شماره راهنما :
1779 دكتري
پديد آورنده :
رضائي، مهدي
عنوان :
برش بافت استخواني بدون آسيب به بافت نرم مجاور به كمك امواج فراصوتي
گرايش تحصيلي :
ساخت و توليد
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
صفحه شمار :
پانزده، 186ص.: مصور، جدول، نمودار
استاد راهنما :
محمود فرزين
استاد مشاور :
فرشيد احمدي، محمدرضا نيرومند
توصيفگر ها :
برش فراصوتي , استخوان غشايي , مبدل فراصوتي , متمركزكننده , تحليل اجزاي محدود , طراحي آزمايش , نيروي برش , تحليل رگرسيون و واريانس.
استاد داور :
محمدرضا موحدي، عليرضا فدايي تهراني، سعيد بهبهاني، مهدي سلماني تهراني
تاريخ ورود اطلاعات :
1400/06/07
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1400/06/16
چكيده فارسي :
برش بافت اصطلاحي است كه براي برش مواد زيستي بدن انسان استفاده ميشود كه شامل بافتهاي نرم مانند پوست يا بافتهاي سخت مانند استخوان ميگردد. برش استخوان هميشه يك چالش اساسي در بين جراحان بوده و هست زيرا به مهارت بالا و ابزار دقيق براي يك عمل موفقيت آميز نياز دارد. اگرچه برخي دستگاههاي تجاري براي انجام عملهاي مختلف جراحي در دست ساخت هستند، اما همچنان نياز به طراحي ابزارهاي مناسب براي برشهاي دقيقتر و عميقتر وجود دارد. لازم است اين دستگاهها به كاهش اثرات مضر جراحي و بهبود بهتر و سريعتر بافت كمك كنند. انرژي فراصوتي با مزاياي قابل توجه براي كاربردهاي مختلف صنعتي از جمله خودرو، تهيه غذا، نساجي و مواد فراهم شده است. در زمينه پزشكي هم از دستگاههاي فراصوتي به طور گستردهاي در جراحي، درمان، تشخيص و ابزار تشريح بافت استفاده ميشود. يكي از كاربردهاي پزشكي فراصوت، برش استخوان است كه چندين مزيت دارد: 1) خطر آسيب به بافتهاي نرم مجاور و ساختارهاي حساس مانند عروق ، اعصاب ، مخاط و غيره را به حداقل مي رساند، 2) باعث كاهش نيروي وارد بر تيغه و چسبندگي بافت ميشود، 3) كاهش خونريزي و احتمال ايجاد شكستگي نامطلوب استخوان در محل جراحي و كوتاه شدن روند بهبودي پس از جراحي ، 4) لرزشها و سر و صداي توليد شده توسط ريز ارتعاشات دستگاه فراصوتي كم است كه ميتواند ناراحتي و ترس بيمار را كاهش دهد و 5) تماس متناوب بين تيغه برش فراصوتي و استخوان امكان شكستن ابزار در روند برش را به حداقل ميرساند.
هدف اصلي اين پروژه طراحي و ساخت يك ابزار فراصوتي براي شكست و برش استخوان بود به طوريكه هنگام شكست استخوان به بافتهاي نرم مجاور آسيبي وارد نكند. مطالعات گسترده¬اي بر روي انواع ارتعاشات، نقش فراصوت در پزشكي و جراحي، الزامات مورد نياز براي ابزار برش فراصوتي و درك مكانيزم عملكرد آن در كنار بافت¬هاي نرم و سخت انجام گرفت. تاثير پارامترهاي ابزار فراصوتي روي هر دو بافت نرم و سخت به دقت مورد بررسي و ارزيابي واقع شد و نحوه تاثيرپذيري اين ابزار روي بافتهاي ذكر شده، تعيين گرديد. در همين راستا، ساختار استخوان و سازوكارهاي برش آن در حالات مختلف با تمركز بر روي روش فراصوتي مورد بررسي دقيقتر قرار گرفت.
