Skip to main content
SUPERVISOR
فرشید احمدی (استاد مشاور) محمدرضا نیرومند (استاد مشاور) عباس قائی (استاد راهنما) محمود فرزین (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mehdi Rezaei
مهدی رضائی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391
Tissue cutting is a term used for the incision of a human body’s biological materials, which include either soft tissues like skin or hard tissues like bone. Bone cutting has always been and is a major challenge among surgeons because it requires high skill and accurate tools for a successful operation. Although different commercial devices have been and are being developed for different surgical operations, there still exists a need to design the appropriate tools for more precise and deep cuttings. These devices are contributing to reducing surgery’s harmful effects and better and faster tissue healing. Ultrasonic energy has been provided with considerable benefits for a variety of industrial applications such as automotive, food preparation, textile, and material joining. In the medical area, ultrasonic devices have been widely used in surgery, therapy, diagnosis, and a tissue dissection tool. One of the medical applications of ultrasound is bone cutting that has several advantages: 1) minimizes the damage risk to adjacent soft tissues and sensitive structures like vessels, nerves, mucous, etc., 2) reduces the force applied to the blade and tissue adhesion to the tool while being controllable by the surgeon, 3) decrease bleeding and the possibility of generating undesirable bone fracture at the surgical site and shorten the healing process after surgery, 4) the vibrations and noise generated by the ultrasonic instrument’s micro-vibrations are low, which can reduce the patient’s inconvenience and fear and 5) alternate contact between ultrasound blade and bone minimizes the possibility of tool breakage in the cutting process. The main goal of this project was to design and build an ultrasonic device for bone cutting and incision so that it does not damage adjacent soft tissues when the bone is cut. Extensive studies have been conducted on the types of vibrations, role of ultrasound in medicine and surgery, requirements for an ultrasonic cutting tool, and understanding of its mechanism of action adjacent to soft and hard tissues. The effect of ultrasonic instrument parameters on soft and hard tissues was carefully studied, and the effect of these tools on the mentioned tissues was determined. In this regard, the bone structure and its cutting mechanisms in different cases focusing on ultrasound were examined in more detail. Based on the necessary conditions for designing an ultrasonic cutting tool, theory of relevant vibrations and its modeling was explained. The design parameters of ultrasonic transducers, the necessary criteria for selecting its components and optimizing this design were stated. Complexity and variety of parts required for ultrasonic cutting tools led to limitations in the theoretical solution. Today, the role of computer simulations for some predictions and calculations in any process has increased. Finite element simulations can provide an initial insight into the practical work ahead and a preliminary review before entering into experimental work. In this research, with the help of the finite element method in the field of modal analysis and dynamic behavior analysis of the ultrasonic system, numerical modeling and design of ultrasonic transducer, concentrator (horn), and other components of the cutting tool were performed. After completing the design and evaluation based on the provided indicators, a set of ultrasonic cutting tools and other related systems were manufactured. The design and construction steps were validated according to the tests defined for this purpose. In order to evaluate the ultrasonic set prepared for bone cutting, by designing appropriate experiments, different levels for instrument parameters, ultrasonic power system, and bone condition were selected. A high statistical population was obtained from the cutting condition in different situations and cutting forces by performing the relevant experiments, which became the basis for statistical analysis such as regression and analysis of variance. The analysis of the results revealed the optimal range for each of the defined parameters to estimate the main goal of project. By performing this project, in a completely scientific and practical way, some existing restrictions on the use of ultrasonic cutting tools in surgeries were removed, and a solution was provided to reduce the problems before and after surgery for the patient and the doctor.
