بررسی و بهینه‌سازی پارامترهای مؤثر در رفتار نیرو در فرایند سوراخ‌کاری استخوان کورتیکال به روش سطح پاسخ

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

چکیده

فرایند سوراخ‌کاری استخوان مهمترین فرایند در اعمال جراحی ارتوپدی و درمان شکستگی­هاست و همچنین در دندانپزشکی و نمونه­برداری از استخوان کاربرد فراوانی دارد و به جهت پیچیدگی ماده تحت فرایند ماشین‌کاری و حساسیت فرایند، یکی از مهمترین، حساس­ترین و پرکاربرد­ترین فرایندهای مکانیکی درحوزه مهندسی پزشکی است. با استفاده از ربات‌های جراحی در سوراخ‌کاری استخوان و استفاده از دریل‌های اتوماتیک می توان اعمال جراحی ارتوپدی را بهبود بخشید. در انجام فرایند سوراخ‌کاری استخوان، اعمال نیروی بیش از حد به استخوان سبب ایجاد شکست و ترک خوردگی و ایجاد آسیب جدی در استخوان می­شود. و همچنین این امکان وجود دارد که مته جراحی در داخل بافت دچار شکستگی گردد. در این مقاله یک مدل ریاضی رگرسیون خطی مرتبه دوم به منظور پیش­بینی رفتار نیروی فرایند در حین عمل سوراخ‌کاری استخوان برحسب سرعت دوران ابزار، نرخ پیشروی، قطر ابزار و برهم کنش­های مؤثر آنها ارائه شده است. این مدل می­تواند با دقت مناسب نیروی محوری اعمالی به بافت استخوان را در بازه آزمایش‌ها پیش‌بینی نماید. همچنین با طراحی آزمایش­ها و مدل سازی و بهینه­سازی پارامترهای مؤثر در فرایند سوراخ‌کاری استخوان به روش سطح پاسخ، بهینه‌ی مقدار سرعت دوران ابزار، نرخ پیشروی و قطر ابزار به منظور دستیابی به کمترین  مقدار نیرو ایجاد شده در حین سوراخ‌کاری استخوان و عدم آسیب به بافت آن، ارائه گردیده است. نتایج به دست آمده بدین صورت است که هرچه قطر مته مورد استفاده کوچکتر باشد و سرعت دورانی ابزار بیشتر گردد و در فرایند سوراخ‌کاری از نرخ پیشروی کمتری استفاده شود، نیروی محوری وارده بر بافت استخوان کمتر خواهد بود.

عنوان مقاله [English]

An investigation and optimization of effective parameters on thrust force in drilling cortical bone process using response surface methodology

چکیده [English]

Bone drilling process is the most prominent process in orthopedically surgeries and curing bone breakages. It is also very common in dentistry and bone sampling operations. Due to complexity of the material that is machined, bone, and the sensitivity of the process, bone drilling is one of the most important, common and sensitive processes in biomedical engineering field. Developed a three-axis robotic bone-drilling system and mechatronic bone-drilling tools improved the orthopedic operations. Furthermore, imposing higher forces to bone might lead breaking or cracking and consequently serious damage in bone. In this paper a mathematical second order linear regression model is introduced to predict process force behavior during bone drilling process as a function of tool drilling speed, feed rate, tool diameter and effective interactions. This model can predict carefully force behavior during bone drilling within the acceptable range. Moreover, applying design of experiments, modeling and optimization of effective parameters using response surface method in bone drilling process optimized drilling speed, feed rate and tool diameter were obtained to minimize force. Results show that to minimize force increasing the drilling speed would decrease the thrust force, whereas decreasing the feed rate and tool diameter would decrease the Thrust force.