EGE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ (YÜKSEK LİSANS TEZİ) ALUMİNYUM DİZ ALTI BACAK PROTEZ KİTİ TASARIMI M.Erdem GÜVEN Makina Mühendisliği Anabilim Dalı Bilim Dalı Kodu: 625.01.00. Sunuş Tarihi:09.02.2007 Tez Danışmanı: Doç. Dr. Hasan YILDIZ Bornova-İZMİR 2007
III M.Erdem GÜVEN tarafından yüksek lisans tezi olarak sunulan Aluminyum Diz Altı Bacak Protez Kiti Tasarımı başlıklı bu çalışma E.Ü. Lisansüstü Eğitim ve Öğretim Yönetmeliği ile E.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Eğitim ve Öğretim Yönergesi nin ilgili hükümleri uyarınca tarafımızdan değerlendirilerek savunmaya değer bulunmuş ve 15/02/2007 tarihinde yapılan tez savunma sınavında aday oybirliği/oyçokluğu ile başarılı bulunmuştur. Jüri Üyeleri: İmza Jüri Başkanı : Doç. Dr. Hasan YILDIZ Raportör Üye : Doç. Dr. Turgut GÜRSEL Üye : Doç. Dr. Mehmet ZOR
IX TEŞEKKÜR Yazar, bu tezin hazırlanmasındaki yardımlarından dolayı Doç. Dr. Hasan YILDIZ a en içten teşekkürlerini sunar, çalışmadaki katkılarından dolayı İB-ER LTD. firmasına şükranlarını ifade etmeyi borç bilir.
XI İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET.......V ABSTRACT......VII TEŞEKKÜR...IX ŞEKİLLER DİZİNİ........XV ÇİZELGELER DİZİNİ......XX SİMGELER VE KISALTMALAR.....XXI 1. GİRİŞ....1 1.1 ORTEZ-PROTEZ TANIM.. 1 1.2 TARİHSEL GELİŞİM...1 1.3 AMPUTASYON..... 3 1.4 ALT EKSTREMİTE AMPUTASYON TÜRLERİ...4 1.4.1 PARSİYEL AYAK AMPUTASYONU......6 1.4.2 SYME AMPUTASYONU...6 1.4.3 TRANSTİBİAL (DİZ ALTI) AMPUTASYON..7 1.4.4 DİZ DEZARTİKÜLASYONU 8 1.4.5 TRANSFEMORAL AMPUTASYON... 9 1.4.6 KALÇA DEZARTİKÜLASYONU VE TRANSPELVİK AMPUTASYON.......10 1.5 PROJENİN AMACI......11
XII İÇİNDEKİLER(devam) Sayfa 2. KALÇA, DİZ VE AYAK BİLEĞİ ANATOMİSİ.12 3. YÜRÜME.17 3.1 YÜRÜMENİN FAZLARI..17 3.2 YÜRÜMEDE GÜÇ ANALİZİ VE ENERJİ DÖNÜŞÜMÜ...21 3.3 YÜRÜMEDE ENERJİ TÜKETİMİ AÇISINDAN BELİRLEYİCİ ETKENLER...22 3.3.1 PELVİK ROTASYON....22 3.3.2 PELVİK EĞİM 23 3.3.3 DİZ BÜKÜLMESİ..24 3.3.4 AYAK VE AYAK BİLEĞİ HAREKETİ......24 3.3.5 DİZ HAREKETİ..25 3.3.6 YANAL PELVİK YER DEĞİŞTİRME..26 4. ALT EKSTREMİTE PROTEZLERİ...27 4.1 ALT EKSTREMİTE PROTEZLERİNİ OLUŞTURAN TEMEL BİLEŞENLER....27 4.1.1 SOKET 27 4.1.2 SÜSPANSİYON MEKANİZMASI 28 4.1.3 DİZ MAFSALI 30 4.1.4 BALDIR (PYLON) VE AYAK BİLEĞİ. 32
