Моделирование влияния угла точки сверла на температуру и распределение напряжений на нижней челюсти
Х. Немати, М. Эфтехари
, К. Хассани
Abstract: Цель: В последнее время проблема увеличения тепла в просверленном отверстии нижней челюсти была исследована с использованием экспериментальных и численных методов. Диаметр бурового сверла, глубина скважины и угол сверла являются основными факторами, влияющими на индуцированное тепло в нижней челюсти.
Материал и методы: В настоящем исследовании мы разработали три головки бурового сверла с углами 70, 90 и 118 градусов и смоделировали геометрию нижней челюсти на основе данных, специфичных для пациента. Все модели были рассмотрены для фактических граничных условий и приложенных сил. После этого модели были проанализированы с использованием метода конечных элементов с помощью программного обеспечения Abacus.
Результаты: Численные результаты показали, что головка бурового сверла на 70 градусов вызывает меньшее нагревание нижней челюсти и меньшее напряжение по сравнению с другими. Для сверления кости предлагается сверло с более острым углом. Кроме того, максимальная температура снижалась с уменьшением скорости бурения и глубины пробуренного отверстия.
Обсуждение: Напряжение и температура в кости увеличиваются с углом кончика сверла. С другой стороны, напряжение сконцентрировано в основном вокруг области резки.
Выводы: Модель полезна для определения оптимального угла наклона буровой головки для геометрии сверла.
Keywords: сверлить; метод конечных элементов; нижняя челюсть; стресс; температура
| References: (click to open/close) | [1] Bachus KN, Rondina MT, Hutchinson DT., 2000. The effects of drilling force on cortical temperatures and their duration: an in vitro study. Medical Engineering and Physics, 22, 10, 685–91.
[2] Fuchsberger A.,1988. The damaging temperature during the machining of bone.Unfallchirurgie, 14.4, 173–83.
[3] Augustin G, Davila S, Udiljak T, Vedrinal DS, Bagatin D., 2009. Determination of spatial distribution of increase in bone temperature during drilling by infrared thermography: preliminary report. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery,129, 5,703–9.
[4] Kreith K., 2000. The CRC handbook of thermal engineering. CRC Press, 4–152.
[5] Eriksson AR, Albrektsson T, Albrektsson B.,1984. Heat caused by drilling cortical bone:Temperature measured in vivo in patients and animals. Acta Orthopaedica Scandinavica; 55, 6, 629–31.
[6] Hillery MT, Shuaib I., 1999. Temperature effects in the drilling of human and bovine bone. Journal of Materials Processing Technology, 92–93, 302–8.
[7] Agapiou J S, Stephenson D A., 1994. Analytical and Experimental Studies of Drill Temperatures[J]. Journal of Engineering for Industry 116, 1, 1, 54-60.
[8] Brisman DL., 1996. The effect of speed, pressure, and time on bone temperature during the drilling of implant sites. International Journal of Oral and Maxillofacial Implants, 11, 1, 35–7.
[9] V. Bogoviˇc, A. Svete, I. Bajsi´c, 2016. Effects of a drill diameter on the temperature rise in a bone during implant site preparation under clinical conditions, Proc. Inst.. Mech. Eng. Part H J. Eng. Med. 230, 907–917.
[10] Waltenberger, L., Wied, S., Wolfart, S., Tuna, T., 2022. Effect of different dental implants Drilling template designs on heat generation during osteotomy – an in vitro study.Clin. Oral Implants Res. 33, 53–64.
[11] Pupulin F, Oresta G, Sunar T, Parenti P., 2024. On the thermal impact during drilling operations in guided dental surgery: An experimental and numerical investigation. J Mech Behav Biomed Mater. 2024 Feb,150,106327
[12] Yahui Hu, Zhiqiang Yan, Xiangjun Li, Chunqiu Zhang, Qingchun Zheng, 2020. Prediction model of bone drilling temperature based on heat source method in surgical rehabilitation, Procedia CIRP, 89,2020, 263-269,
[13] Choi, Y.S., Oh, J.W., Lee, Y., Lee, D.W., 2022. Thermal changes during implant site preparation with a digital surgical guide and slot design drill: an ex vivo study using a bovine rib model. J. Periodontal Implant Sci. 52, 411–421.
