Transvers ve Oblik Kemik Kırıklarında Helisel- Düz Plak Fixasyon ve Deformasyon Analizleri

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey Transvers ve Oblik Kemik Kırıklarında Helisel- Düz Plak Fixasyon ve Deformasyon Analizleri S.Sezek 1, B. Aksakal 2 1 Atatürk Üniversitesi, Aşkale MYO, Erzurum /Turkiye, ssezek@atauni.edu.tr 2 Firat Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Metallurji ve Malzeme Müh. Böl.Elazig/Turkey, b.aksakal@firat.edu.tr Deformation and Fixation Analysis of the Standard and Helical Compression Plates for Transverse and Oblique Bone Fractures Abstract--In general, the long bone fractures occur in orthopedics in the form of transverse and oblique fractures. With the use of helical plates, in the case of internal fractures, fixation of long bones has gained importance. The plate should be able to withstand to applied compression, bending, tensile and torsional stresses. In this study, the total deformations of straight and helical plate fixation of transverse and oblique fractures were analysed by finite element method (FEM) against applied torsional moments. As a result of the analysis, traditional straight plate fixations could not enable to resist against torsional stresses compared to helical plate fixations It was shown that helical plate fixation showed superior resistance to torsional moments. Keywords Biomechanics, Bone fractures, Fixation, Compression plates,, FEM U I. GIRIŞ ZUN kemiklerde transvers ve oblik kırıkların biyo uyumlu paslanmaz çelik ve Ti alaşımı plakalar yardımıyla iyi bir fixasyon sağlanarak iyileştirilmesi oldukça önemlidir. Kötü fixasyon sonucu plakaya eksenel burulma ve eğme yüklerinin etki etmesi sonucu meydana gelen deformasyonlar hem hastanın konforunu etkileyecek hemde tedavi süreci ve doğruluğu açısından yapılan operasyonun başarısını belirleyecektir. Plaka-kemik tesbitine gelen yükler ile birlikte kemiğin yapısı plaklara göre daha yumuşak olduğundan kemiğin daha erken deformasyonu söz konusu olacaktır [1,2]. Transvers ve oblik kırığın boyu arttıkça uygulanacak plak boyutlarında değişiklikler olacaktır. Fixasyonda kullanılacak vidaların sayısı da plak boyutuna göre değişiklik gösterecektir. Yanlış vida-plak seçimi, kırıkta çeşitli yüklere maruz kalan kemik-plak tesbiti yükler altında çatlağın ilerlemesine sebep olacak[3,4], fazla sayıda vida kullanımı ise kemiği zayıflatacaktır [5]. Bu sebeplerle kırık-plak-vida tesbit dizaynına etki edecek yükler altında meydana gelecek deformasyonların iyi bir şekilde önceden analiz edilmesi gerekmektedir [6,7]. Helisel plaklar kırık çevresinde istenilen noktalardan itibaren sarılabilir[7]. Literatürde yapılan çalışmalar daha çok helisel plak kullanımı ile transvers kırıklarda vidaların tespiti ve açılarının belirlenerek montajı şeklindedir. Bu çalışmada helisel ve düz plak kullanılarak kemikte oluşmuş olan transvers ve oblik kırıkların fiksasyonu ile ilgili bir çalışma yapılmıştır. Hastanın ameliyat sonrasında hangi implant ile daha fazla konfor şartlarına sahip olacağı belirlenmiştir. Burulma momentleri oluşturularak en fazla karşılaşılan bu deformasyon momenti altındaki toplam deformasyonları incelenmiştir. Oluşturulan model ile helisel plak ın düz plaka gore üstünlüğü ortaya konmuştur. II. DENEY SISTEMI Oblik ve Transvers kırıklarda operasyon ile takılan plakların farklı yük ve momentler altında davranış ve deformasyonunu önceden belirlemek ve ona gore plak-kırık tipi-vida seçiminin yanısıra bunların dizayn ile fixasyonu da biyomekanik açıdan önemlidir. Kemikte meydana gelen farklı tip (transvers ve oblik) kırıkların burulma momentine karşı göstereceği direnç ve gelen yükler altında deforme olmadan kalabilmesi için, farklı tipte plaklar (düz ve helisel) kullanılarak deformasyon değerleri tespit edilmiştir. Toplam deformasyonların hastanın konforu için düşük deformasyon değerlerinde kalması gerektiğinden, plak-kemik-fixasyon kombinasyonları ve toplam deformasyonları açısından incelenmiştir FEM Model Oluşturulan model Şekil 1 de görülmektedir. Şekil 1,2 ve 3 te modelin ANSYS10 programında burulma deney düzenekleri oblik ve transvers kırıklarda helisel ve düz plakın modellenmesiyle gerçekleştirilmiştir. Modelin tam olarak incelenebilmesi için basma, eğme ve burulma analizleri de yapılmıştır. Ancak bu makalede sadece burulma etkisi altında modelin toplam deformasyonuna yer verilmiştir. Modeller farklı şekillerde mesh lenmiş olup her modelde 114,717 nod ve 63,969 element kullanılmıştır (Şekil 2,3). ANSYS programında modellenen sistemler, static structural olarak tanımlanmıştır. Kontak olarak Ansys programının öncelikle tanımlaması beklenmiş, tanımlanamayan kısımları ayrıca manuel olarak sisteme tanıtılmıştır. Herbir yüzey kontakt olarak tanımlanmış ve yaklaşık 17kontakt ve 8 yüz, hedef olarak belirlenmiştir. Kontaklar arasında kemik-plaka arayüzeyde plakanın kemikle tam birleştiği düşünülerek sürtünme 0,8 olarak belirlenmiş olup vidalar kemikle bounded olarak düşünülmüştür. Plak ve vidalar canlı ortamda belirli bir süre sonra vücut ile yapışmış gibi birleşeceğinden, sürtünme çok yüksek veya bounded olarak modelde tanımlanmıştır. 271

2 S.Sezek, B.Aksakal Ancak modelin tahrip olması, kontakların temaslarının bittiğinin anlaşılması üzerine modelin run edilmesi durdurulmuştur. Gerilme ve gerinmelerin belirlenebilmesi için modelin tam deforme oluncaya kadar koşulmasına izin verilmiştir. Burulma işleminde 200 Nm moment uygulanmış olup en büyük deformasyonun meydana geldiği model ele alınarak irdelemeler yapılmıştır. Tablo 1: Kemiğin Mekanik Özellikleri kemiğin gerekse kırığın daha ciddi boyutta deformasyonunu engelleyememiştir. Toplam deformasyon sonuçlarına bakıldığında 4.36 mm kemik tarafında yoğunlaşmıştır. Plak ve vidalar, uygulanan moment yönünde deforme olmuş ve düz plak montajı kırığın ilerlemesine engel olamamıştır Oblik kırık - Helisel plak fixasyonu Helisel plak-düz kırık fixasyon modeli Şekil 10 da görülmektedir. Oblik kırıkta helisel plak monte edilmiş parçada meydana gelen deformasyon Şekil 11 de görülmektedir. Uygulanan moment neticesinde meydana gelen deformasyonun moment tarafında daha fazla olduğu görülmektedir. Helisel plakta kırık çevresinde herhangi bir deformasyon oluşmamış ve deformasyonun yine daha çok moment uygulanan tarafta ve simetiriği vidada büyük değerlere ulaşmıştır. Meydana gelen deformasyonların farklı açıdan görünüşleri ve montaj şeklinin simetrikliğinin bozulmadığı görülmektedir. Toplam deformasyon 29 mm olarak sadece vidalarda meydana gelmiş olup kırık bölgesi etkilenmemiş ve dolayısı ile kırık bölgesi korunmuştur. Kemiğin mekanik özellikleri plakadan ve vidalardan daha düşük olduğundan dolayı kemikte gerilmeler doğal olarak daha etkindir. Vida bağlantılarının gerçekleştirildiği noktalarda gerilmeler yüksek değerlere çıkmaktadır. Bu sonuçlardan görülmektedir ki, kullanılan helisel plak bağlantısı kırık bölgesine uygulanan momentten en az seviyede etkilenmesini sağlamıştır. Tablo 2: Titanyumun Mekanik Özellikleri 2.2. Transvers