Femur Boyun Kırıklarında Yeni Delikli İmplantın Stress Dağılımının Sonlu Elemanlar Analizi İle İncelenmesi

Transkript

1 2017 Published in 5th International Symposium on Innovative Technologies in Engineering and Science September 2017 (ISITES2017 Baku - Azerbaijan) Femur Boyun Kırıklarında Yeni Delikli İmplantın Stress Dağılımının Sonlu Elemanlar Analizi İle İncelenmesi * 1 Efgan Ceferov, 2 Chingiz Alizade, 3 Zafer Özer, 4,5 Amirullah M. Mamedov, 4 Ekmel Özbay 1 Modern hospital, Baku, Azerbaijan 2 Azerbaijan Scientific-Research Institute of Traumatology and Orthopedics, Baku, Azerbaijan 3 Mersin Vocational High School, Mersin University, Mersin, Turkey 4 Nanotechnology Research Center (NANOTAM), Bilkent University, Ankara, Turkey 5 International Scientific Center, Baku State University Abstract Osteosynthesis of femoral neck fractures (FNF) is accompanied by a large percentage of various complications. The aim of this research was to study biomechanical implications arising from the stress and strain distributions by use of new device perforated H-beam implant. A reference 3D femur model has been developed using digital femur geometry. Stress and deformity characteristics after the application of strength were determined by ANSYS, which entails the finite element analysis (FEA) method. This method was used for both for perforated and non-perforated implant models and compared following the application of constant strength. Three types of FNF were realized according to Pauwell classification system. We concluded that, the perforations in the implants make the distribution of strength and pressure homogenous along the whole implant functioning as wave breaker to reduce the pressure on the bone. This in its turn contributes to implant stability and minimization of bone destruction. Key words: Finite element method, novel femur prosthesis, stress distribution 1. Giriş Kalça kırığı, çeşitli tıbbi ve zihinsel hastalıkların yanı sıra osteoporozdan mustarip yaşlıların ana kaygısıdır. Dünyada her yıl 8.9 milyondan fazla osteoporotik kırık görülür [1]. ABD'de bu hastaların yıllık maliyeti yaklaşık olarak 10 milyar dolar olarak tahmin edilmektedir [2]. İsveç'te, kalça kırıklarını takip eden ilk yıldaki tedavinin maliyeti yılda yaklaşık 420 milyon dolar olarak hesaplanmıştır [3]. Bu hastalarda tedavinin amacı ağrıyı azaltmak ve hastanın travma öncesi aktif hayata geri dönmesine yardımcı olmaktır. Bu amaca ulaşmak için yapılan çalışmalar ameliyatı gerektirebilir. Günümüzde femur boyun kırıkları tedavisinde boyun aksına paralel yerleştirilen çok sayıda vida, dinamik kalça vidası (Dinamic hip screw, DHS) ve Targon sistemi tercih olunan intenal tespit yöntemleridir. Ters üçgen pozisyonda yerleştirilmiş, paralel 3 adet kanüllü vida ile tespit yöntemi en sık olarak kullanılmaktadır [4,5,6,7]. Literatürde bu tasarımların uygulama sonuçlarına ilişkin sayısız karşılaştırmalı çalışma mevcuttur [8,9,10,11]. Cerrahlar genç ve yaşlı hastaların tedavisi için internal fiksasyon yöntemini tercih ederken, Garden III tip parçalı femur kırığı olan 60 ve 80 yaşlarındaki hastaların tedavisinde optimal yaklaşım yöntemi konusunda farklı görüşe sahiptirler. *Corresponding author: Address: Modern hospital, Baku, Azerbaijan. address: Modern hospital, Baku, Azerbaijan, Phone:

2 E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1394 Cerrahlar aynı zamanda internal fiksasyon veya artroplasti için optimal implantlar konusunda hemfikir değildir [12]. İnternal fiksasyon sonrası ortaya çıkan sonuç, farklı serilerden büyük oranda farklılık gösterir ancak, sendroma bağlı olmayan veya avasküler nekroz nedeniyle% daha fazla reoperasyon oranı görülür [13,14,15,16]. Kırık hattı yeniden konumlandırarak dikkatlice sabitlenmeli ve ağırlığı taşıyana kadar desteklenmelidir. Bununla birlikte, kırık hattında yerinden olma riski de göz önüne alınmalıdır. Femur boyun kırıklarında, yer değiştirmeden ve kalçanın muhtemel avasküler nekrozundan kaçınmak için operasyonel tedavi tercih edilir. Paslanmaz çelik, kobalt ve titanyum gibi yeni malzemeler sadece dayanıklı değil, aynı zamanda kemiğe destek vermek için gerekli güç ve esnekliğe sahiptir. Geçen yüzyıla kadar doktorlar kemiğe destek vermek için vücudun dışından alçıya alma ve atel kullanımını desteklediler (harici fiksasyon). Fakat steril cerrahinin gelişimi ile enfeksiyon riskini azalması, doktorların doğrudan kemikle çalışabilmesini ve vücuda implant yerleştirebilmesini sağladı. En sık görülen dahili fiksasyon, kemiği doğrudan desteklemek için vücut içinde kullanılan teller, plakalar, çubuklar, pimler, çiviler ve vidalardır. Öte yandan, sonlu elemanlar analizinin (SEA) femur kırıklarındaki implantların analizi için yararlı bir araç olduğu iyi bilinmektedir. Böyle bir çalışma, form ve fonksiyon arasındaki ilişkiyi anlamaya yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda cerrahın çalışmaları boyunca önemli bir girdi olmasını sağlar. Bu çalışmada analiz için, traverse düzleminde femur boyun kırığı düşünülmüştür. Bu nedenle, bu çalışmanın hedefleri şöyledir: 1. Dahili tip fiksatörlerin yeni bir tipini olan H-kiriş kesitli delinmiş ve perfore edilmemiş sabitleyicileri incelemek. 2. H-kiriş kesitli fiksatör-implantının fiziko-mekanik davranışını sonlu elemanlar yöntemi kullanarak araştırmak. 3. İmplant grubundaki çeşitli stres, şekil değiştirme ve yer değiştirmeleri incelemektir. 2. Yöntem İmplanttaki gerilme ve şekil değiştirme durumunun hesaplamaları sonlu elemanlar yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Şekil 4 ve 5 te gösterilen yeni geliştirilmiş kalça protezinin modellenen femur kemiğindeki, şekil 1 deki Pauwel's classification system (PCS) tip1, tip 2 ve tip 3 kırıklarda gösterdiği mekanik davranışlar araştırılmıştır.

3 E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1395 a) b) c) Şekil 1. Pauwel's classification system (PCS) kalça kemiği kırığı türleri, a) Tip 1, b) Tip 2 c) Tip 3 Bu çalışmada cerrahi titanyum protezin femura montajı yapılarak, yürüme sırasında normal kilodaki bir insanın ağırlığının 5 katı kadar dikey kuvvet uygulanarak, ortaya çıkan sonuçlar sonlu elemanlar metodu ile değerlendirilmiştir. Anatomik femur kemiği üç boyutlu sonlu elemanlar modeli (3B-SEA) kullanılarak araştırıldı. Modelleme için 2 boyutlu femur kemiğinin ölçüleri CAD yazılımına aktarıldı. Femur kemiğinin referans modelinde kullanılan keypointler CAD ortamındaki iki boyutlu dijital resimden elde edildi. 3 Boyutlu model oluşturulurken aşağıdan yukarıya modelleme yaklaşımı ile keypoinler splinelar ile birleştirildi, splinelar kullanılarak alanlar, alanlar kullanılarak hacimler oluşturuldu. 3B model oluşturma aşamaları Şekil 2 de görülmektedir. Şekil 2. 3 boyutlu modelleme Yükleme ve sınır koşulları kullanılarak ANSYS sonlu elemanlar yazılımı ile femur kemiği üzerindeki stress-strain dağılımı elde edildi. Bu çalışmada normal kilodaki bir insanın yürüme hareketi sırasında oluşan ve ağırlığının 5 katına kadar olan 4000 N kuvvet, 4 farklı noktaya 1000N olarak uygulanmıştır. Yürüyüş sırasında basmanın tek bacak üzerinde oluşu esas alınmış ve uyluk kemiği kondil kısmından sabitlenmiştir.