XIII İÇİNDEKİLER(devam) Sayfa 4.1.5 TERMİNAL GEREÇLERİ AYAK SİSTEMLERİ... 32 4.1.6 ENİNE ROTASYON CİHAZLARI 37 4.2 ALT EKSTREMİTE PROTEZLERİNİN ÜRETİMİ. 39 4.3 DİZ ALTI (BELOW KNEE BK) KİTİ...42 4.4 PİRAMİT ALICI SİSTEMİ 43 4.5 MODÜLER ADAPTÖR ÜRETİMİNDE KULLANILAN MALZEMELER...45 4.6 MODÜLER ADAPTÖR ÜRETİMİNDE KULLANILAN YÖNTEMLER..46 4.7 MODÜLER ENDOSKELETAL DİZ ALTI SİSTEMİNDE KULLANILAN ADAPTÖRLER...48 4.7.1 SACH AYAK ADAPTÖRÜ...48 4.7.2 PYLON 48 4.7.3 BORU SIKMA ADAPTÖRÜ.49 4.7.4 SOKET ADAPTÖRÜ.50 5. ALT EKSTREMİTE PROTEZ TESTLERİ.51 5.1 EKSENLER VE DÜZLEMLER 52 5.2 YÜKLEME DURUMLARI...53 5.3 TEST YÜKLEME SEVİYELERİ..55 5.4 UYGULANAN TESTLER 56 6. SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİ 59
XIV İÇİNDEKİLER(devam) Sayfa 7. TASARIM OPTİMİZASYONU....60 7.1 PARÇALARIN MODELLENMESİ..60 7.2 PARÇALARIN MONTAJI 70 7.3 TEST KOŞULLARI VE KUVVETLERİN HESAPLANMASI...72 7.4 MONTAJIN ANSYS ORTAMINA AKTARILMASI VE SINIR KOŞULLARININ UYGULANMASI...78 7.5 MALZEMELER.83 7.6 OPTİMİZASYONLARDA KULLANILACAK GERİLME KRİTERİ VE AĞ BÖLÜMLEMESİ 85 7.7 SONUÇLAR..88 8. SONUÇ 95 9. YORUM...98 KAYNAK DİZİNİ.....100 ÖZGEÇMİŞ 103
XV ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil Sayfa 1.1 Amputasyon Bölgelerinin Yüzde Dağılım Oranları...4 1.2 Ayaktaki Amputasyon Bölgeleri..5 1.3 Diz Altı Amputasyon Bölgeleri...7 1.4 Diz Üstü Amputasyon Bölgeleri..8 1.5 Amputasyon Ayırım Çizgisi.9 2.1 Diz Eklem Yapısı...12 2.2 Diz Eklem Hareketi 13 2.3 Kalça Ekleminin Yapısı..14 2.4 Ayak Eklem Yapısı 15 2.5 Ayak Kas Yapısı.16 3.1 Yürümenin Fazları..18 3.2 Pelvik Rotasyon Açısı 23 3.3 Pelvik Eğim Açısı...23 3.4 Yürüme Esnasında Ayak Bileğinin İzlediği Yörünge 25 3.5 Yürüme Esnasında Ayak Bileği, Diz ve Kalça Ekleminin İzlediği Yörünge...25 3.6 Yanal Pelvik Yer Değiştirme Yönü 26 4.1 Çeşitli Soket Türleri...27 4.2 Silikon Emme Süspansiyon Sistemi...29 4.3 Örnek Bir Diz Üstü Protezi 31
XVI ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 4.4 Pnömatik Sistemli Diz Mafsalı Örneği..32 4.5 Protez Ayak Örnekleri 33 4.6 Tek Eksen ve Çok Eksenli Protez Ayak Yapıları...34 4.7 SACH Ayak Yapısı 34 4.8 SAFE Ayak Yapısı.35 4.9 Pnömatik Sistemli Kompozit Ayak Protez Sistemleri..35 4.10 Kompozit Dinamik Davranışlı Ayak Protezi Örneği...36 4.11 Pnömatik Sistemli Ayak Protezi...36 4.12 Rotasyon Cihazı...37 4.13 Protez Sistemi Bileşen Türlerinin Ağaç Şeklinde Gösterimi..38 4.14 Amputasyon Cerrahi Operasyonu... 39 4.15 Diz Altı Protezi Hazırlama Evreleri.41 4.16 Modüler Diz Altı Protezi..42 4.17 Piramit ve Alıcı Yapısına Sahip Modüler Adaptörler. 44 4.18 Piramit - Alıcı Sistemi..44 4.19 Hassas Döküm Yöntemi ile Üretilmiş Modüler Adaptör Parçası.. 46 4.20 SACH Modüler Ayak Adaptörü...48 4.21 Boru Adaptörü - Tüp Montaj Örneği...49