برش بافت اصطلاحی است که برای برش مواد بیولوژیکی بدن انسان استفاده می شود که شامل بافت های نرم مانند پوست یا بافت های سخت مانند استخوان می گردد. برش استخوان همیشه یک چالش اساسی در بین جراحان بوده و هست زیرا به مهارت بالا و ابزار دقیق برای یک عمل موفقیت آمیز نیاز دارد. اگرچه برخی دستگاه های تجاری برای انجام عمل های مختلف جراحی در دست ساخت هستند، اما همچنان نیاز به طراحی ابزارهای مناسب برای برش های دقیق تر و عمیق تر وجود دارد. لازم است این دستگاه ها به کاهش اثرات مضر جراحی و بهبود بهتر و سریعتر بافت کمک کنند. انرژی فراصوتی با مزایای قابل توجه برای کاربردهای مختلف صنعتی از جمله خودرو، تهیه غذا، نساجی و مواد فراهم شده است. در زمینه پزشکی هم از دستگاه های فراصوتی به طور گسترده ای در جراحی، درمان، تشخیص و ابزار تشریح بافت استفاده می شود. یکی از کاربردهای پزشکی فراصوت، برش استخوان است که چندین مزیت دارد: 1) خطر آسیب به بافت های نرم مجاور و ساختارهای حساس مانند عروق ، اعصاب ، مخاط و غیره را به حداقل می رساند، 2) باعث کاهش نیروی وارد بر تیغه و چسبندگی بافت می شود، 3) کاهش خونریزی و احتمال ایجاد شکستگی نامطلوب استخوان در محل جراحی و کوتاه شدن روند بهبودی پس از جراحی ، 4) لرزش ها و سر و صدای تولید شده توسط ریز ارتعاشات دستگاه فراصوتی کم است که می تواند ناراحتی و ترس بیمار را کاهش دهد و 5) تماس متناوب بین تیغه برش فراصوتی و استخوان امکان شکستن ابزار در روند برش را به حداقل می رساند. هدف اصلی این پروژه طراحی و ساخت یک ابزار فراصوتی برای شکست و برش استخوان بود به طوریکه هنگام شکست استخوان به بافت های نرم مجاور آسیبی وارد نکند. مطالعات گسترده­ای بر روی انواع ارتعاشات، نقش فراصوت در پزشکی و جراحی، الزامات مورد نیاز برای ابزار برش فراصوتی و درک مکانیزم عملکرد آن در کنار بافت­های نرم و سخت انجام گرفت. تاثیر پارامترهای ابزار فراصوتی روی هر دو بافت نرم و سخت به دقت مورد بررسی و ارزیابی واقع شد و نحوه تاثیرپذیری این ابزار روی بافت های ذکر شده، تعیین گردید. در همین راستا، ساختار استخوان و سازوکارهای برش آن در حالات مختلف با تمرکز بر روی روش فراصوتی مورد بررسی دقیق تر قرار گرفت. براساس شرایط لازم برای طراحی ابزار برش فراصوتی، تئوری ارتعاشات مربوطه و مدلسازی آن به تفصیل بیان گردید. پارامترهای طراحی مبدل های فراصوتی، معیارهای لازم برای انتخاب قطعات آن و بهینه نمودن این طراحی بیان شد. پیچیدگی و تنوع قطعات مورد نیاز برای ابزار برش فراصوتی سبب ایجاد محدودیت های در حل تئوریک گردید. امروزه نقش شبیه سازی های کامپیوتری جهت برخی پیش بینی ها و محاسبات در هر فرآیندی افزایش پیدا کرده است. شبیه سازی های المان محدود می تواند یک بینش اولیه نسبت به کار عملی پیش رو ارائه دهد و یک بررسی اولیه قبل از وارد شدن به کار تجربی انجام شود. در این تحقیق هم با کمک تحلیل های اجزاء محدود در زمینه آنالیز مودال و تحلیل رفتاردینامیکی سیستم فراصوتی، مدلسازی عددی و طراحی مبدل فراصوتی، متمرکزکننده و سایر قطعات ابزار برش انجام شد. پس از اتمام طراحی و ارزیابی آن براساس شاخص های ارائه شده، مجموعه قطعات ابزار برش فراصوتی و سایر سیستم های مرتبط با آن، ساخته شدند. صحه گذاری مراحل طراحی و ساخت طبق آزمون های تعریف شده برای این هدف انجام شد. در راستای ارزیابی مجموعه فراصوتی تهیه شده برای برش استخوان، با طراحی آزمایش­های مناسب، سطوحی برای پارامترهای ابزار، سیستم انتقال قدرت و وضعیت استخوان انتخاب شد. با انجام آزمایشات مربوطه، جامعه آماری بالایی از وضعیت برش در حالات مختلف و نیروهای برشکاری بدست آمد که مبنایی برای انجام تحلیل های آماری از قبیل رگرسیون و آنالیز واریانس گردید. تحلیل نتایج مشخص کرد که برای هرکدام از پارامترهای تعریف شده، بهنرین محدوده کدام است تا هدف اصلی یعنی برش بافت سخت بدون آسیب به بافت نرم را برآورد کند. با انجام این پروژه، به صورت کاملاً علمی و عملی، برخی محدودیت های موجود بر سر راه استفاده از ابزارهای برش فراصوتی در جراحی ها رفع گردید و راه حلی ارائه گردید تا بتوان مشکلات قبل و بعد از جراحی را برای بیمار و پزشک کاهش داد.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی