مکانیک مواد پیشرفته و هوشمند
فصلنامه

بررسی و تحلیل پارامترهای موثر بر فرآیند سوراخکاری استخوان مبتنی بر روش تاگوچی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

فربد ستوده 1
رضا سعیدی ابواسحقی 2
وحید طهماسبی 3
محمد محمدیان 4
قدرت اله طاهری 5

1 استادیار دانشگاه صنعتی اراک

2 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی برق، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی اراک.

3 دانشکده مهندسی مکانیک - دانشگاه صنعتی اراک - اراک - ایران

4 دانشکده مهندسی برق دانشگاه صنعتی اراک

5 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک،

https://doi.org/10.61186/masm.4.1.139
چکیده
یکی از مهم‌ترین، حساس‌ترین و پر کاربرد ترین فرآیند های ماشین‌کاری در حوزه جراحی‌ها و مهندسی پزشکی، فرآیند سوراخکاری استخوان می‌باشد. سوراخکاری استخوان کاربرد عمده ای در جراحی‌های ارتوپدی، درمان شکستگی‌ها و نمونه برداری‌های استخوانی و همچنین دندان‌پزشکی دارد. مهم‌ترین عارضه‌ای که ممکن است در عمل جراحی براده برداری از استخوان ایجاد شود، بالا رفتن دما از محدوده مجاز و ایجاد نکروز حرارتی در بافت استخوان می باشد. بطور کلی اگر دمای فرآیند سوراخکاری اسخوان بیشتر از C°٤٧ شود، نکروز حرارتی اتفاق می‌افتد. در صورت وقوع نکروز حرارتی، تثبیت استخوان به خوبی انجام نمی‌گیرد. در سال‌های اخیر محققان به دلیل عدم استفاده از روش‌های بهینه‌سازی کارآمد و نیز عدم در نظرگرفتن تمامی پارامترهای موثر بر فرآیند سوراخکاری استخوان به نتایج قابل قبولی در این زمینه دست نیافتند. همچنین دستیابی به بهترین پارامترهای موثر جهت جلوگیری از بروز نکروز حرارتی نیز میسر نگردید. لذا در این مقاله، جهت جلوگیری از این موضوع، ضمن طراحی دقیق آزمایش‌ها، یک روش نسبتا دقیق به عنوان راهکاری جهت کنترل دما و نیروی محوری به‌منظور بهینه‌سازی پارامترهای موثر بر فرآیند سوراخکاری استخوان و بهبود فرآیند سوراخکاری استخوان ارائه شده است که در این مقاله، از روش بهینه‌سازی تاگوچی بدین منظور استفاده شده است و این روش درمقایسه با سایر روش های بهینه‌سازی، درمدت زمان کوتاه‌تری فرآیند بهینه-سازی را با دقت بسیار بالایی انجام می‌دهد.

کلیدواژه‌ها

ماشین‌کاری
سوراخکاری‌استخوان
بافت استخوان
بهینه‌سازی فرآیند
الگوریتم تاگوچی

عنوان مقاله English

Investigating and analyzing parameters affecting the bone drilling process using the Taguchi method.

نویسندگان English

farbod setoudeh 1
Reza Saeidi Abueshaghi 2
Vahid Tahmasbi 3
mohammad mohammadian 4
Ghodratollah Taheri 5
1 arak university of technology
2 Department of Electrical Engineering, Faculty of Electrical and Computer Engineering, Arak University of Technology
3 Department of Mechanical Engineering, Arak University Of Technology, Arak, Iran
4 faculty of electrical engineering, arak uiniversity of technology
5 Faculty of Mechanical Engineering, Arak University of technology
چکیده English

The bone drilling process is a crucial and widely used machining technique in the field of surgery and medical engineering. It is particularly prominent in orthopedic surgery, fracture treatment, bone sampling, and dentistry. The most important complication that may occur in bone removal surgery is the increase in temperature from the permissible range and causing thermal necrosis in the bone tissue. In general, if the temperature of the bone piercing process exceeds 47°C, thermal necrosis occurs. In case of thermal necrosis, bone fixation is not done well. In recent years, researchers did not achieve acceptable results in this field due to the lack of efficient optimization methods and the failure to consider all parameters affecting the bone drilling process. Also, it was not possible to achieve the best effective parameters to prevent thermal necrosis. Therefore, in this article, in order to prevent this issue, along with the precise design of the experiments, a relatively accurate method has been presented as a solution to control the temperature and axial force in order to optimize the effective parameters on the bone drilling process and improve the bone drilling process. In this article, the Taguchi optimization method is used for this purpose, and this method performs the optimization process with high accuracy in a shorter period of time compared to other optimization methods.