4 E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1396 Femur baş küresine kalça ekleminden aktarılan yük mekanik eksen doğrultusunda uygulanmıştır. Protez yerleştirilmiş modellerdeki toplam eleman ve düğüm sayıları Tablo 1 deki gibidir. Femur üzerine etkiyen kuvvet ve sınır şartları Şekil 3 de gösterilmiştir. Analizde kullanılan malzeme özellikleri literatürden alınmıştır [17]. SEA için kalça kemiği gibi düzensiz yapıları meshlere bölmek için uygun olan 3B 10-node tetrahedral yapıdaki Solid92 elemanı kullanılmıştır. Şekil 3. Uygulanan kuvvet ve sınır koşulları Şekil 4. Deliksiz protez (Model 1) Şekil 5. Delikli protez (Model2)

5 E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1397 Tablo 1. Sonlu Elemanlar Analizde kullanılan modellerin eleman ve düğüm sayıları Eleman sayısı Düğüm sayısı Tip 1 (Model 1) Tip 2 (Model 1) Tip 3 (Model 1) Tip 1 (Model 2) Tip 2 (Model 2) Tip 3 (Model 2) Sonuçlar ve Tartışma a) b) c) Şekil 6. Model 1 protezin kullanıldığı a) PCS tip 1 kırıkta b) PCS tip 2 kırıkta c) PCS tip 3 kırıkta oluşan Von Mises gerilmeleri. Şekil 6 a da görüldüğü gibi maksimum Von Mises gerilmesi protezin kırık bölgesinde oluşmuştur. Bu gerilme değeri MPa dır. Kortikal kemik üzerindeki maksimum gerilmenin MPa, trabeküler kemik üzerindeki maksimum gerilmenin MPa civarında olduğu görülmektedir. Şekil 6 b de maksimum Von Mises gerilmesi protezin kırık bölgesinde oluşmuştur. Bu gerilme değeri MPa dır. Kortikal kemik üzerindeki maksimum gerilmenin MPa, trabeküler kemik üzerindeki maksimum gerilmenin MPa civarında olduğu görülmektedir. Şekil 6 c de maksimum Von Mises gerilmesi protezin kırık bölgesinde oluşmuştur. Bu gerilme değeri MPa dır. Kortikal kemik üzerindeki maksimum gerilmenin MPa, trabeküler kemik üzerindeki maksimum gerilmenin MPa civarında olduğu görülmektedir. Elde edilen maksimum gerilme değerleri tablo 2 de görülmektedir.

6 E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1398 a) b) c) Şekil 7. Model 2 protezin kullanıldığı a) PCS tip 1 kırıkta b) PCS tip 2 kırıkta c) PCS tip 3 kırıkta oluşan Von Mises gerilmeleri. Şekil 7 a da görüldüğü gibi maksimum Von Mises gerilmesi protezin kırık bölgesinde oluşmuştur. Bu gerilme değeri MPa dır. Kortikal kemik üzerindeki maksimum gerilmenin MPa, trabeküler kemik üzerindeki maksimum gerilmenin MPa civarında olduğu görülmektedir. Şekil 7 b de maksimum Von Mises gerilmesi protezin kırık bölgesinde oluşmuştur. Bu gerilme değeri MPa dır. Kortikal kemik üzerindeki maksimum gerilmenin MPa, trabeküler kemik üzerindeki maksimum gerilmenin MPa civarında olduğu görülmektedir. Şekil 7 c de maksimum Von Mises gerilmesi protezin kırık bölgesinde oluşmuştur. Bu gerilme değeri MPa dır, Bu gerilme protez üzerinde kırık bölgesindeki proteze ait delilerden birinde görülmüş olup protez genelinde en yüksek gerilme MPa dır. Kortikal kemik üzerindeki maksimum gerilmenin MPa, trabeküler kemik üzerindeki maksimum gerilmenin MPa civarında olduğu görülmektedir. Elde edilen maksimum gerilme değerleri tablo 3 de görülmektedir. Tablo 2 Model 1 protezdeki stres dağılımı Maksimum Von Mises Stres [MPa] Tip1 Tip2 Tip3 Protez Trabeküler Kemik Kortikal Kemik Tablo 3 Model 2 protezdeki stres dağılımı Maksimum Von Mises Stres [MPa] Tip1 Tip2 Tip3 Protez Trabeküler Kemik Kortikal Kemik

7 E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1399 Alınan sonuçlara göre, kırık tipinin 1-den 3-e doğru artmasına paralel olarak her iki modelde (deliksiz ve delikli) oluşan gerilimin miktarı artmıştır. Modelden asılı olmayarak açının artmasıyla kortikal ve trabeküler kemik modelleri üzerinde olan maksimal gerilme de artmaktadır. Sadece model 2/tip 2 kırık tiplerinde kortikal kemik üzerine gelen maksimal gerilmede değişiklik gözlenmektedir (tablo. 2,3). Model 1-in tüm kırık tiplerinde tarbeküler kemik bölgesine düşen maksimal Von Mises gerilmesinin kortikal kemik üzerine düşen gerilme miktarı ortalama 1/3 oranında gözlenmiştir. Model 2 / tip 1 kırık tipinde de 1/3 oranı devam etmektedir. Ancak model 2 / tip 2 ve tip 3 kırık tiplerinde ise trabeküler ve kortikal kemik dokumalarının maksimal gerilmesi 1/2 oranında izlenilmiştir. Alınan bu sonuçlar implantlarda deliklerin olması ile trabeküler kemik modellere düşen kuvvetin daha da arttığını gösterir veya trabeküler kemik modellerde düşen yükün daha çok yayıldığının işaretini veriyor. Model 1-in tüm kırık tiplerinde alınan maksimal Von Mises gerilme rakamları karşılaştırıldığında kırık tiplerinin artması ile rakamsal değişikliklerin belirli uyum içinde (tip 2/tip 1 1,3; tip3/tip 2 ise 1,1 oranında) ve biri-birilerine paralel arttığı gözlemlenmiştir. Ancak Model 2-nin tip 2 ve 3 kırık tiplerinde ise daha yüksek oranda artmalar izlenilir. Ayrıca delikli implant modelinde trabeküler ve kortikal kemik doku üzerinde oluşan gerilme miktarı tip 2 ile tip 3 arasında aynı oranda (1,7 oranda) hesaplanmıştır. Model 1 ve 2 örneklerinde, tip 3 kırıkları karşılaştırıldığında implant ve trabeküler kemik dokusu üzerinde gerilme rakamlarında en büyük oranda artma hesaplanmıştır (implant üzerinde 521,324 / 285,339; tarbeküler doku üzerinde 58,111/32,056). Her iki durumda göreceli olarak 1,8 kat artma vardır. Sonuçta, Pauwels tip 3 kırıklarında kırık bölgesinde implant ve trabeküler kemik alanına düşen