kırık Helisel plaka fixasyonu Transvers ve oblik kırık fixasyon modelleri Solidworks programında oluşturulduktan sonra Ansys progamı içerisinde model ağacında sırasıyla tanımlanmıştır. Transvers kırık ve plate modeli Şekil 4 te görlmektedir. Uygulanan moment Şekil 1 de görüldüğü gibi sadece bir uçtan etki etmektedir. Bu moment neticesinde Şekil 4 te görüldüğü gibi başta moment uygulanan uçta olmak üzere toplam deformasyonlar meydana gelmiştir. Şekil 6 da helisel plakın sabitlendiği vidaların uygulanan moment ile deforamasyonları görülmektedir. Şekil 5 ve 6 da maksimum ve minimum elastik gerilmeler görülmektedir Transvers kırık Düz plaka fixasyonu Helisel plaka ile yapılan fixasyon ile karşılaştırılmak üzere transvers kırık-düz plaka ile modellenmiş ve koşturulmuştur. Elde edilen sonuçlara bakılacak olursa; Şekil 7 ve 8 de görüldüğü gibi öncelikle plakta deformasyonlar oluşmuş ve kemiktede merkezden kaçma tespit edilmiştir (Şekil 9 ). Şekil 9 da transvers kırığın hareketi gözlenmiştir. Kırıklar arası mesafe uygulanan moment ile açılmıştır. Meydana gelen eksenel değişim ile birlikte düz plak deforme olmuş ve gerek 2.5. Oblik kırık-düz plaka fixasyonu Oblik kırık ve düz plak fixasyon modeli ile birlikte moment uygulanarak burulmaya maruz bırakılan parçada moment yönünde simetrikliğin bozulduğu görülmüştür (Şekil 12). Uygulanan moment ile birlikte vidaların plak ile olan teması neticesinde kemiğe zarar vererek deforme etmişlerdir. Kemik vidalardan daha yumuşak bir malzemeye sahip olduğundan vidalar kemiği deforme etmiştir. Plak ise ilk montajı yapılmış olan noktadan daha farklı bir noktaya gelmiştir. Vidalar yerinden çıkarak deforme olmuş ve parçanın simetrisi bozulmuştur. Toplam deformasyon vidalarda 4,38 mm ve kırıkta meydana gelmiş dolayısıyla simetri bozulmuş olup kırık bölgesi bundan etkilenmiştir. Düz plak-transvers kırıkta ise vidalar deformasyona iyi mukavemet gösterememiştir. Kemik, plak ve vidalara göre çok daha düşük elastisite modülüne sahip olduğundan deforme olmuştur. Bir diğer plak fixasyonu olan transvers kırık-helisel plak ile modellenmiş ve burulma momenti uygulanmıştır. Bu modelde oblik kırık modelinde olduğu gibi uygulanan momente oldukça iyi mukavemet göstermiştir. Kırık alanının en uç kısmından kemiğe monte edilen vidalarda deformasyonlar görülmüş olsa bile uygulanan momente göre oldukça önemsiz kaldığı görülmüştür. Karşılaştırmak açısından transvers kırık düz plak ile monte edilen modelde, burulma momentinin etkisinde plate ve vidalarda deformasyon gözlenmiştir. Bir diğer deformasyon kemikte olup, oldukça önemli oranda meydana gelmiştir. Bir başka deyişle, oblik kırık helisel plak modelinde uygulanan moment, modeli 272

3 Transvers ve Oblik Kemik Kırıklarında Helisel- Düz Plak Fixasyon ve Deformasyon Analizleri deforme edememiş olup modelin simetrikliğinde de herhangi bir değişiklik meydana getirmemiştir. Oblik kırık-helisel plak modeli uygulanan momentin etkisiyle simetrikliğini kaybetmiş olup kemikte deformasyonlar meydana gelmiş ve plak burulma momenti etkisinde ve moment doğrultusunda yer değiştirmiştir. Ancak, transvers kırık-helikal plate modelinde, uygulanan moment neticesinde kemikte ve plakta kayda değer bir deformasyon görülmemiş olup bu model burulma momentine oldukça iyi direnç göstermiştir. Kırık çevresinden daha uzaktaki vidalarda deformasyonlar çok az seviyelerde seyretmiştir. Transvers kırık-düz plaka tesbitinde ise uygulanan momente karşı deformasyona engel olunamamıştır. Kemik simetrikliğini