کلیدواژه‌ها English

Machining
Bone Drilling
bone tissue
Process optimization
Taguchi algorithm
[1] Tahmasbi V, Ghoreishi M, Zolfaghari M. Investigation, sensitivity analysis, and multi-objective optimization of effective parameters on temperature and force in robotic drilling cortical bone. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 2017;231:1012-24.
[2] Singh G, Jain V, Gupta D. Multi-objective performance investigation of orthopaedic bone drilling using Taguchi membership function. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 2017;231:1133-9.
[3] Sousanabadi Farahani A, Khalili O, Torabi A. Sensitivity analysis of effective parameters on bone drilling force by using E-fast method. Mechanics of Advanced and Smart Materials. 2023;3(1):83-94.
[4] Safari M, Tahmasbi V, Hassanpour P, Zolfaghari M. Experimental investigation, sensitivity analysis and optimization on the effect of drill bit’s point angle and helix angle on cortical bone drilling process temperature Journal of Mechanical Engineering University of Tabriz. 2022; 52(1):11-19.
[5] Tahmasbi V, Pak A, Zeinolabedin Beygi A, HassanPour P. Experimental Analysis and Optimization of Thrust Force in the Orthopedic Drilling Process Using the Tool Coated with Titanium Nitride Nano Coating by the Physical Vapor Deposition Method. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2022;9(5):49-59.
[6] Shakouri E, Sadeghi M H, Maerefat M, Karafi M, Memarpour M. Experimental and Analytical Investigation of Thrust Force In Ultrasonic Assisted Drilling of Bone. Modares Mechanical Engineering 2014; 14 (6) :194- 200.
[7] Sarparast M, Ghoreishi M, Jahangirpoor T, Tahmasbi V. Modelling and optimisation of temperature and force behaviour in high-speed bone drilling. Biotechnology & Biotechnological Equipment. 2019;33:1616-25.
[8] Jamil M, Khan AM, Hegab H, Mia M, Gupta MK. Modeling, multi-objective optimization and cost estimation of bone drilling under micro-cooling spray technique: an integrated analysis. International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM). 2020;14:435-50.
[9] Garg A, Shankhwar K, Jiang D, Vijayaraghavan V, Panda BN, Panda SS. An evolutionary framework in modelling of multi-output characteristics of the bone drilling process. Neural Computing and Applications. 2018;29:1233-41.
[10] Tai BL, Palmisano AC, Belmont B, Irwin TA, Holmes J, Shih AJ. Numerical evaluation of sequential bone drilling strategies based on thermal damage. Medical Engineering & Physics. 2015;37:855-61.
[11] Tsiagadigui JG, Ndiwe B, Yamben M-AN, Fotio N, Belinga FE, Njeugna E. The effects of multiple drilling of a bone with the same drill bit: thermal and force analysis. Heliyon. 2022;8.
[12] Misic T, Markovic A, Todorovic A, Colic S, Miodrag S, Milicic B. An in vitro study of temperature changes in type 4 bone during implant placement: bone condensing versus bone drilling. Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology, Oral Radiology, and Endodontology. 2011;112:28-33.
[13] Tahmasbi V, Ghoreishi M, Zolfaghari M. Investigation, sensitivity analysis, and multi-objective optimization of effective parameters on temperature and force in robotic drilling cortical bone. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine 2017;231(11): 1012-1024.
مکانیک مواد پیشرفته و هوشمند
دوره 4، شماره 1
بهار 1403
صفحه 139-157

  • تاریخ دریافت 24 فروردین 1403
  • تاریخ بازنگری 14 خرداد 1403
  • تاریخ پذیرش 25 خرداد 1403

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

تماس با ما