Kemik delme işleminde ısıl hasarın önlenmesi için matkap tasarımı ve prototip imalatı
Drill design and prototype manufacturing to prevent of thermal damage in bone drilling process
Yazar: KADİR GÖK
Danışman: PROF. DR. YASİN KİŞİOĞLU
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Cerrahi operasyonlar sırasında kemik delme sürecinde, arzu edilmeyen sıcaklıktan dolayı artan ısı bazen kemik ve çevre dokularında ciddi hasarlar oluşturabilir. Doku hasarı aşırı ısınma sonucu genellikle 47ºC ve üzeri sıcaklıklarda oluşmakta ve dolayısı ile bu sıcaklık değeri kritik sıcaklık sınırı olarak tanımlanır ve delme sırasında osteonekroza (kemik ölümü) sebep olur. Bu çalışmada, ortopedik cerrahi kemik delme uygulamalarında, aşırı ısınmayı engellemek için yeni bir delme sistemi geliştirilmiş ve prototip olarak imal edilmiştir. Geliştirilen sistem, delme işlemi esnasında istenmeyen sıcaklık artışını önlemek için kapalı devre çalışan soğutma sistemine sahiptir. Bu sistem aynı zamanda, bir cerrahi el matkap makinasına monte edilebilen bir matkap uç mandrenine sahiptir. Sisteme ait iki farklı matkap ucu, 8 ve 10 mm, çaplarında üretilmiştir. Geliştirilen bu sistem, farklı delme işlemi parametreleri altında laboratuvar ortamında taze sığır kemiklerinin üzerinde delme deneylerine tabi tutulmuştur. Delme deneyi esnasında, hem kemiklerde hem de kemik talaşlarında oluşan sıcaklıklar ölçülmüştür. Bu sıcaklıkları ölçmek için iki farklı sensör, termokupul ve temassız sıcaklık sensörü (TSS) kullanılmıştır. Kemik delme deneyi esnasında, geliştirilen sistemin gizli soğutma kanalının içerisinde soğutma sıvısı olarak su kullanılmıştır. Delme deneyi esnasında oluşan sıcaklıklar hem soğutma sıvısı kullanarak hem de soğutma sıvısı kullanmadan ölçülmüş ve elde edilen sıcaklık değerleri karşılaştırılmıştır. Ayrıca, kesme hızı, ilerleme hızı ve takım çapı gibi delme işlemi parametrelerinin etkileri de ölçülmüştür. İlaveten, yapılan bu deneysel çalışmalar, sonlu elemanlar analizi (SEA) sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Delme işlemi parametrelerinin sıcaklık artışına ve delme sürecine etkisi de deneysel tasarım metodu kullanılarak optimize edilmiştir.

Abstract:
In bone drilling process during the surgical operations, heating increases extremely due to undesired temperature rise that sometimes seriously damages the bones and soft tissues. Tissue damages due to overheating occur usually at 47ºC or above so that 47°C known as a critical limit above which the drilling causes osteonecrosis. In this study, a new driller system was developed to prevent the overheating in orthopedic surgical applications and it was manufactured as prototype. The driller system has a closed-circuit cooling system to reduce the undesired temperature rise during the bone drilling process. This system has also a drill chuck which can be mounted to a surgical hand drill. Two different drill bits with diameter of 8mm and 10 mm are manufactured for driller system. This system developed was subjected to drilling tests experimentally in vitro by drilling fresh bovine bones using different processing parameters. The temperatures levels of bone and bone chips were measured during the drilling tests. In order to measure these temperatures, both thermocouple and non-contact sensors (NCS) were used. Water was used as coolant inside of hidden cooling slot of developed system during the bone drilling. The temperatures occurred during the drilling test were measured as with/without coolant and compared each other. The effects of drilling process parameters such as spindle speed, feed rate and tool diameter were also measured. Additionally, these experimental studies were compared finite element analysis (FEA) results. The effect to the temperature increasing and drilling process of drilling process parameters was optimized using experimental design method.