XVII ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 4.22 Boru Sıkma Adaptörü...49 4.23 Soket Adaptörü. 50 5.1 Sağ ve Sol Protez Sistemi Eksenleri...52 5.2 Protez Sistemi Düzlemleri..53 5.3 ISO 10328 Standartlarına Uygun Test Cihazı 54 5.4 Ayak Mafsal Test Cihazı 55 5.5 Yükleme Durumu I Referans Noktaları ve Kuvvet Doğrultusu 57 5.6 Yükleme Durumu II Referans Noktaları ve Kuvvet Doğrultusu 58 7.1 E01 SACH Ayak Adaptörü Girdi Tasarım Parametreleri 62 7.2 E05 Boru Adaptörü Girdi TAsarım Parametreleri.62 7.3 E07 Boru Sıkma Adaptörü Girdi Tasarım Parametreleri...63 7.4 E12 Soket Adaptörü Girdi Tasarım Parametreleri.63 7.5 Tüp Tasarım Parametreleri. 63 7.6 E01 Girdi Parametre Değerlerinin Maksimum ve Minimum Değerlerinin Parça Geometrisine Etkisi......65 7.7 E05 Girdi Parametre Değerlerinin Maksimum ve Minimum Değerlerinin Parça Geometrisine Etkisi...66 7.8 E07 Girdi Parametre Değerlerinin Maksimum ve Minimum Değerlerinin Parça Geometrisine Etkisi...67
XVIII ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 7.9 E12 Girdi Parametre Değerlerinin Maksimum ve Minimum Değerlerinin Parça Geometrisine Etkisi...68 7.10 Tüp Girdi Parametre Değerlerinin Maksimum ve Minimum Değerlerinin Parça Geometrisine Etkisi....69 7.11 Analizde Kullanılan Montaj Modelinin Bileşenleri. 71 7.12 Sistem Modelinin Montaj Ayrıntıları...72 7.13 Referans Noktalarının Yükseklikleri 74 7.14 Yükleme Durumu I İçin Referans Noktalarının o ve f Eksenlerine Olan Mesafeleri 75 7.15 Yükleme Durumu II İçin Referans Noktalarının o ve f Eksenlerine Olan Mesafeleri 75 7.16 Referans Düzlem Mesafelerinin Montaj Üzerinde Gösterimi..77 7.17 ANSYS Proengineer İlişkisi..78 7.18 ANSYS Proengineer Bağlantı Ayarları.79 7.19 ANSYS Workbench Bağ Kurulacak CAD Sistemi Seçim Penceresi...80 7.20 ANSYS Ortamında Montaj Dosyasının Görünümü. 81 7.21 ANSYS Ortamında Kuvvet ve Uygulama Yüzeyinin Gösterimi..82
XIX ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Şekil Sayfa 7.22 ANSYS Ortamında E07 Kodlu Adaptöre Uygulanan Sıkma Kuvveti.82 7.23 ANSYS Ortamında Sabit Mesnet Uygulanan Yüzey....83 7.24 Temel Gerilme Bileşenleri...85 7.25 Ağ Bölümlemesi Yapılmış Montaj Modeli..87 7.26 Yükleme Durumu II de E12 Piramit Dip Bölgelerinde Oluşan Maksimum Gerilmeler..... 89 7.27 İki Parçalı Tasarım...90 7.28 İki Parçalı Tasarım Montaj Gösterimi.91 7.29 Küresel Kontak Bölgesi...92 7.30 Küresel Kontak Bölgesinin Ağ Bölümlenmesi Yapılmış Olan Modelde Gösterimi. 93 9.1 E01 Kodlu Adaptörün Talaşlı İmalatı İçin Gereken Silindir Malzeme Hacmi...98