kaybetmiş olup, plakta herhangi bir deformasyon gözlemlenmemiştir. Ancak vidaların oldukça büyük deformasyona uğradığı ve uygulanan burulma gerilmelerine karşı dayanımının oldukça iyi olduğu tespit edilmiştir. Oblik kırıklarda dahi helikal plaka düz plakadan daha az deformasyona uğramış ve rijitliğini daha iyi koruyabilmiştir. Helikal plak ın düz plağa olan üstünlüğü yapılan diğer bir çalışmada da vurgulanmıştır [9]. Şekil 2 III. ŞEKILLER Oblik ve transvers kırıkta, helisel plak en iyi dayanımı göstermiştir. Uygulanan burulma momentine karşı en az deformasyona uğramıştır. Helisel plak, gerek kemiği gerekse modeli, uygulanan momente karşi plak-kemik-vida tespit (bağlantı) yapısını bozmadan koruyabilmiştir. Şekil 3 A. Şekiller Şekil 1 Şekil 4 273

4 S.Sezek, B.Aksakal Şekil 5 Şekil 8 Şekil 6 Şekil 9 Şekil 7 Şekil

5 Transvers ve Oblik Kemik Kırıklarında Helisel- Düz Plak Fixasyon ve Deformasyon Analizleri Şekil 11 Şekil 12 IV. CONCLUSIONS Helisel plak ve düz plak, transvers ve oblik kırıklara monte edildiğinde helisel plak burulma momentine daha fazla mukavemet göstermiştir. Oblik ve transvers kırıkta düz plak burulma momentine karşı gerek kırığı gerekse monte edildiği kemikteki temas yerini koruyamamış ve helisel plaktan daha fazla deforme olduğu görülmüştür. Helisel plak ise kırık şekli ne olursa olsun burulma momentine oldukça iyi direnç göstermiş, kemik ve plak orijinal tesbit halini korumuştur. Meydana gelen toplam deformasyonlar helisel plak bağlantılarında vidalar üzerinde, ancak düz plak bağlantılarında ise kırık bölgesinde yoğunlaşmıştır. Bu durumda kırık bölgesinin fixasyonu sağlanamamıştır. Moment uygulanan taraftaki ve simetrisindeki vidalarda çok fazla gerilmeler oluşmuş ve moment uygulanan kemik tarafında deformasyonların daha yüksek seviyeye çıkmasına rağmen vidaların deformasyona iyi direnç gösterdiği görülmüştür. Sonuç olarak oblik ve transvers kırıkta, helikal plak en iyi dayanımı göstermiş ve uygulanan burulma momentine karşı en az deformasyona uğramıştır. Helisel plak, modeli, uygulanan momente karşı plak-kemik-vida tespit (bağlantı) yapısını bozmadan koruyabilmiştir. KAYNAKLAR [1] A. F. Tencer, K.D. Johnson, Biomechanics inorthopeadic trauma, Bone fracture and fixation (MartinDunitz, 1994). [2] M. E. Muller, M. Allgower, R. Schneider, H.Willengger, Manual of internal fixation, Techniquesrecommended by the AO-ASIF Group (Springer- Verlag,(1991). [3] R.T. Richard, & A.W. Donald, The mechanics and biology of intramedually fracture fixation, Clinical Orthopaedics and Related Research, 212, 1986, pp10-17 [4] D.B. Brooks, A.H. Burstein, & V.H. Frankel, The biomechanics of torsional fractures: The stress concentration effect of a drill hole, J Bone Joint surg [Am], 52(3), 1970, pp [5] A.A.D, Fernandez, The Principle of helisel implants: Unusual ideas worth considering, Injury, int. J. Care Injured., 33 (S-A),2002, pp [6] K. Ramakrishna, I. Sridhar, S. Sivashanker, V.K. Ganesh, & D. N. Ghista, Analysis of internal fixation of a long bone J Mechanics in Medicine and Biology, (in press). [7] K. Ramakrishna, I. Sridhar, S. Sivashanker, K.S. Khong, & D.N. Ghista, Design of Fracture Fixation Plate for Necessary and Sufficient Bone Stress Shielding, Japanese Society of Mechanical Engineers 47c(4), 2004, pp [8] E. Panagiotopoulos, A.P. Fortis, Z. Millis, E. Lambiris, V. Kostopoulos & L. Vellios, Pattern of screw loosening in fractures fixed with conventional and functional plates, Injury, int. J. Care Injured., 25 (8),1994, pp Şekil