بررسي تحليلي و تجربي تاثير سرعت دوراني و نرخ پيشروي بر افزايش دما در سوراخ كاري استخوان كورتيكال

Analytical and experimental investigation of influence of rotational speed and feed on temperature elevation in cortical bone drilling

سوراخ كاري استخوان، يكي از بخش‌هاي ضروري در جراحي ارتوپدي مي‌باشد. اگر دماي اين فرايند بيشتر از 47°C شود، نكروز حرارتي اتفاق مي‌افتد. در صورت وقوع نكروز حرارتي، تثبيت استخوان به خوبي انجام نمي‌گيرد. به همين دليل تحقيقات فراواني براي كاهش نكروز حرارتي صورت گرفته است. در اين مطالعه، با استفاده از يك مدل تحليلي، افزايش دماي استخوان در حين سوراخ كاري و در نرخ پيشروي و سرعت‌هاي دوراني مختلف بررسي شد. براي تاييد نتايج تحليلي، افزايش دماهاي به دست آمده در مقايسه‌ي با فرآيند سوراخ كاري استخوان فمور گاو، ارزيابي شد. با مقايسه‌ي نتايج، مشخص شد كه بين نتايج تحليلي و تجربي تفاوت وجود دارد، كه مربوط مي‌شود به تخمين نادرست سهم حرارت توليد شده كه به استخوان وارد مي‌شود. بنابراين مقادير صحيح اين سهم حرارتي، پس از مقايسه‌ي نتايج تحليلي و عملي به دست آمد. در نهايت، اين نتيجه حاصل شد كه سهم حرارت به نرخ پيشروي و سرعت دوراني وابسته است و همچنين يك رابطه‌ي جديد براي آن ارائه شد. نتايج تجربي در بازه‌هاي بررسي شده نشان دادند كه با افزايش نرخ پيشروي، دما كاهش مي‌يابد و با افزايش سرعت دوراني، دما به صورت نوساني تغيير مي‌كند.

Bone drilling process is one of the essential steps in orthopedic surgeries. If temperature of this process is more than 47 ° C, thermal necrosis occurs. In the event of the thermal necrosis, bone consolidation is not well done. For this reason, a lot of research has been done to reduce the thermal necrosis. In this study, by using an analytical model, bone temperature elevation during drilling was investigated at different feed rates and rotational speeds. To validate the analytical results, the bone temperature elevations were evaluated by comparison with bone drilling process using bovine femurs. With comparison the results, it was found that there are differences between analytical and experimental results that are related to incorrect estimation of the fraction of total heat generated that flows into the bone. Therefore, the correct values of this fraction were obtained after comparing analytical and experimental results. Finally, it was concluded that the fraction is dependent on the feed rate and rotational speed, and also a new equation was presented for it. Experimental results show that within the range of the investigated variables, increase in feed rate causes decrease in bone temperature and with the increase in rotational speed, the bone temperature changes are swinging.