بررسي و بهينه سازي پارامترهاي موثر در رفتار نيرو در فرايند سوراخ كاري استخوان كورتيكال به روش سطح پاسخ

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

فرايند سوراخ كاري استخوان مهمترين فرايند در اعمال جراحي ارتوپدي و درمان شكستگي هاست و همچنين در دندانپزشكي و نمونه برداري از استخوان كاربرد فراواني دارد و به جهت پيچيدگي ماده تحت فرايند ماشين كاري و حساسيت فرايند، يكي از مهمترين، حساس ترين و پركاربرد ترين فرايندهاي مكانيكي درحوزه مهندسي پزشكي است. با استفاده از ربات هاي جراحي در سوراخ كاري استخوان و استفاده از دريل هاي اتوماتيك مي توان اعمال جراحي ارتوپدي را بهبود بخشيد. در انجام فرايند سوراخ كاري استخوان، اعمال نيروي بيش از حد به استخوان سبب ايجاد شكست و ترك خوردگي و ايجاد آسيب جدي در استخوان مي شود. و همچنين اين امكان وجود دارد كه مته جراحي در داخل بافت دچار شكستگي گردد. در اين مقاله يك مدل رياضي رگرسيون خطي مرتبه دوم به منظور پيش بيني رفتار نيروي فرايند در حين عمل سوراخ كاري استخوان برحسب سرعت دوران ابزار، نرخ پيشروي، قطر ابزار و برهم كنش هاي موثر آنها ارائه شده است. اين مدل مي تواند با دقت مناسب نيروي محوري اعمالي به بافت استخوان را در بازه آزمايش ها پيش بيني نمايد. همچنين با طراحي آزمايش ها و مدل سازي و بهينه سازي پارامترهاي موثر در فرايند سوراخ كاري استخوان به روش سطح پاسخ، بهينه ي مقدار سرعت دوران ابزار، نرخ پيشروي و قطر ابزار به منظور دستيابي به كمترين مقدار نيرو ايجاد شده در حين سوراخ كاري استخوان و عدم آسيب به بافت آن، ارائه گرديده است. نتايج به دست آمده بدين صورت است كه هرچه قطر مته مورد استفاده كوچكتر باشد و سرعت دوراني ابزار بيشتر گردد و در فرايند سوراخ كاري از نرخ پيشروي كمتري استفاده شود، نيروي محوري وارده بر بافت استخوان كمتر خواهد بود.

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.