DİNAMİK KALÇA ÇİVİSİNİN YERLEŞİM KONUMUNA GÖRE YORULMA DAVRANIŞININ SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİYLE İNCELENMESİ

Transkript

1 DİNAMİK KALÇA ÇİVİSİNİN YERLEŞİM KONUMUNA GÖRE YORULMA DAVRANIŞININ SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİYLE İNCELENMESİ Özet Amaç: İntertrokanterik femur kırıklarının tedavisi için kullanılan Dinamik Kalça Çivisi (DKÇ) implantının femur başı içindeki farklı konumlarda yorulma mukavetinin incelenmesi ve bu konumların implant ömrüne etkisinin belirlenmesidir. Yöntem: Bilgisayarlı tomografi görüntülerinden elde edilen veriler işlenerek femur üç boyutlu model elde edildi. Femur modelinde intertrokanterik kırık oluşturuldu. DKÇ implantının elemanları, Solidworks programında üç boyutlu katı modelleri, üretici firma kataloglarından elde edilen parametrik değerler kullanılarak elde edilmiştir. Üç boyutlu DKÇ ve femur modelleri, cerrahi fiksasyon yöntemine uygun olarak Solidworks programında birleştirilmiştir. Elde edilen model, sonlu elemanlar tabanlı ANSYS programına aktarılarak, normal yürüme esnasında femur başına gelen yükler uygulanmıştır. İmplant malzemesi olarak literatürden elde edilen 316L paslanmaz çeliğin özellikleri ve S-N grafiği ANSYS programına girildi. İmplantın yorulma davranışı implantın femur başı içindeki konumları, ortalama gerilme (mean stress) yorulma teoremine göre karşılaştırıldı. Bulgular: Sonlu elemanlar analizleri sonucunda implant konumu femur apeksine yakın inferior bölgede ve medial bölgede ortalama gerilme teoremine göre sırasıyla güvenlik faktörü 1,31 ve 1,03 bulunmuştur. Diğer femur apeksine yakın konumlarda sonsuz ömre yakın değerler bulunmuş ancak femur apeksinden uzak konuma yerleştirilen implantın ömrü daha az hesaplanmıştır. Sonuç: Sonsuz ömür femur başının ön düzleme göre femur apeksine yakın bölgesinde, yan düzleme göre ise orta kısmında ve inferior (alt) bölgelerinde çıkmıştır. Diğer bölgelerde implant için sınırlı ömür bulunmuştur. Giriş Proksimal femur kırıkları olarak adlandırılan intertrokanterik kırıklar genellikle yaşlı insanlarda, kemik yoğunluğunun ve dayanımının azalması sonucu görülür. Bu tür kırıkların tedavisinde genellikle Dinamik Kalça Çivisi (DKÇ) implantı kullanılır. Bu tür bir implantla tedavinin uzun süreli ve güvenilebilir olması gerekir. Bunun için implantın statik yüklere karşı dayanıklılığı kadar dinamik yüklere karşı da dayanıklı olup, yorulma direnci yüksek olması gereklidir. İmplantın yük transferi, implant ve kemik hasarında çok büyük rolü vardır. Aşırı yüklerde implant veya kemik hasarı olacağı gibi, bu yükler implantta yorulma hasarına öncülük edebilir [1,2]. İmplant üzerine yükler, yatay, dikey ve bunların kombinasyonu şeklinde etki ederler. Bu yüklerden her biri implant üzerinde, malzeme direnci ve hasarına göre farklı etkiler