براساس شرايط لازم براي طراحي ابزار برش فراصوتي، نظريه ارتعاشات مربوطه و مدلسازي آن به تفصيل بيان گرديد. پارامترهاي طراحي مبدلهاي فراصوتي، معيارهاي لازم براي انتخاب قطعات آن و بهينه نمودن اين طراحي بيان شد. پيچيدگي و تنوع قطعات مورد نياز براي ابزار برش فراصوتي سبب ايجاد محدوديتهاي در حل رياضي گرديد. امروزه نقش شبيهسازيهاي كامپيوتري جهت برخي پيشبينيها و محاسبات در هر فرآيندي افزايش پيدا كرده است. شبيهسازيهاي اجزاء محدود ميتواند يك بينش اوليه نسبت به كار عملي پيشرو ارائه دهد و يك بررسي اوليه قبل از وارد شدن به كار تجربي انجام شود. در اين پژوهش هم با كمك تحليلهاي اجزاي محدود در زمينه آناليز مودال و تحليل رفتارديناميكي سيستم فراصوتي، مدلسازي عددي و طراحي مبدل فراصوتي، متمركزكننده و ساير قطعات ابزار برش انجام شد. پس از اتمام طراحي و ارزيابي آن براساس شاخصهاي ارائه شده، مجموعه قطعات ابزار برش فراصوتي و ساير سيستمهاي مرتبط با آن، ساخته شدند. صحهگذاري مراحل طراحي و ساخت طبق آزمونهاي تعريف شده براي اين هدف انجام شد.
در راستاي ارزيابي مجموعه فراصوتي تهيه شده براي برش استخوان، با طراحي آزمايش¬هاي مناسب، سطوحي براي پارامترهاي ابزار، سيستم انتقال قدرت و وضعيت استخوان انتخاب شد. با انجام آزمايشهاي مربوطه، جامعه آماري بالايي از وضعيت برش در حالات مختلف و نيروهاي برشكاري بدست آمد كه مبنايي براي انجام تحليلهاي آماري از قبيل رگرسيون و تحليل واريانس گرديد. تحليل نتايج مشخص كرد كه براي هركدام از پارامترهاي تعريف شده، بهترين محدوده كدام است تا هدف اصلي يعني برش بافت سخت بدون آسيب به بافت نرم را برآورد كند. يكي ديگر از موارد بررسي شده، انجام آزمايشات مربوطه جهت نشان دادن تعامل و تاثير ابزار فراصوتي در مواجهه با بافتهاي نرم مجاور استخوان و عدم آسيب به آنها در حين برش استخوان بود.
با انجام اين پروژه، به صورت كاملاً علمي و عملي، برخي محدوديتهاي موجود بر سر راه استفاده از ابزارهاي برش فراصوتي در جراحيها رفع گرديد و راه حلي ارائه گرديد تا بتوان مشكلات قبل و بعد از جراحي را براي بيمار و پزشك كاهش داد.
چكيده انگليسي :
Low cutting forces can significantly reduce damage risk on sensitive tissues adjacent to the bone. Applying an ultrasound tool in bone cutting is an interest among surgeons due to its better control in an incision, low cutting force, and reduced postoperative complications. In this study, by applying a full factorial design of experiments, the effects of changes in cutting tool geometry, ultrasonic power, bone-cutting direction, and tool speed on the cutting forces of cortical bone are assessed simultaneously. The analyses of variance and regression are run on experimental data, and the influence of each factor and interactions of the elements on the cutting forces are discussed. The adjusted coefficient of determination (R2adj.) of the statistical models is 91.49% and 91.15% in the main cutting force and cutting resistant force, respectively. Both the blade geometry and ultrasonic power, together with their interactions, are the most influential factors in cutting forces with 82.2% and 86.6% contribution therein, respectively. Creating teeth in the cutting edge improves the cutting process and reduces the cutting force by about 40%. The ultrasonic-powered toothed edge blade with a 1 mm pitch, low vertical velocity, and high longitudinal speed is recommended for high efficiency and low cutting force.
استاد راهنما :
محمود فرزين
استاد مشاور :
فرشيد احمدي، محمدرضا نيرومند
استاد داور :
محمدرضا موحدي، عليرضا فدايي تهراني، سعيد بهبهاني، مهدي سلماني تهراني