XX ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge Sayfa 3.1 Yürüme Fazındaki Ana Göre Kas Faaliyetleri...20 7.1 Parça Kodları ve İsimleri 60 7.2 E12 Tasarım Girdi Parametrelerinin Başlangıç, Minimum ve Maksimum Değerleri..64 7.3 Montaj Parça Listesi...70 7.4 Referans Düzlemlerine Göre Test Ofset Ölçüleri..73 7.5 Referans Düzlem Yükseklikleri.74 7.6 Analizlerde Kullanılan Malzemelerin Mekanik Özellikleri.84 7.7 Analizlerde Kullanılan Eleman Türleri..88 8.1 Temel Tasarım Alternatifleri İçin Optimum Tasarımlar ve Ağırlık Değerleri..96 8.2 Temel Tasarım Alternatifleri İçin Parametre Değerleri...97 9.1 Ağırlık Maliyet Karşılaştırması...99
XXI SEMBOLLER VE KISALTMALAR F Vektörel Kuvvet Fu Eksenel Kuvvet u Taban Düzlemine Dik Eksen f Yürüme Doğrultusundaki Eksen o Ayağın Dış Tarafına Yönelik Eksen Ub Efektif Alt Yük Uygulama Noktasının Taban Düzlemine Olan Uzaklığı Ua Efektif Alt Yük Uygulama Noktasının Bilek Düzlemine Olan Uzaklığı uk Efektif Alt Yük Uygulama Noktasının Diz Düzlemine Olan Uzaklığı ut Efektif Alt Yük Uygulama Noktasının Üst Yük Uygulama Noktasına Olan Uzaklığı fb Efektif Taban Düzlemi Koordinatı fa Efektif Taban Düzlemi Koordinatı fk Efektif Diz Düzlemi Koordinatı ft Efektif Üst Düzlem Koordinatı ISO Uluslararası Standart Organizasyonu CAD Bilgisayar Destekli Tasarım CAM Bilgisayar Destekli Üretim
1 1. GİRİŞ 1.1 Ortez Protez Tanım Tanım olarak protez; olmayan bir organın veya vücut parçasının, estetik veya fonksiyonel olarak yerine geçmesi için tasarlanmış gereçtir. Ortez ise; vücutta bulunan bir organın fonksiyonunu güçlendirmek veya desteklemek amacı ile kullanılan gereçtir. 1.2 Tarihsel Gelişim Protez biliminin genel kavram olarak ortaya çıkışı millattan önce 2750 yılları, Mısır uygarlığına dayanmaktadır. İlk gerçek rehabilitasyon destek araçları ilk Mısır, Yunan ve Roma medeniyetlerinde millattan önce (M.Ö.) 2000 civarında ortaya çıkmıştır. Millattan sonra (M.S.) 500 yıllarında Ortaçağ da, askeri amaçlar dolayısıyla protez konusunda gelişmeler kaydedilmiştir. M.S. 1400-1600 yıllarında Rönesansla birlikte amputasyon cerrahisi konusunda ilerlemeler olmuştur. 19. yüzyıl sonlarında Endüstri Devrimi ve Amerika daki iç savaş, protez sektörünün gelişmesine ivme kazandırmıştır. 1940-1960 yıllarında yaşanan II.Dünya Savaşı ile birlikte protez teknolojisindeki gelişme doruğa çıkmıştır. Günümüzde kullanılan birçok teknolojinin temelleri bu dönemde atılmıştır.
