مقاله کامل سوراخكاري استخوان به كمك ارتعاشات التراسونيك

سوراخكاری استخوان به كمك ارتعاشات التراسونیك
چكیده
سوراخكاری استخوان در جراحیهای ارتوپدی برایثابتسازی داخلییا خارجی استخوان شكسته شده، عملی شناخته شده است. در سوراخكاریبه كمك ارتعاشات التراسونیك، ابزار علاوه بر حركت چرخشی متداول خود، با فركانس 16 تا 40 كیلوهرتز و دامنه1 تا30 میكرون در راستای محور دوران ارتعاشمیكند. در این مقاله، سوراخكاری استخوان به كمكارتعاشات التراسونیك با سوراخكاری بهروش متداول ، بررسی و مقایسه شده است. برای انجام آزمایشات، مجموعه تجهیزات لازم، طراحی و ساخته شده است. سپس مقادیرنیرو و حداكثر دمای ایجاد شده در استخوان، با نرخ پیشروی50، 75 و 125 میلیمتر بر ثانیه و سرعت دورانی500 ، 710 و1000 دور در دقیقه در سوراخكاری به روش معمولی و سوراخكاری به كمك ارتعاشات التراسونیكاندازهگیری شده است. با توجه به نتایج،ارتعاشات التراسونیك سبب كاهش نیروی سوراخكاری تا 58 درصد‌ می‌شود. همچنین در دورهای كم، بدست آمده از ارتعاشاتالتراسونیك، دمای ایجاد شده را كاهش میدهد.
كلید واژه:سوراخكاری- ارتعاشات التراسونیك- استخوان- دمای ماشینكاری- نیروی ماشینكاری
1- مقدمه
1-1- سوراخكاری استخوان
سوراخكاری در جراحیهای ارتوپدی برایثابتسازی داخلییاخارجی استخوان شكسته، عملی شناخته شده است (شكل 1). ثابت سازی استخوان شكسته، سبب كاهش زمان ترمیممیگردد.در هنگام سوراخكاری استخوان، دمای سلولهای اطراف سوراخ افزایشمییابد. چنانچه كه دمای سلول
استخوانی انسان به بیش از˚100C افزایش یابد، یادر صورتی كه به مدت بیش از یك دقیقه در دمایبیش ازC ˚55 باشد، سلول دچار نكروز (مرگ سلولی) میشود [1].
اگر سلولهای اطراف سوراخ دچار نكروز شوند، چند روز بعد از عملجراحی پیچهایی كه در زمان جراحی برای ثابت سازی استخوان بكارمیروند، شل شده و وظیفه اصلی خود (ثابت سازی محل شكستگی)را نمی توانند به درستی انجام دهند.
/
شكل (1): كاربرد سوراخكاری درثابتسازی استخوان شكسته[3]
علاوه بر مشكل نكروز دمایی استخوان، در بعضی موارد به دلیلاعمال نیروی زیاد سوراخكاری توسط جراح، احتمال شكست ابزار درداخل استخوان نیز وجود دارد (شكل 2).
/
شكل(2): شكستن مته در داخل استخوان[4]
آزمایشات باچوسو ماتیو[2] و لاری و ماتیو[1] نشان داد، افزایشنیرو باعث كاهش چشمگیر دمای حداكثر و مداومت آن‌ می‌گردد. هیلاری و شعیب[3] و لاری و ماتیو[1] دریافتند، افزایش سرعتدوران، حداكثر دمایسوراخكاری و مداومت دمای
اطراف استخوانرا كاهش‌ می‌دهد. یكی دیگر از عوامل تاثیرگذار بر افزایش دمایاستخوان در سوراخكاری، هندسه ابزار است. هیلاری و شعیب[3] نشان دادند كه زاویه راس مته تاثیر محسوسی در افزایش دما ندارد. ناتالی و انگل[4] با بررسی6 مته مختلف دریافتند، زاویه مارپیچ2 كم سبب كاهش حداكثر دما و مداومت آن‌ می‌شود. همچنین یودیلجك و سیگلار [5] با استفاده از مته دو مرحلهای افزایش دمای استخوانرا بهطور چشمگیری كاهش دادند. استفاده از مته‌های مستعملسبب افزایش بیشتر دما و مداومتطولانیتر دمایی‌ می‌شود.