[14] Gribov DA, Krupnin AE, Levchenko IM. Butkov DS. Arutyunov SD., 2019. Personalized biomechanical analysis of mandible teeth loosening during periodontal treatment with non-removable polymer splints. Series on Biomechanics, 33, 3, 14-26.
[15] Gribov DA, Krupnin AE, Levchenko IM. Butkov DS. Arutyunov SD., 2020. The effect of various loading scenarios on the stress-strained state of mandible anterior teeth with periodontitis immobilized by splints; finite element analysis. Series on Biomechanics, 34, 1, 12-19.
[16] Nikitin VN, Nyashin YI, Tverier VM., 2019. The temporomandibular joint reaction and procedure of the occlusion correction.Series on Biomechanics, 33, 2, 3 - 11
[17] Akhbar MFA, Yusoff AR., 2018. Optimization of drilling parameters for thermal bone necrosis prevention. Technol Health Care.26, 4, 621-635.
[18] Kurlov, Alexey S.; Gusev, Aleksandr I., 2013. Tungsten Carbides: Structure, Properties and Application in Hardmetals. Springer Science & Business Media. doi:10.1007/978-3-319-00524-9. ISBN 978-3-319-00524-9.
[19] Cardarelli, François (2008). Materials Handbook: A concise desktop reference. Springer Science & Business Media. p. 640. ISBN 978-1-84628-669-8.
[20] Fernandes, M.G.A.; Fonseca, E.M.M.; Natal, R.J., 2016. Thermal analysis during bone drilling using rigid polyurethane foams: Numerical and experimental methodologies. J. Braz. Soc. Mech. Sci. Eng., 38, 1855–1863.
[21] Saha S, Pal S, Albright J., 1982. Surgical drilling: design and performance of an improved drill. J Biomech Eng. 104, 3, 245-52.
[22] Kennedy FE. 6.1 Surface Temperatures and Their Significance. InMod. Tribol. Handb 2001.
[23] Yıldız, A.; Kurt, A.; Ya˘gmur, S., 2020. Finite element simulation of drilling operation and theoretical analysis of drill stresses with the deform-3D. Simul. Model. Pract. Theory, 104, 102153.
[24] Allan, W., Williams, E.D., Kerawala, C.J., 2005. Effects of repeated drill use on the temperature of bone during preparation for osteosynthetic self-tapping screws. The British journal of oral & maxillofacial surgery, 43 4, 314-9.
[25] Fuchsberger A., 1988. The damaging temperature during the machining of bone. Unfallchirurgie, 14, 4, 173–83.
[26] Augustin G, Davila S, Mihoci K, Udiljak T, Vedrinal DS, Antabak A., 2008. Thermal osteonecrosis and bone drilling parameters revisited. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery, 128, 1, 71–7.
[27] Lee J, Rabin Y, Ozdoganlar OB., 2011. A new thermal model for bone drilling with applications to orthopaedic surgery. Med Eng Phys. 2011 De, ;33, 10, 1234-44.
[28] Einafshar M, Rajaeirad M, Babazadeh Ghazijahani A, Andersen MS, 2024. On the importance of precision in cortical bone drilling: Integrating experimental validation and computational modeling, Journal of Orthopaedics, 56, 70-76
[29] Paszenda, Basiaga M., 2009. FEM analysis of drills used in bone surgery. Archives of Materials Science and Engineering 36, 103-109.
[30] Hobkirk JA, Rusiniak K., 1977. Investigation of variable factors in drilling bone. J Oral Surg 35, 12, 968-73.
[31] Augustin G, Zigman T, Davila S, Udilljak T., Brezak D, Babic S., 2012. Cortical bone drilling and thermal osteonecrosis. Clin Biomech 27, 3313-325.
[32]Basiaga M, Paszenda Z, Szewczenko J, Kaczmarek M., 2011. Numerical and experimental analyses of drills used in osteosynthesis. Acta Bioeng Biomech.13,4, 29-36.
|
|
| Date published: 2025-12-12
(Price of one pdf file: 50.00 BGN/25.00 EUR)
