بررسي تئوري و تجربي توليد حرارت در فرآيند سوراخ‌كاري استخوان: تعيين سهم حرارت ورودي به استخوان با استفاده از تئوري ماشين‌كاري و انتقال حرارت رسانشي معكوس

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

استخوان‌ها بر اثر سانحه، كهولت سن و بيماري دچار شكستگي مي‌شوند. براي درمان شكستگي استخوان ضروري است استخوان در محل مناسب ثابت نگه‌داشته شود. در شكستگي‌هاي پيچيده، براي ثابت نگه داشتن موضع شكستگي از ابزار و تجهيزات ثابت‌سازي داخلي و خارجي استفاده مي‌شود. به منظور اتصال تجهيزات نگهدارنده، سوراخ‌كاري استخوان الزامي مي‌باشد. در حين سوراخ‌كاري استخوان، نيروهاي لازم جهت تشكيل براده، باعث افزايش دما مي‌گردند. اگر دما توليد شده از C° 47 فراتر رود، باعث پديده نكروز حرارتي در استخوان مي‌شود. نكروز حرارتي سبب عدم ثابت‌سازي و در نتيجه جوش‌خوردگي نادرست استخوان مي‌گردد. در تحقيق حاضر سعي گرديده است تا با استفاده از تئوري ماشين‌كاري، حرارت حاصل از فرآيند سوراخ‌كاري محاسبه شود و بوسيله تئوري Weiner سهم حرارت ورودي به استخوان تخمين زده شود. آزمون‌هاي سوراخ‌كاري بر روي نمونه‌هاي استخوان گاو انجام پذيرفته و تغييرات دما در محل سوراخ اندازه‌گيري شده و با بكارگيري روش انتقال حرارت رسانشي معكوس، ميزان حرارت ورودي محاسبه و با حرارت تئوري مقايسه گرديده است. نتايج نشان دادند كه حرارت‌هاي تئوري و تجربي در شرايط مختلف فرآيندي مختلف به يكديگر نزديك بوده و مشخص گرديد كه تئوري‌هاي ماشين‌كاري و Weiner قادر به پيش‌بيني ميزان حرارت ورودي به استخوان و تغييرات دما در موضع سوراخ مي‌باشند.

Bone fracture occurs as a result of accident, old age and disease. Generally bone fracture treatment consists of stabilizing the fractured bone in the right position. In complex fractures, stabilizing internal and external tools and equipment is used to stabilize the fractured bone in position. Bone drilling is required in order to connect fixating devices. The forces required for chip formation increase the temperature during bone drilling. The phenomenon of thermal necrosis of the bone occurs if the temperature exceeds 47 °C. Thermal necrosis inhibits bone fixation and causes the wrong bone healing. In this study it has been attempted to calculate the heat of drilling process using the machining theory and estimate the share of heat input to the bone by the Weiner theory. Drilling tests conducted on samples of bovine bones and temperature changes in the location of the hole are measured and, using inverse conduction heat transfer method, the heat input is calculated and compared with the theoretical heat. Results showed that the experimental and theoretical heats at different processing conditions are close to each other and revealed that the machining and Weiner theories are able to predict the heat input to the bone and temperature changes in the position of the hole.