kuvvetin azaldığı görülmüştür. Tartışma Sonlu elemanlar yöntemi kalça kemiğinin karmaşık geometrisi, yürümenin farklı şekillerinde fizyoloji kuvvetin paylaşılmasını ve farklı kırık tiplerinde kullanılan implantlar üzerine gelen yük dağılımını açıklayan kolay ve güvenli yöntemdir [18]. Ayrıca, bu nümerik yöntemle femurun mekaniki davranışını tahmin ederek yeni implantların veya implantlardaki faklı tasarımların gerçekleştirilmesini en ucuz ve minimum zamanla gerçekleştirmek mümkündür [19]. Bilgisayar ortamında, tasarlanan protez ve implantlar için SEA ile stres analizi yapmak ve hata tahmininde bulunmak daha kolaydır. SEA başlangıçta uçak endüstrisi için geliştirildi, zamanla tıpta geliştirilen protezlerin analizinde de kullanılmaya başlanıldı. 3B-SEA, implantların biyometrik özelliklerini daha iyi anlamamızı sağlar, bu şekilde implant biyomekanik fonksiyonlarının tasarımında ve kullanılan malzemenin iyileştirilmesinde tasarımcıya yardımcı olur. Çalışmamızda femur boyun kırıkları osteosintezi için tasarlanan yeni implantın üzerindeki deliklerle kemik doku ve implant çevresinde yük dağılımı araştırmak için sonlu elemanlar yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntemle ilk defa deliklerin uyluk boynunun kırık bölgesinde implant stabilitesi etkisi araştırılmıştır. Delikli ve deliksiz implant modellerinde alınan bulgular karşılaştırıldığında farklı ve ilginç

8 E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1400 sonuçlar alınmıştır. Delikli implant modellerinde yüklenmeden sonra kırık hattına düşen yüke bağlı olarak implant üzerinde daha çok gerilme izlenilmiştir. Bu gerilme beraberinde trabekülar doku bölgelerine de etki etmektedir. İmplant üzerindeki deliklerin varlığı uygulanan yükü homojen dağıtarak kırık bölgesinde trabeküler doku ve implant üzerinde gerilmede maksimal artıma neden olmuştur. Delikler küveti azalttığı için deliklerin sayıları arttıkça kemik doku birim alanına düşen gerilme miktarı artmakta, küvet ise azalmaktadır. Araştırmada alınan sonuçlar implantlarda deliklerin varlığında implant ve trabekülar kemik alanlarına düşen yük miktarının azaldığını göstermiştir. Analiz sonuçları göstermiştir ki, implant üzerindeki delikler dalgakıran fonksiyonu görerek tüm kuvvet ve basıncın implant boyunca homogen dağılmasını sağlar ve aynı zamanda kemik doku üzerinde basıncı azaltır. Kemik dokunun 3 4.cü haftalarda deliklerin içine büyüdüğünü ve delikleri doldurduğunu düşünürsek, zamanla implant stabilitesinin artmasını ve kemik doku kaybının minimalize olduğunu söylemek olasıdır. Araştırma sonucu yeni implantın travmatoloji ve ortopedi alanında gelecek prespektivlererini araştırmağa ve yeni platformlarda tartışma zemini yaratmaktadır. Kaynaklar [1.] Strom O, Borgstrom F, Kanis JA, Compston J, Cooper C, McCloskey EV, Jonsson. Osteoporosis:burden, health care provision and opportunities in the EU:are portprepared in collaboration with the International Osteoporosis Foundation (IOF) and the European Federation of Pharmaceutical Industry Associations (EFPIA). Arch. Osteoporos, 2011, 6, [2.] ACTA CHIRURGIAE ORTHOPAEDICAE ET TRAUMATOLOGIAE ČECHOSL., 73, 2006, p Fractures of the Femoral Neck: A Rewiew and Personal Statement ERNST L.F.B. RAAYMAKERS [3.] Borqvist L, Lindelöw G, Thorngren KG. Costs of hip fracture. Rehabilitation of 180 patients in primary health care. Acta orthop. scand. 