2 Protez konusunda bilinen en eski yazılı kayıt, yaklaşık M.Ö.500 yıllarında ayağındaki zincirlerden kurtulmak için ayağını kesen, sonra da ahşap bir desteği yapay bacak olarak kullanan bir mahkuma aittir. 1858 yılında İtalya da arkeologlar tarafından M.Ö. 300 yılına ait bakır ve tahtadan yapılmış bir tahta ayak bulunmuştur. 1530 yıllarında ise Fransa da Ambroise Pare tarafından ilk başarılı hayat kurtaran Amputasyon ameliyatları yapılmış, aynı kişi daha sonra bir yapay ayak tasarımı geliştirmiştir. 1863 yılında New York ta Dubois Parmelee protez teknolojisinde büyük bir gelişme sağlayarak atmosferik basınç yardımıyla soketi güdüğe tutturmayı başarmıştır. 1946 yılında California Berkeley Üniversitesi nde ilk emme sistemli protez geliştirilmiştir. 1975 yılında Ysidro Martinez sürtünme ve basıncı azaltarak ivmelenmeyi kolaylaştıran bir protez tasarımı yapmıştır. (Culley and Jarc, 2005) Gelecekte protez teknolojisinde aşağıdaki gelişmelerin olması öngörülmektedir: Yapay zeka kullanımı Sensörler yardımı ile kontrol Beyin dalgaları ile kontrol Yapay kas
3 Günümüzde bu konularla ilgili çeşitli çalışmalar yapılmaya başlanmıştır. 1.3 Amputasyon İnsan vücudunda doğuştan olan fiziksel eksikliklere veya kaza gibi çeşitli nedenlerden dolayı, sonradan herhangi bir uzvun kesilmesine amputasyon denir. Amputasyona neden faktörler ve yüzdeleri Şekil 1.1 de listelenmiştir: ( Peker, 2001) Kazalar %3 (Trafik kazaları, endüstriyel kazalar) Hastalıklar %74 ( kan sirkülasyon zayıflığı, tümör ) Doğuştan %3
4 Şekil 1.1 Amputasyon bölgelerinin yüzde dağılım oranları (Muilenburg and Wilson, 1996) 1.4 Alt Ekstremite Amputasyon Türleri Amputasyon türü, ameliyat ve kesim işleminin olduğu bölgeye göre adlandırılır. Protez seçimindeki ana faktör amputasyon türüdür. Günümüzde kullanılan sınıflandırma sistemi 1994 yılında Amerika da geliştirilmiştir.
5 Alt ekstremite türleri genel olarak; Parsiyel Ayak Amputasyonu Syme Amputasyonu Transtibial Amputasyon Diz Dezartikülasyonu Transfemoral Amputasyon Kalça Dezartikülasyonu ve Transpelvik Amputasyon (Hemipelvektomi) şeklinde listelenebilir. ( Peker, 2001) Şekil 1.2 Ayaktaki amputasyon bölgeleri (Shan, 2001)
6 1.4.1 Parsiyel Ayak Amputasyonu Ayağın ön kısmını içeren parsiyel amputasyonlarda (Şekil 1.2) genellikle parmak dolgusu ya da ayakkabı modifikasyonu yeterli olmaktadır. Parmak amputasyonu olanlarda ayakkabı içine yün, kauçuk ya da köpük dolgu yapılarak fonksiyon korunabilir. Daha ileri amputasyonlarda çelik yaylı bir şank, metatarsal yastık ve rocker taban gerekli olmaktadır. Transtarsal amputasyonlar (Chopart, Lisfranc, Boyd) cerrahide çok tercih edilmese de ayak bileği hareketleri yeterli, kaslar denge halinde ve normal cilt ve topuk yastığı mevcutsa fonksiyonel sonuçlar iyi olabilmektedir. 1.4.2 Syme Amputasyonu Transmetatarsal amputasyon ile tedavi edilemeyen durumlarda kullanılan bir ayak bileği amputasyonudur. (Şekil 1.3) Genellikle uçta kalan güdük kısmı tam ağırlık taşımaya izin verir. Protez olmaksızın ayakta durulabilir ve güdük üzerinde evin içinde dolaşma mümkün olabilir. Ayak bileği hareketinin yokluğuna uyum sağlamak için topuk yumuşak olmalıdır. Ekstremiteler arasında uzunluk farkı olduğundan kullanılacak topuk ince olmalıdır.
