مدل‌سازي رياضي و تحليل حساسيت پارامترهاي موثر بر دماي فرآيند سوراخ‌كاري استخوان كورتيكال به كمك نوسان‌هاي فراصوتي

Mathematical Modeling and Sensitivity Analysis of Effective Parameters on Temperature in Ultrasonic Assisted Drilling of Cortical Bone

استفاده از نوسان‌هاي فراصوتي براي كاهش دما در سوراخ‌كاري استخوان يكي از مهم‌ترين فرآيندهاي نوين است كه مورد توجه محققين حوزه جراحي استخوان قرار گرفته است. لذا بررسي رفتار دما در فرآيند سوراخ‌كاري استخوان به كمك نوسان‌هاي فراصوتي و پيش‌بيني رفتار دما نقش مهمي در بهبود استفاده از اين روش در عمل‌هاي جراحي ارتوپدي دارد. در اين پژوهش با استفاده از روش سطح پاسخ و تحليل آماري اثر پارامترهاي فرآيند روي تغييرات دما مورد مطالعه قرار گرفته است. تحليل آماري براي بررسي اثر هر يك از متغيرهاي ورودي شامل سرعت دوراني ابزار، سرعت پيشروي ابزار، دامنه نوسان فراصوتي و برهم‌كنش آنها روي دما انجام شده است. همچنين با استفاده از روش آماري حساسيت سوبل مقدار تاثير و حساسيت هر يك از متغيرهاي ورودي روي دما مورد مطالعه قرار گرفته است. نتايج به‌دست آمده نشان مي‌دهد كه استفاده از نوسان‌هاي فراصوتي باعث كاهش دما مي‌شود و سرعت دوراني (48%)، دامنه نوسان (33%) و سرعت پيشروي (19%) به ترتيب بيشترين اثر را بر دماي فرآيند سوراخ‌كاري به كمك نوسان‌هاي فراصوتي داشته‌اند. استفاده از نوسان‌هاي فراصوتي مي‌تواند باعث كاهش وابستگي دماي فرآيند به سرعت پيشروي شده و در نتيجه امكان انجام جراحي در زمان كوتاه‌تري را ممكن مي‌سازد. كمينه مقدار دما (حدود C°37) در سرعت دوراني 500دور بر دقيقه و سرعت پيشروي 20ميلي‌متر بر دقيقه و دامنه نوسان 15ميكرومتر حاصل شده است.

The use of ultrasonic vibrations to reduce the temperature in bone drilling is one of the most important advanced processes that has attracted the attention of bone surgeons. Therefore, the study of temperature behavior in the ultrasonic-assisted drilling process and the prediction of temperature behavior have an important effect on improving the use of this method in orthopedic surgery. In this research, the influence of process parameters on change in the temperature was studied using response surface methodology and data analysis. Data analysis was carried out to find the effect of process factors such as rotational speed, feed speed, and ultrasonic vibrational amplitude and their interaction on the temperature. Moreover, using the statistical method of Sobol sensitivity, the effect, and sensitivity of each input factor on temperature were studied. The results show that the use of ultrasonic vibrations reduces the temperature, and rotational speed (%48), vibrational amplitude (%33) and feed speed (%19) had the greatest effect on temperature in ultrasonic-assisted bone drilling, respectively. As a result, the use of ultrasonic vibration can reduce the dependency of process temperature on the feed speed, and thus make it possible to perform surgery in a shorter time. The minimum temperature is 37°C at the rotational speed of 50orpm and the feed speed of 20mm/min and the vibration amplitude of 15μm.