2 gösterirler. Sonlu elemanlar metodu (SEM), bu etkileri incelemek ve oluşan gerilmeleri tahmin etmek için araştırmacılara yol gösterir. Üç boyutlu (3B) sonlu elemanlar analizi (SEA), implant ve implant kemik elemanlarının sayısal değerlendirme için geniş bir alanda kullanılır [3,4]. Bu sebepten dolayı bu çalışmada, DKÇ implantının femur başı içindeki farklı konumlarında yorulma mukavemetini incelemek için SEM kullanılmıştır. İmplant femura literatüre uygun olarak değişik pozisyonlarda yerleştirildi. Femur başına yürüme sırasında oluşan en yüksek kuvvet değerleri tanımlanarak SEA leri yapıldı. İmplant üzerinde oluşan bileşik gerilmeler ve implantın ortalama gerilme eğrisine (mean stress curves) göre güvenlik faktörleri hesaplandı. Buna göre değerlendirmeler yapılmış ve en uzun ömürlü olabilecek implant konumu tahmin edildi. Malzeme ve Metod Solidworks programında DKÇ implantını oluşturan parçalar ayrı ayrı modellendi ve yine bu programda montaj yapılarak üç boyutlu implant modeli oluşturulmuştur. İmplant modeli için gerekli geometrik ölçüler üretici kataloglarından alınmıştır [5]. İmplantın plak-namlu açısı 135 o alınmıştır. Bu çalışmada kullanılan femur modeli için, Kocaeli Üniversitesi Tıp Fakültesi hastanesine gelen bir hastadan bilgisayarlı tomografi görüntüleri (BT) kullanılmıştır. BT görüntüleri MIMICS programı kullanılarak femur 3B katı model olacak şekilde modellenmiştir. Elde edilen 3B femur modeli, MIMICS programında STL (Steriolithography) formatında kaydedilerek, Geomagic Studio 10 programına aktarılmıştır. Geomagic programı yardımı ile femur üzerinde gerekli düzeltmeler yapılmış ve femur trokanterik bölgesinde kırık oluşturulmuştur. Kırık oluşturulan femur modelli IGES formatında Solidworks 2010 programına aktarılarak DKÇ implant sistemi ile farklı konumlarda montaj işlemleri yapılmıştır. DKÇ implantının femura yerleştirme konumlarını tanımlamak için femur başı Şekil 1 deki gibi farklı bölgelere ayrıldı. Bu bölgeler, ön ve yan düzlemlere göre yapılmıştır. Femur başına ön düzlemden bakıldığında, femur başı iki ayrı bölgeye ayrıldı ve bunlara Medial-Superior (M-S) ve Lateral-Inferior (L-I) olarak adlandırıldı (Şekil 1a). Benzer şekilde, femur başına yan düzlemden bakıldığında Şekil 1b de görüldüğü gibi femur başı 5 farklı bölgeye ayrıldı. Bu bölgelere de Anterior-Superior (A-S), Anterior-Inferior (A-I), Posterior-Superior (P-S), Posterior-Inferior (P-I) ve Medial olarak adlandırıldı. Ön düzlemde ayrılan bölgeleri yan düzlemdeki bölgelere uygularsak oluşan bölgeler; MS-AS, MS-AI, MS-PS, MS-PI, MS- Medial, LI-AS, LI-AI, LI- Medial, LI-PS ve LI-PI olarak Şekil 4 teki gibi toplam 10 bölge elde edilmiştir.

3 x y z (a) Şekil 1: Ön (a) ve yan (b) düzleme göre femur başının bölgelere ayrılması. (b) z Şekil 2: 10 farklı bölgeye yerleştirilmesi ile elde edilen modeller (Yan düzleme göre üstteki resimler MS, alttaki resimler LI). Sonlu elemanlar modeli Ansys Workbench 11.0 programı kullanılarak elde edilmiştir. Solidworks Assembly modülünde DKÇ, femur modeline değişik konumlarda yerleştirilerek ANSYS 11.0 sonlu elemanlar programına aktarılmıştır. Bütün yüzeyler arasındaki kontaklar bonded olarak tanımlanmıştır. Ancak kırık yüzeyleri sürtünmeli yüzey olarak tanımlanmış ve

