مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بهینه‌سازی پارامترهای مؤثر بر کاهش دما و شار حرارتی محل سوراخ‌کاری استخوان کورتیکال وترابکولار فمور بر اساس تئوری انتقال حرارت معکوس

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
فاطمه نگهداری 1
بهنام آخوندی 2
1 دانشگاه زنجان
2 دانشگاه صنعتی سیرجان
چکیده
در جراحی‌های ارتوپدی فرآیند سوراخ­کاری به‌منظور ثابت سازی داخلی محل شکستگی به کار می‌رود. درنتیجه سوراخ­کاری استخوان اگر دما از حد مجاز 47 درجه سانتی گراد فراتر رود، منجر به تغییر ماهیت آلکالین فسفاتاز استخوان، وقوع پدیده‌ی نکروز حرارتی، عدم ثابت سازی و جوش­خوردگی نادرست استخوان می‌شود. به‌منظور بررسی پارامتر­های مؤثر بر این فرآیند در پژوهش حاضر پس از مدل‌سازی هندسی استخوان فمور در نرم‌افزار Mimics، به تخصیص جنس استخوان بر اساس مدل جانسون-کوک و شبیه‌سازی عددی فرآیند سوراخ‌کاری و براده برداری مایل استخوان کورتیکال و ترابکولار پرداخته شده است. فرآیند سوراخ‌کاری در دو حالت معمولی و سرعت‌بالا بر اساس تئوری انتقال حرارت معکوس به کمک نرم‌افزار DEFORM-3D انجام شد. نتایج حاصل از شبیه‌سازی عددی پس از صحت سنجی با نتایج تجربی نشان داد که ضمن توانمندی این تئوری در تخمین دما و شار حرارتی تولیدی، وقوع پدیده نکروز در هر دو فرآیند حتمی است. دمای محل سوراخ‌کاری استخوان ترابکولار نسبت به استخوان کورتیکال در تمامی بازه‌های سرعت و نرخ‌های پیشروی بیشتر است و همچنین نیروی محوری کمتری را متحمل می‌شود. نقطه بهینه که منجر به حصول حداقل دما در سوراخ‌کاری معمولی استخوان ترابکولار و کورتیکال می‌شود مربوط به نرخ پیشروی mm/min150 و سرعت دورانی rpm2000 است. این نقطه بهینه در سوراخ‌کاری سرعت‌بالای استخوان ترابکولار و کورتیکال در نرخ پیشروی mm/min150 و به ترتیب سرعت دورانی rpm4000 و rpm7000 به دست می‌آید.
کلیدواژه‌ها
سوراخ‌کاری استخوان
نکروز حرارتی
انتقال حرارت معکوس
مدل جانسون- کوک
برش مایل

موضوعات

عنوان مقاله English

Optimization of Parameters Affecting on Temperature and Heat Flux in the Location of Femoral Cortical and Trabecular Caused by Drilling Process Based on Inverse Heat Transfer Theory

نویسندگان English

Fatemeh Negahdari 1
Behnam Akhoundi 2
1 Zanjan University
2 Sirjan University of Technology
چکیده English

In orthopedic surgery, the drilling process is used to internally fix the fracture zone. During bone drilling, if the temperature exceeds the limit of 47 °C, it results in altered bone alkaline phosphatase nature, occurrence of thermal necrosis, non-fixation and inadequate bone fusion In order to investigate the effective parameters of the drilling process, after three-dimensional modeling of the femur bone in Mimics software and determination of bone coefficients based on the Johnson-Cook model, numerical simulation of the cortical and trabecular bone oblique drilling process have been performed. The drilling process was performed in both normal and high speed modes based on reverse heat transfer theory using DEFORM-3D software. The results of numerical simulation after validation with experimental results showed that this theory is capable of estimating the temperature and heat flux in this process and the occurrence of necrosis in both processes (normal and high speed) is imminent. The temperature in the drilling area of the trabecular bone is higher than the cortical bone at all speeds and feed rates and the axial force of the trabecular bone is less than the cortical bone at all speeds and feed rates. The optimum point leading to the minimum temperature in normal drilling of trabecular and cortical bone is the feed rate of 150 mm/min and the rotational speed of 2000 rpm. This optimum point is obtained in the high-speed drilling of trabecular and cortical bone at the feed rate of 150 mm/min and rotational speed of 4,000 rpm and 7,000 rpm.

