مدل سازي و بهينه سازي چند منظوره پارامتر هاي موثر در سوراخ كاري استخوان

Modeling and multi objective optimization of effective parameters in drilling cortical bone

سوراخ كاري استخوان يكي از متداول ترين فرآيندهاي عمل جراحي ارتوپدي به منظور درمان و ثابت نگهداشتن اجزا استخوان شكسته شده در كنار يكديگر مي باشد. مهمترين عارضه اي كه ممكن است در عمل جراحي مذكور ايجاد شود، بالا رفتن دماي فرآيند سوراخ كاري از محدوده مجاز (47 درجه سانتي گراد) و ايجاد نكروز حرارتي يا مرگ سلولي و سوختگي موضعي در بافت استخوان باشد. همچنين اعمال نيروي بيش از حد به استخوان سبب ايجاد شكست و ترك خوردگي و ايجاد آسيب جدي در استخوان مي شود. در اين مقاله يك مدل رياضي رگرسيون خطي مرتبه دوم به منظور پيش بيني رفتار دماي فرآيند در حين عمل سوراخ كاري استخوان برحسب سرعت دوران ابزار و نرخ پيشروي و برهم كنش هاي موثر آنها ارايه شده است. اين مدل مي تواند حداكثر سرعت عمل جراح را در محدوده مجاز دمايي مشخص نمايد. همچنين با طراحي آزمايش ها و مدل سازي و بهينه سازي پارامترهاي موثر در فرآيند سوراخكاري استخوان براي نخستين بار به روش سطح پاسخ، بهينه ي مقدار سرعت دوران ابزار و نرخ پيشروي به منظور دستيابي به كمترين و بهترين مقدار نيرو و زبري سطح ايجاد شده كه نقش مهمي در باز توليد سلول هاي استخواني و كاهش طول دوره درمان دارد، در محدوده دمايي مجاز سوراخ كاري استخوان و عدم آسيب به بافت آن، ضمن يك بهينه سازي چند منظوره ارايه گرديده است. تغييرات سرعت دوران ابزار و نرخ پيشروي در بازه هاي وسيع به ترتيب از 500 تا 2500 دور بر دقيقه و40 تا 60 ميليمتر بر دقيقه در نظر گرفته شده اند. نتايج به دست آمده بدين صورت است كه كمترين افزايش دما و بهترين مقدار زبري سطح به ازاي كمترين مقدار سرعت برشي و كمترين مقدار نرخ پيشروي صورت مي پذيرد و با افزايش اين دو پارامتر دما بالا رفته و البته در سرعت هاي برشي بالا دوباره از نرخ افزايش دما كاسته مي شود و رويه ي مدل سطح پاسخ دما يك رفتار زيني شكل دارد. همچنين كمترين مقدار نيروي وارده به بافت استخوان در نرخ هاي پيشروي كمتر و حداكثر سرعت دوران ابزار حاصل مي شود. لازم به ذكر است كمترين آسيب به استخوان حين عمل جراحي با در نظر گرفتن تمامي موارد فوق در سرعت دوران ابزار 500 دور بر دقيقه و نرخ پيشروي 40 ميلي متر بر دقيقه حاصل مي شود.

Bone drilling is one of the common processes in orthopedic operations for therapy and maintaining different parts of a broken bone with together. The most important possible problem during operation is the unwanted increase in drilling process temperature (higher than 47o C) which causes thermal necrosis or cell death and local burnt in bone tissue. Applying higher forces to the bone may lead to break or crack and consequently serious damage in the bone. In this paper, a second order linear regression model is introduced to predict process temperature during bone drilling as a function of drilling speed, feed rate and effective interactions. This model can specify the maximum speed of the surgery to stay within the acceptable range. Applying design of experiments, modeling and optimization of effective parameters using response surface method in bone drilling, optimized drilling speed and feed rate were obtained to minimize force and surface roughness. Using multi objective optimization, this was done within the acceptable temperature range without tissue damage which can remarkably reduce the regeneration of the bone cells and less therapy period. Drilling speed and feed rate variations were considered in wide ranges of 500 to 2500 rpm and 40 to 60 mm/s, respectively. Results showed that the minimum temperature increase and the best surface roughness are obtained when drilling speed and feed rate is minimum. Increasing these two parameters induced to the higher temperatures. At high drilling speeds, “temperature increase rate” decreases in the way that the response surface model represents horse saddle shape. Also, the minimum force imposed to bone tissue is ascertained in lower feed rates and the most tool drilling speed. It is noted that the lowest damage to the bone during orthopedic surgery occurs with drilling speed of 500 rpm and feed rate of 40 mm/min considering all aforementioned parameters.