1991, 62: [4.] Lagerby M, Asplund S, Ringqvist I. Cannulated screws for fixation of femoral neck fractures. No difference between Uppsala screws and Richards screws in a randomized prospective study of 268 cases. Acta Orthop Scand. 1998, 69(4): [5.] CCH Khoo Cannulated Screw Fixation For Femoral Neck Fractures: A 5-year Experience In A Single Institution. Malays Orthop J Jul; 8(2): PMCID: PMC [6.] Osarumwense D, Tissingh E, Wartenberg K, Aggarwal S, Ismail F, Orakwe S, and Khan F. The Targon FN System for the Management of Intracapsular Neck of Femur Fractures: Minimum 2-Year Experience and Outcome in an Independent Hospital Clin Orthop Surg. 2015, 7(1): [7.] Boraiah S, Paul O, Gardner MJ, Parker RJ, Barker JU, Helfet D, Lorich D. Outcomes of length-stable fixation of femoral neck fractures. Arch Orthop Trauma Surg Dec;130(12):

9 E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1401 [8.] Shields E, Kates SL. Revision rates and cumulative financial burden in patients treated with hemiarthroplasty compared to cannulated screws after femoral neck fractures. Epub 2014 Oct 22. [9.] Gjertsen JE, Vinje T, Engesaeter LB, Lie SA, Havelin LI, Furnes O, Fevang JM. Internal screw fixation compared with bipolar hemiarthroplasty for treatment of displaced femoral neck fractures in elderly patients. J Bone Joint Surg Am Mar;92(3): [10.] Wild M, Jungbluth P, Thelen S, Laffrée Q, Gehrmann S, Betsch M, Windolf J, Hakimi M. The dynamics of proximal femoral nails: a clinical comparison between PFNA and Targon PF Orthopedics Aug 11;33(8). [11.] Xu M, Zhang L, Mao Z, Wang H, Chen H, Guo Y, Tao S, Zhang Q, Liang X, Tang P Comparison of effectiveness of three operations in treatment of displaced femoral neck fractures in the elderly patients. Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi Dec;24(12): [12.] Bhandari M, Devereaux PJ, Tornetta P, Swiontkowski MF, Berry DJ, Haidukewych G, Schemitsch EH, Hanson BP, Koval K, Dirschl D, Leece P, Keel M, Petrisor B, Heetveld M, Guyatt GH. Operative management of displaced femoral neck fractures in elderly patients. An international survey. J Bone Joint Surg Am Sep, 87(9): [13.] Strömqvist B, Hansson LI, Nilsson LT, Thorngren KG: Hookpin fixation in femoral neck fractures. A two-year follow-up study of 300 cases. Clin Orthop 1987, 218: [14.] Rehnberg L, Olerud C. Fixation of femoral neck fractures. Comparison of the Uppsala and von Bahr screws. Acta Orthop Scand 1989, 60(5): [15.] Lu-Yao GL, Keller RB, Littenberg B, Wennberg WE: Outcomes after displaced fractures of the femoral neck. A meta-analysis of one-hundred and six published reports. J Bone Joint Surg 1994, 76-A: [16.] Mattsson P, Larsson S. Stability Of Internally Fixed Femoral Neck Fractures Augmented With Resorbable Cement A prospective randomized study using radiostereometry, Scandinavian Journal of Surgery, 2003, V. 92, P [17.] Atik F, Özkan A, Uygur İ, İnsan Uyluk Kemiği ve Kalça Protezinin Gerilme ve Deplasman Davranışının Kıyaslanması, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 16 (3), [18.] Voo L., Armand M., Kleinberger M. Stress fracture risk analysis of the human femur based on Computational Biomechanics // Johns Hopkins APL Technical Digest., 2004, vol.25, p [19.] Bougherara H., Bureau M.N., Yahia, L. Bone remodeling in a new biomimetic polymercomposite hip stem // J Biomed Mat Res Part A, 2010, vol.92, N1, p