4 programa sürtünme katsayısı 0.3 girilmiştir [6]. Eleman tipi olarak quad tipi eleman seçilmiştir ve eleman boyutları olarak implantta 1 mm eleman boyutu girilmiştir. Malzeme özellikleri olarak lineer elastik ve izotropik yapı özellikleri seçilmiştir. İmplant malzemesi olarak 316L paslanmaz çelik seçilmiştir (E= MPa, υ=0.3). Kemik malzemesi olarak elastisite modülü Mpa [7], poisson oranı ise 0.3 [8] olarak tanımlanmıştır. 76 kg ağırlığındaki bir insanın yürüme sırasında femur başına gelen maksimum yük değeri uygulandı [9]. Femur koordinat sistemi, z ekseni femur mekanik ekseni ile aynı doğrultuda olacak şekilde tanımlandı. x ekseni ön düzleme dik olacak şekilde koordinat sistemi yerleştirildi (Şekil 3). Duda ve ark. yapmış olduğu çalışmaya dayanarak abductor kas kuvveti de tanımlandı. Femurun distal ucundan diz eklemine katılan bölgesinden sabitleme yapılmıştır. Sonuçlar ve Tartışma SEA sonuçlarına göre von Mises gerilme değerleri en yüksek olduğu bölgeler LI-AI ve MS- PS bölgeleridir. Buna rağmen gerilmelerin en düşük oluştuğu bölge ise MS-AI bölgesidir. Femur apeksine yakın konumların inferior bölgelerinde gerilmeler düşük çıkarken, femur apeksinden uzaklaştıkça inferior bölgelere yerleştirilen implantta daha yüksek gerilmeler oluşmaktadır (Tablo 1). Tablo 1: SEA sonucunda femur implant modelinde oluşan von Mises gerilmeleri (MPa) Femur başı bölgeleri MS-PS MS-PI MS-Medial MS-AS MS-AI LI-PS LI-PI LI-Medial LI-AS LI-AI Eşdeğer gerilmeler (MPa) Ortalama gerilme prensbine göre (mean stress factor) güvenlik faktörü 1 değerinin üzerinde ise teorik olarak malzemenin ömrü sonsuz kabul edilir. Buna göre impant, MS-Medial ve MS- AI bölgelerine yerleştirilirse herhangi bir hasar görmez ve sonsuz ömre sahiptir. MS-PI ise sonsuz ömre çok yakın olduğundan bu bölge de güvenli kabul edilebilir. Ancak LI-PI, LI-AI ve MS-PS bölgeleri ömrü kısa olduğu için hasar oluşma riski yüksektir (Tablo 2). Şekil 3 te hasar ömrü en kısa olan LI-AI konumuna yerleştirilmiş implantın, Şekil 4 te ise hasar ömrü en uzun olan LI-AI konumuna yerleştirilmiş implantın güvenlik faktörü dağılımları verilmiştir. Buna göre; implantın lag vida ile plak-namlu kısmının kesiştiği bölge, hasar riskinin yüksek olduğu ve implant ömrünün kısıtladığı görülmektedir. Tablo 2: SEA sonucunda implantın ortalama gerilme prensibine (mean stress factor) göre güvenlik faktörleri Femur başı bölgeleri MS-PS MS-PI MS-Medial MS-AS MS-AI LI-PS LI-PI LI-Medial LI-AS LI-AI Güvenlik Faktörü DKÇ implantı üzerine yapılan çalışmaların önemli bir kısmı femur başı içerisine yerleşimi ve buna bağlı sıyrılma riskinin incelenmesi üzerinedir [10,11]. Genel olarak klinik çalışmalar lag vida femur başına inferior ve medial kısımlara yerleştirilmesi tavsiye edilmektedir [10]. Bu

5 çalışmada da aynı şekilde inferior ve medial konum ideal konum olarak bulunmuştur. Ayrıca bu çalışmada yorulma dayanımı da incelenmiş ve sonsuz ömre sahip olan yine inferior ve medial bölgeler bulunmuştur. Bir insan ortalama yılda 2 milyon çevrim yürüme gerçekleştirdiğine göre, DKÇ implantı ile tedavide implantın ömrü hasar için önemli bir etkendir. Şekil 3: LI-AI konumuna yerleştirilen implant üzerindeki güvenlik faktörü dağılımı Şekil 4: MS-AI konumuna yerleştirilen implant üzerindeki güvenlik faktörü dağılımı Sonuç olarak, bu çalışmada DKÇ implantı ile tedavide implantın konumunun implant ömrüne etkisi incelenmiştir. Buna göre implant femur apeksine yakın konuma ve medial veya inferior konumlarına yerleştirilmelidir.

6 Kaynaklar 1. Pilliar RM, Deporter DA, Watson PA, Valiquette N Dental implant design effect on bone remodeling. J Biomed Mater Res 25: Vaillancourt H, Pillar RM, McCammond D Factors affecting crestal bone loss with dental implants partially covered with a porous coating: a finite element analysis. Int J Oral Maxillofac Implants 11: Sato Y, Wadamoto M, Tsuga K, Teixeira ER The effectiveness of element downsizing on a three-dimensional finite element model of bone trabeculae in implant biomechanics. J Oral Rehabil 26: Sahin S, Cehreli MC, Yalc ın E The influence of functional forces on the biomechanics of implant-supported prostheses a review. J Dent 20: TIPSAN, General Catalogue, Angled Plate Implants Chen WP, Tai CL, Shih CH, Hsieh PH, Leou MC, Lee MS Selection of Fixation Devices in Proximal Femur Rotational Osteotomy. Clinical Complications and Finite Element Analysis. Clin Biomech. 19: Burstein AH, Reilly DT, Martens M Aging of bone tissue: mechanical properties. J Bone Joint Surg Am. 58: Wirtz DC, Schilers N, Pandorf T, Radermacher K, Weichert D, Forst R Critical evaluation of known bone material properties to realize anisotropic FE-simulation of the proximal femur. Journal of Biomechanics. 33: Bergmann G, Deuretzbacher G, Heller M, Graichen F, Rohlmann A, Strauss J, Duda GN Hip contact and gait patterns from routine activities. Clin Orthop Relat R. 335: Guven M, Yavuz U, Kadıoglu B, Akman B, Kılıncoglu V, Unay K, Altıntas F Importance of screw position in intertrochanteric femoral fractures treated by dynamic hip screw. Orthopaedics & Traumatology: Surgery & Research. 96: Parker MJ Cutting-out of the dynamic hip screw related to its position. J Bone Joint Surg Br. 74(4): 625.