خنك كاری با آب محل سوراخكاری باعث كاهش میزان افزایشدمای استخوان‌ می‌گردد[1].
1-2- ماشین كاری به كمك ارتعاشات التراسونیك
در این روش، ابزار برشی علاوه بر حركت معمول خود، تحت تأثیرارتعاشات التراسونیك حركتی رفت و برگشتی با دامنه چند میكرونو فركانس بین 16 تا 30 كیلوهرتز دارد. این حركت میتواند، درراستای حركت اصلی ابزار و یا عمود بر آن باشد. این روش در اكثر ماشینكاری‌های متداول سبب بهبود فرایند تولید شده است. تاكنون اثرات موثر استفاده از این تكنیك در تراشكاری[6]، سنگزنی [7] وسوراخكاری[8و9و10] مشاهده شده است. تجهیزات تولید ارتعاشاتالتراسونیك شامل ژنراتور، ترانسدیوسر و هرن است. ژنراتور جریانالكتریكی ورودی با فركانس 50 هرتز را
تبدیل به جریانی با فركانس16 ت ا 40 كیل وهرتز م ی كن د. س پس ای ن جری ان الكتریك ی در ترانسدیوسر به امواج مكانیكی با فركانس 16 تا 40 كیلوهرتز تبدیل میگردد. دامنه این ارتعاشات معمولا كمتر از 50 میكرون است. اینارتعاشات توسط هرن (انتقال دهنده) به ابزار منتقل‌ می‌شود. در برخی موارد هرن علاوه بر انتقال ارتعاش، دامنه آن را نیز تقویت‌ می‌كند. در شكل (3) شماتیكی از مجموعه التراسونیك نشان دادهشده است.
در سوراخكاری به كمك ارتعاشات التراسونیك ابزار علاوه بر حركتدورانی در سوراخكاری معمول، در جهت محور سوراخكاری، حركتی رفت و برگشتی دارد. استفاده از این روش برای سوراخكاریخصوصاً سوراخ‌هایی با عمق زیاد، بسیار كارآمد است[8].
/شكل(3): نمایی شماتیك از مجموعه ترانسدیوسر، هرن و ابزار
بررسی‌های انجام شده توسط چانگ و بون [11] نشان داد، اندازهبراده در سوراخكاری به كمك ارتعاشات التراسونیك بدلیل ایجادارتعاش پیوسته ابزار كوچكتر از سوراخكاری معمولی است. همچنین آزمایشات بابیسكی و استاشو[12]، چانگ و بون [11] و لیو و چنچانگ و بون [10] نشان داد، نیروی سوراخكاری به مقدار قابلتوجهی در روش جدیدكاهش‌ می‌یابد[12].
یكی از دلایل كاهش نیروی محوری، كوچكتر شدن اندازه براده‌ها ودر نتیجه جدایش سریعتر آنها از ابزار است. همچنین، بدلیل وجودارتعاشات پیوسته ابزار در راستای سوراخ، چسبندگی ابزار به جداره‌های سوراخ كمتر شده و در نتیجه نیروی اصطكاك و نیرویتماس كاهش‌ می‌یابد . [8, 9, 11].عمر ابزار در سوراخكاری بهكمك التراسونیك نسبت به حالت معمولی به طور كاملاً محسوسافزایش‌ می‌یابد. محققین افزایش عمر ابزار تا 3 برابر را گزارشداده اند [10]. اكبری و آذرهوشنگ[9]گردی و استوانه ای بودنسوراخ را در دو روش با یكدیگر مقایسه كردند. در این روش به طورچشمگیری نتایج بهبود یافت. همچنین آنها نشان دادند برای بعضیمواد همچون سوپر آلیاژ اینكونل738 كه امكان سوراخكاری به روشمعمولی وجود ندارد، به كمك ارتعاشات التراسونیك میتوان باكیفیت بالا سوراخكاری را انجام داد.