7 Şekil 1.3 Diz altı amputasyon bölgeleri (Shan, 2001) 1.4.3 Transtibial ( Diz Altı ) Amputasyon Genellikle tibia kemiğinin 1/3 üst ve orta birleşiminden yapılır. ( Şekil 1.3) Fibula tibiadan hafifçe daha kısa kesilerek silindirik bir güdük oluşturulur. Transtibial amputasyonlarda dizin tamama yakın kulanımı ile oldukça efektif bir yürüme sağlanır. Syme amputasyonundan farklı olarak güdük vücut ağırlığını taşımaz. Endoskeletal olanda ağırlık santral kısımda taşınırken, eksoskeletal olanda ağırlık dıştaki plastik duvar üzerindedir. Endoskeletal olan tip günümüzde daha fazla tercih edilmektedir. ( Peker, 2001)
8 1.4.4 Diz Dezartikülasyonu Tibia ve fibulanın diz seviyesinden çıkarılmasıdır. Syme prosedürü gibi güdükte ağırlık taşıma için kapasite sağlar (Şekil 1.4). Genellikle travma ve enfeksiyonda kullanılır. Geçmişte, diz dezartikülasyonu olan vakalarda diz ünitesinin proteze uyumu diz merkezlerinin eşit olması nedeniyle bir problem iken günümüzde dört barlı polisentrik diz ünitelerinin kullanılmaya başlamasıyla bu sorun büyük ölçüde çözülmüştür. ( Peker, 2001) Şekil 1.4 Diz üstü amputasyon bölgeleri (Shan, 2001)
9 1.4.5 Transfemoral ( Diz Üstü )Amputasyon Bir transfemoral proteze uyum için en önemli faktör güdük hacmidir. Tek akslı dizler stabilitenin sağlanması için güvenlidir. Ayrıca el ile kilitlenen diz ünitleri yaşlı amputelerde maksimum stabilite sağlar. Şekil 1.5 Amputasyon ayırım çizgisi (Amputee Statistical Database for the United Kingdom, 2003)
10 1.4.6 Kalça Dezartikülasyonu ve Transpelvik Amputasyon Kalça dezartikülasyonunda ischial tüberositas ya da gluteal kaslar üzerinde ağırlık taşınırken transpelvik amputasyonda yumuşak dokular ve alt kostalar üzerinde ağırlık taşınmaktadır. Kalça eklem mekanizması her iki düzey için de aynıdır. Transfemoral amputelerde kullanılan diz ünitleri ve ayaklar bu iki düzey için de kullanılabilir. Yukarıda açıklanan amputasyonların türlerinin yüzdelere göre dağılımı aşağıdaki gibidir: % 3 Syme amputasyon % 59 Transtibial amputasyon ( Diz Altı ) % 35 Transfemoral amputasyon ( Diz Üstü ) % 1 Diz dezartikülasyonu % 2 Kalça dezartikülasyonu Görüldüğü gibi en çok rastlanan amputasyon türleri diz üstü ve diz altıdır. Diz altı transtibial amputasyon %59 luk yüzdeyle en büyük rastlanma oranına sahiptir. ( Peker, 2001)
11 1.5. Projenin Amacı En çok raslanan amputasyon türü daha önce de belirtildiği gibi transtibial -diz altı - amputasyonudur. Bu projenin amacı, paslanmaz çelik ve titanyum alaşımı kullanılarak üretilen dizaltı protezlere; malzeme bilimin gelişmesiyle ortaya çıkıp pazarda yaygınlaşan yüksek dayanımlı aluminyum alaşımlarını kullanarak, paslanmaz çelik protezlerden daha hafif, maliyet açısından da titanyum alaşımı protezlerden daha avantajlı tasarım alternatifleri ortaya koymaktır. Bu, parametrik bir optimizasyon çalışması yapılarak gerçekleştirilecektir.
