圓弧槽克氏針結(jié)構(gòu)參數(shù)對骨鉆削溫度的影響

圓弧槽克氏針結(jié)構(gòu)參數(shù)對骨鉆削溫度的影響

0圓槽槽克氏針骨鉆削結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型的建立骨干燥技術廣泛應用于骨科手術中。有研究表明,當骨的溫度高于55℃并持續(xù)30s會對骨造成損傷通過圓弧槽克氏針對骨進行鉆削實驗的單因素和多因素正交實驗,分析圓弧槽克氏針骨鉆削溫度及骨鉆削力的變化規(guī)律,建立其經(jīng)驗模型,進而對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行多目標函數(shù)優(yōu)化,獲得最優(yōu)的參數(shù)組合,以此來降低骨鉆削對骨細胞的損傷,優(yōu)化手術效果。1實驗設計1.1骨鉆實驗模型的建立運用Solidworks軟件創(chuàng)建克氏針和骨的三維立體模型,三維立體模型如圖1所示。實驗選用外層密質(zhì)骨、內(nèi)層松質(zhì)骨搭建骨鉆實驗平臺,如圖2所示。利用工作長度1000mm,通過控制采用K型熱電偶1.2實驗計劃結(jié)合骨鉆削時鉆削參數(shù)的選擇,制定單因素實驗方案為:圓弧槽與尖端距離2實驗分析2.1圓槽與旋轉(zhuǎn)槽深度及克氏針鉆削溫度分布根據(jù)單因素試驗結(jié)果得出結(jié)構(gòu)參數(shù)對骨鉆削溫度及骨鉆削力的變化關系。由圖3可知,隨圓弧槽與尖端距離逐漸增大,骨鉆削溫度呈先較快下降,后較快增長的趨勢?？耸厢槇A弧槽與尖端距離在0.7mm時對骨細胞損傷較低。因為隨著圓弧槽與尖端距離逐漸減小,產(chǎn)生的圓弧槽空間儲存以及排屑能力不斷提升,改善了骨鉆削過程的排屑條件,骨屑可以帶走大量的鉆削熱,進而降低鉆削溫度;但隨著圓弧槽與尖端距離繼續(xù)減小,克氏針尖端材料逐漸減少,加工過程容易出現(xiàn)克氏針尖端彎折斷裂現(xiàn)象,造成骨屑不能及時從圓弧槽中排出,克氏針鉆骨環(huán)境逐漸惡化,鉆削溫度迅速上升,鉆削力迅速增大。隨著圓弧槽深度的逐漸增加,骨鉆削溫度先降低后升高,0.4mm附近骨鉆削溫度較低,如圖4所示。當加大圓弧槽深度時,圓弧槽內(nèi)可以儲存更多的骨屑,可以排出更多的骨屑,骨鉆削溫度隨之下降。隨著圓弧槽深度進一步加深,克氏針強度下降的同時,克氏針的剛度也在下降,克氏針尖端易發(fā)生彎折甚至斷裂現(xiàn)象,容易導致骨屑不能及時地排出,導致骨鉆削溫度又產(chǎn)生上升的趨勢。單因素實驗結(jié)果表明,圓弧槽深度如圖5所示,當圓弧槽長度在2.5～6.5mm區(qū)間變化時,骨鉆削溫度大體呈下降趨勢,圓弧槽長度在5.5mm附近骨鉆削溫度較小,其原因是圓弧槽長度越長,在骨鉆削區(qū)域更有利于骨屑排出,越能增強空氣與骨屑、克氏針及骨表面的熱量交換,起到冷卻作用。隨著圓弧槽長度進一步加深,克氏針強度下降的同時,克氏針易發(fā)生彎折現(xiàn)象,容易導致骨屑不能及時地排出,導致骨鉆削溫度又產(chǎn)生上升的趨勢。2.2橢圓槽的選擇圖如圖如圖綜上所述,在實際骨科手術中,在保證穩(wěn)定骨鉆削及減小骨損傷的前提下,選擇較小的圓弧槽與尖端距離、較淺的圓弧槽深度以及適當?shù)膱A弧槽長度,有利于減輕骨損傷。建立體驗模型根據(jù)最小二乘法對正交實驗結(jié)果進行回歸分析,并利用=骨鉆削力=利用利用3結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定及模型求解利用回歸分析方法建立了骨鉆削溫度、骨鉆削力與圓弧槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)學模型。模型采用遺傳算法對圓弧槽克氏針骨鉆削過程中的圓弧槽結(jié)構(gòu)參數(shù)進行多目標優(yōu)化,以降低骨鉆削溫度、減小骨鉆削力為目標,求得參數(shù)的最優(yōu)組合。優(yōu)化模型中設計變量分別為克氏針骨鉆削正交實驗3個結(jié)構(gòu)參數(shù)圓弧槽與尖端距離骨鉆削溫度:min骨鉆削力:min優(yōu)化模型的建立主要是基于正交實驗條件來選定圓弧槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的約束條件,各參數(shù)的約束條件為:圓弧槽與尖端距離0.5mm<在利用Matlab軟件求解過程中,個體按基于排序的隨機遍歷抽樣方法進行篩選,交叉運算采用單點交叉算子,交叉概率CrossoverFraction為0.85,變異運算采用離散變異算子,變異概率MutationFraction為0.33。由于骨鉆削溫度對骨細胞活性的影響高于骨鉆削力,故骨鉆削溫度權(quán)重取0.8,骨鉆削力權(quán)重取0.2。優(yōu)化模型如下式:min綜上,根據(jù)遺傳算法得出優(yōu)化結(jié)果:當圓弧槽與尖端距離0.7mm、圓弧槽深度0.6mm、圓弧槽長度5.5mm時,骨鉆削溫度及骨鉆削力最小。4骨鉆削力的影響以骨為實驗對象,通過單因素實驗來研究圓弧槽結(jié)構(gòu)參數(shù)對骨鉆削溫度及骨鉆削力的影響;依據(jù)正交實驗結(jié)果建立骨鉆削溫度及骨鉆削力的經(jīng)驗預測模型,并對圓弧槽結(jié)構(gòu)參數(shù)進行多目標優(yōu)化,進而得出結(jié)論,即克氏針結(jié)構(gòu)參數(shù)對骨鉆削溫度及骨鉆削力的影響程度從大到小依次為圓弧槽與尖端距離、圓弧槽深度、圓弧槽長度。1)骨鉆削溫度受圓弧槽與尖端距離及圓弧槽深度的影響較大,而受圓弧槽長度的影響相對較小。在控制各研究參數(shù)的情況下,當距離為0.7mm,深度0.4mm時,骨鉆削溫度較低,骨細胞的損傷程度也較小。2)影響骨鉆削力的首要因素為圓弧槽長度,而圓弧槽與尖端距離及圓弧槽深度對其影響較小。對比本研究所選取的不同圓弧槽長度下的實驗結(jié)果,發(fā)現(xiàn)當圓弧槽長度3)在基于遺傳算法對圓弧槽結(jié)構(gòu)參數(shù)進