2- تجهیزات آزمایش
در این پژوهش برای تسهیل سوراخكاری از علاوه بر حركت متداوالابزار، از ارتعاشات التراسونیك استفاده شد. ترانسدیوسر به كار رفتهدر مجموعه التراسونیك از نوع
پیزوالكتریك بود كه امواج الكتریكیتولید شده ژنراتور ر ا به ارتعاشات مكانیكی تبدیل‌ می‌كرد. جنسهرن (انتقال دهنده) از آلومینیوم 7075 انتخاب شد. هرنبرایفركانس كاری20 كیلوهرتزطراحی شد. آنالیز مودال و تعیین ابعاددقیق و محل تكیه گاه توسط نرم افزارANSYSانجام شد. برایایجاد حركت دورانی از دستگاه تراش مدل TN40A ساخت كارخانهماشین سازی تبریز استفاده شد. با توجه به محدودهدماییكاری(10- 150 درجهسانتیگراد)، از ترموكوپل سیمیk-typeبا قطر8/0 میلیمتر استفاده شد. فاصله دیواره سوراخ تا ترموكوپل 7/0 میلیمتر در نظر گرفته شده بود. برای اندازه گیری دما ازدستگاهLogoscrean ساخت شركتJUMOاستفاده شد. دینامومتر مورداستفاده در اندازهگیری نیرو از نوع پیزوالكتریكی، مدل9255Bساخت شركتKISTLERبود. نرخ نمونه برداری در آزمایشات10000 هرتز در نظر گرفته شد. مته‌های مورد استفاده، از نوعمته‌های پزشكی با قطر 2/3 میلیمترو زاویه راس 110 درجه بود.
نمونه‌ها از قسمت جلو و میانی استخوان تازه فمور گاو تهیه شد. ابعاد نمونه‌ها20×20×40 میلیمتر انتخاب شد. حداقل ضخامت در نظر گرفته شده برای محل سوراخ كاری9 میلیمتر بود.
نمونه‌هایی كه ضخامتشان كمتر از این مقدار بود، از آزمایشات حذفشدند.
/
شكل(4): قرار گرفتن نمونه در فیكسچر و محكم كردن پیچ
/
شكل(5): نمایی از مجموعه تجهیزات آزمایش
3- آزمایشات
بعد از ثابت شدن نمونه استخوانی در فیكسچر شكل(4)، قطعه راهنما (جیگ) بر روی فیكسچر قرار‌ می‌گرفت. سپس با استفاده از پین و چكش به آرامی محل دقیق مركز سوراخكاری و محل قرار گرفتن ترموكوپل نشانه گذاری‌ می‌شد. سپس قطعه راهنما از فیكسچر جدا‌ می‌شد. و سوراخی به قطر 8/0 میلیمتر و عمق 4 میلیمتر برای قرار گرفتن ترموكوپل در محل نشانه گذاری شده،ایجاد‌ می‌شد. ترموكوپل در محل مورد نظر قرارمیگرفت. در مرحله بعد، مجموعه رینگ بر روی فیكسچر محكم‌ می‌شد. سپس دو انتهای سیم‌های ترموكوپل به دو پایانه رینگ متصل‌ می‌گردید.
بعد از آن جاروبك‌ها بر روی رینگ قرار میگرفت. در نهایت بعد ازاطمینان از درست بودن اتصالات و محل قرار گیریجاروبك‌ها، پایهجارویك ثابت میشد. سرعت گردش اسپیندل و نرخ پیشروی متهتنظیم‌ می‌شد. سپس مته تا فاصله 5 میلیمتر، به استخوان نزدیكشده بعد از كنترل موقعیت نوك مته و محل نشانه گذاری شده واطمینان از عدم تماس سیم‌های ترموكوپل و مته و محكم بودنجاروبك‌ها، ماشین تراش روشن و شروع به گردش میكرد . بعد ازرسیدن سرعت اسپیندل به حالت ثابت، كلید استارت دینامومتربرای ثبت نیرو فشرده‌ می‌شد. دما نیز به وسیله دستگاهlogoscreanثبت‌ می‌شد. جاروبك‌ها با رینگ ترموكوپلبه مدت 2 دقیقه بعد ازاتمام سوراخكاری برای ثبت تغییرات دمای استخوان، تماس داشتند.
