得的主要结果包括：(1)针对采用微型球形磨具的骨头磨削过程，借助于机械磨削理论估算了磨具与骨头接触表面的热流分配系数，建立了骨头磨削过程的三维瞬态有限元热分析模型，通过数值仿真试验讨论了磨具运动方向(±x方向运动和±y方向运动)、磨具与骨头的接触角(0°、15°和30°)以及磨削切深(0.10mm、0.25mm和0.40mm)等磨削条件对磨削区热源分布的影响，并分析了不同磨削条件下骨头的三维瞬态温度场。(2)进行了新鲜牛大腿皮质骨的骨头干磨削（未加冷却液）实验研究，获得了在8种不同磨削工况下测点的瞬态温度信息。利用实验研究结果和Active set优化方法反演了不同磨削工况下进入骨头的磨削热，在此基础上重构了不同磨削工况下骨头的三维瞬态温度场。结果表明，当接触角为30°，磨削切深为0.40mm，进给速度为20mm/min时，骨头的瞬时最高温度接近210°C；此时，若以50°C作为人体组织出现热损伤的临界值，沿横向方向(y方向)热损伤范围将扩散到离磨削槽约3mm的区域，沿深度方向(z方向)热损伤范围将扩散到磨削表面下3mm的位置。(3)根据磨削实验获得的电机脉冲宽度调制(PWM)信号，以及通过反演获得的进入骨头的磨削热，探索了磨削过程电机占空比与磨削热之间的函数关系。结果表明，电机占空比与磨削热之间具有良好的线性相关性；当磨具沿±y方向进给时，函数的线性斜率略低于磨具沿±x方向进给时的斜率。对于所选择的三种模型条件，利用该线性函数估算了骨头的磨削热并利用前述的磨削过程瞬态有限元热分析模型获得了骨头的瞬态温度场，并与实验过程中获得的测点温度响应进行了对比，验证了该线性函数模型的有效性。上述构造为实现磨削温度的实时监控创造了条件。(4)针对前述利用机械磨削理论的磨具与骨头接触表面的热流分配估算模型存在的问题，将骨头磨削热问题归结为具有未知分布式移动热源的非稳态传热问题，通过空间函数和时间函数的叠加，构造了磨削区热流密度的瞬态分布函数，并分别利用顺序函数法(SFSM)和序列二次优化(SQP)方法对磨具与骨头接触表面的瞬时平均热流密度和热流密度的瞬时分布函数进行同时反演。文中通过数值仿真实验对上述的瞬态分布热源反演方法的有效性进行了验证，并结合骨头磨削实验获得的实测温度信息，反演了实验过程磨具与骨头接触表面的瞬时分布热流，在此基础上对实验过程骨头的瞬态温度场进行了重构。(5)针对临床中常用的常温滴灌冷却技术存在的问题，设计了一种适用于骨头磨削的低温喷雾冷却实验系统。通过实验获得了磨削槽正下方0.5mm、1.0mm和1.5mm处被磨削骨头的瞬态温度。实验结果表明，当磨具向后进给，冷却液温度为3°C，喷雾流量为120ml/h时，低温喷雾冷却具有明显的预冷效果，磨削槽正下方0.5mm处最高平均温度约为21.0°C；当磨具向前进给时，由于喷嘴朝向限制了冷却液进入磨削区，磨削槽正下方0.5mm处最高平均温度约为70.0°C，无法获得理想的降温效果。进一步，根据实验测量结果，采用考虑对流换热的有限元热分析模型和传热学反问题方法重构了喷雾冷却条件下骨头的温度场。数值结果表明，采用低温喷雾冷却技术，当磨具向后进给时，能够明显抑制43°C的热损伤边界向磨削表面下方的扩散范围。