کلیدواژه‌ها English

Bone drilling
thermal necrosis
Inverse heat transfer
Johnson-Cook Model
Oblique Cutting
"1- Hillery, M.T. and Shuaib, I. 1999. Temperature effects in the drilling of human and bovine bone. Journal of Materials Processing Technology, 92: 302-308.
2- Bachus, K.N., Rondina, M.T. and Hutchinson, D.T. 2000. The effects of drilling force on cortical temperatures and their duration: an in vitro study. Medical engineering & physics, 22(10): 685-691.
3- Augustin, G., Davila, S., Udiljak, T., Vedrina, D.S. and Bagatin, D. 2009. Determination of spatial distribution of increase in bone temperature during drilling by infrared thermography: preliminary report. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery, 129(5): 703-709.
4- Shakouri, E., Sadeghi, M.H., Maerefat, M., Karafi, M.R. and Memarpour, M. 2014. Experimental and analytical investigation of thrust force in ultrasonic assisted drilling of bone. Modares Mechanical Engineering, 14(6): 194-200. (In Persian)
5- Shakouri, E., Haghighi Hassanali Deh, H. and Gholampour, S. 2017. Experimental evaluating and statistical modeling of temperature elevation in bone drilling with internal cooling with gas. Modares Mechanical Engineering, 17(3): 47-54. (In Persian)
6- Udiljak, T., Ciglar, D. and Skoric, S. 2007. Investigation into bone drilling and thermal bone necrosis. Advances in Production Engineering & Management, 2(3): 103-112.
7- Davidson, S.R. and James, D.F. 2003. Drilling in bone: modeling heat generation and temperature distribution. J. Biomech. Eng., 125(3): 305-314.
8- Gholampour, S., Shakouri, E. and Deh, H.H.H. 2018. Effect of drilling direction and depth on thermal necrosis during tibia drilling: an in vitro study. Technology and Health Care(Preprint): 1-11.
9- Mediouni, M., Schlatterer, D.R., Khoury, A., Von Bergen, T., Shetty, S.H., Arora, M., Dhond, A., Vaughan, N. and Volosnikov, A. 2017. Optimal parameters to avoid thermal necrosis during bone drilling: a finite element analysis. Journal of Orthopaedic Research, 35(11): 2386-2391
10- Santiuste, C., Rodríguez-Millán, M., Giner, E. and Miguélez, H. 2014. The influence of anisotropy in numerical modeling of orthogonal cutting of cortical bone. Composite Structures, 116: 423-431.
11- Feldmann, A.N., Wili, P., Maquer, G.B. and Zysset, P. 2018. The thermal conductivity of cortical and cancellous bone. European cells & materials eCM, 35: 25-33
12- M. Maerefat, A.Omidvar, Thermal Comfort, pp. 15-21, Tehran: Kelid Amoozesh, 2008. (In Persian)
13- Moulgada, A., Zagane, M., Benouis, A., Sahli, A., Cherfi, M. and Benbarek, S. 2018. Modelling of the Femoral Fracture Under Dynamic Loading. Journal of the Serbian Society for Computational Mechanics/Vol, 12(1): 96-107.
14- Shakouri, E. and Maerefat, M. 2017. Theoretical and Experimental Investigation of Heat Generation in Bone Drilling: Determination of the Share of Heat Input to the Bone Using Machining Theory and Inverse Conduction Heat Transfer. Modares Mechanical Engineering, 17(7): 131-140. (In Persian)
15- Johnson, G.R. 1983. A constitutive model and data for materials subjected to large strains, high strain rates, and high temperatures. Proc. 7th Inf. Sympo. Ballistics: 541-547.
16- Hou, Y., Li, C., Ma, H., Zhang, Y., Yang, M. and Zhang, X. 2015. An experimental research on bone drilling temperature in orthopaedic surgery. The Open Materials Science Journal, 9(1).
17- Alam, K., Khan, M. and Silberschmidt, V.V. 2014. 3D finite-element modelling of drilling cortical bone: Temperature analysis. J Med Biol Eng, 34(6): 618-623.
18- Stumme, L.D., Baldini, T.H., Jonassen, E.A. and Bach, J.M. 2003. Emissivity of bone. Paper presented at the Summer bioengineering conference."
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 22، شماره 10
مهر 1401
صفحه 43-51