برای تست‌هایی كه در آنها سوراخكاری به كمك التراسونیك انجام‌ می‌شد، قبل از روشن كردن دستگاه تراش، منبع مولد دستگاهالتراسونیك روشنمیشد . در شكل (5) نمایی از كل مجموعهآزمایش نشان داده شده است. همه آزمایشات در دمای اتاق انجامشد.
4- نتایج و بحث
4-1- تاثیر سرعت دوران در نرخ پیشرویmm/s50در نیروی سوراخكاری
در گروه اول آزمایشات، سوراخكاری در نرخ پیشرویmm/s 50 و در سرعت‌های دورانی500، 710، 1000 دور بر دقیقه انجام شد.
جدول 1 میانگین نیروها (Mean) و انح راف از معیار (SD) برای هردسته از داده‌هادر سوراخكاری معمولی (CD) و سوراخكاری بهكمك ارتعاشات التراسونیك (USD)، را نشان‌
می‌دهد. برای مقایسهبهتر، در شكل(6) نمودار نتایج نشان داده شده است.
جدول(1): میانگین و انحراف از معیار نیروی سورخكاری در نرخ پیشروی50(mm/s)
/
شكل(6): مقایسه تاثیر سرعت دورانی در نرخ پیشرویmm/s50 در نیروی سوراخكاری دو روش
در سوراخكاری منشا نیروهای مقاوم، نیروی براده برداری، نیرویفشاری بین ابزار و كف سوراخ، نیروی اصطكاك بین جداره سوراخ باابزار و نیروی اصطكاك بین براده با ابزار است.
در سوراخكاری معمولی با افزایش سرعت دوران، نیروی سوراخكاریكاهش می‌یابد. زیرا با افزایش سرعت دوران درنرخ پیشروی ثابت، ضخامت براده تشكیل نیافتهكاهش‌ می‌یابد. در نتیجه نیرویتشكیل براده، با افزایش سرعت دوران كم میشود . همچنین باافزایش سرعت دوران، سرعت خروجبراده‌های استخوانی بیشتر وانباشتگی ذرات داخل شیارهای مته كمتر میگردد. در نتیجه نیرویفشاری لازم برای غلبه بر تخلیه براده كاهش می‌یابد.
پژوهشی
در سوراخكاری به كمك ارتعاشات التراسونیك، در سرعت‌هایمختلف دوران، در مقدار نیرو تفاوت محسوسی مشاهده نشد. بدلیلارتعاشات نوك ابزار، ریز ترك‌هایی در استخوان ایجاد‌ می‌گردد.
وجود ترك در استخوان سبب كاهش اندازه براده و در نتیجه كاهشنیروی براده برداری‌ می‌گردد. همچنین در سوراخكاری به كمكالتراسونیك با توجه به ایجاد ارتعاش پیوسته ابزار، نیرویاصطكاك بین براده و اب زار، همچن ین اص طكاك بین براده وجداره‌های سوراخ استخوان كاهش‌ می‌یابد. با توجه به لرزش پیوستهابزار، ذرات بدون ایجاد انباشتگی از شیارها خارج‌ می‌گردند. در محدوده سرعت‌های آزمایش شده در سوراخكاری التراسونیك، مقدارنیرو از سرعت دوران مستقل است. دلیل اصلی این رفتار، ایجاد ریزترك در استخوان و تشكیل براده‌های هم اندازه در نرخ پیشرویثابت است. نیروها در سوراخكاری به كمك ارتعاشات التراسونیكنسبت به سوراخكاری معمولی در سرعت‌های دورانی مختلف، از 38 تا 57 درصد كاهش داشته است.
4-2- تاثیر نرخ پیشروی در سرعت دورانی710 دور بردقیقهدر نیروی سوراخكاری
سرعت دورانی دریل‌های مورد استفاده در جراحی‌های ارتو پدی، بین700 تا 800 دور بردقیقه است. لذا برای بررسی تاثیر نرخ پیشروی،سرعت دورانی710 دور بردقیقه انتخاب شد. با افزایش نرخ پیشروی، نیروی سوراخكاری در هر دو حالت افزایش یافت (شكل(7) و جدول (2)). با افزایش نرخ پیشروی، مقدار نفوذ در واحد دورافزایش‌ می‌یابد. با افزایش مقدار

فایل : 15 صفحه

فرمت : Word