12 2. KALÇA, DİZ VE AYAK BİLEĞİ ANATOMİSİ 2.1). Diz; femur, tibia ve patella olmak üzere üç kemikten oluşur (Şekil Şekil 2.1 Diz eklem yapısı (www.allaboutarthritis.com) Dizde oluşan hareket, kayma ve yuvarlanma hareketinin kombinasyonu olup serbestlik derecesi 6 dır (Şekil 2.2).
13 Şekil 2.2 Diz eklem hareketi (www.allaboutarthritis.com) Kalça mafsalı, vücuttaki küresel mafsal yapılarından biridir (Şekil 2.3). Kalça soketi acetabulum olarak adlandırılır ve femur başını sarar. Femur başının yüzeyi ve acetabulumun iç yüzeyi eklem kıkırdağı ile sarılmıştır. Burada kıkırdak kalınlığı 6-7 mm civarındadır. Kıkırdak yapısı, sertlik ve kayganlık özellikleri ile iki yüzeyin hasar vermeden birbiri üzerinde kaymasına olanak sağlar.
14 Şekil 2.3 Kalça ekleminin yapısı (www.allaboutarthritis.com) Ayak bilek eklemi 3 kemikten oluşur (Şekil 2.4): Tibia nın alt kısmı (incik kemiği), fibula ve talus (tibia ve fibulanın oluşturduğu sokete yerleşen kemik). Talus, topuk kemiğinin üstünde bulunmaktadır ve temel olarak bir yönde hareket eder. Bu kemik menteşe görevi yaparak ayağın yukarı (dorsifleksiyon) ve aşağı (plantar fleksiyon) hareketini sağlar.
15 Şekil 2.4 Ayak eklem yapısı (www.allaboutarthritis.com) Ayak bileği mafsalının her iki tarafında, kemikleri bir arada tutan bağlar vardır. Bu bölgede tendonlar ayak bileği ve ayak parmaklarının hareketlerini sağlarlar. Bağlar, kemikleri kemiklere bağlarken tendonlar, kasları kemiklere bağlar.
16 Şekil 2.5 Ayak kas yapısı (www.allaboutarthritis.com) Ayak bileğinin arkasındaki aşil tendonu ayaktaki en güçlü tendondur. Bu tendon kalf kaslarını topuk kemiğine bağlayarak ayağa yürüme, koşma ve zıplama için güç aktarımını sağlar. Burada da mafsalların içinde kıkırdak yapısı vardır.
17 3. YÜRÜME 3.1 Yürümenin Fazları Yürüme, tek bir bacağın hareketi incelendiğinde bir çevrim olarak düşünülebilir. Bu çevrim 2 aşamaya bölünür ve bu aşamalar yürümenin fazları olarak tanımlanır: Durma (Stance) fazı Savrulma (Swing) fazı Durma fazında ayak yer ile temas eder. Tek bacak tüm vücut ağırlığını taşır. Topuğun yere değmesi (heel strike) ile başlar ve parmakların kalkması (toe off) ile sona erer. Tek adımda bulunan dönemler: Heel strike Foot flat Heel rise ileri doğru gider. Toe off : Topuk yere basar. : Ayak tabanı yere basar. : Gövdenin öne doğru ilerlemesiyle ayak : Ayak, yeri terk eder.
18 Şekil 3.1 Yürümenin fazları (Polizzi, 2001) Savrulma fazında ise ayak yer ile temas etmez. Bacak ve ayak öne doğru ilerleyerek topuğun yeniden yere değmesine hazırlanır. Toe off dönemi ile başlar ve heel strike ile sona erer. Normal yürüyüşte bir ayak daima yerdedir. Yürümenin bazı dönemlerinde gövde ilerlerken her iki ayak yer ile temas eder (Double support time). İlk ayak heel strike'tan foot flat dönemine geçerken, ikinci ayak toe off'a gelir. İkinci ayak toe off'a gelirken, ilk ayak heel strike'a başlar. Normal yürüyüş sırasında alt ekstremitenin her eklemi belirli bir derecede hareket eder.
19 Ayak bileği, Heel strike'ta hafif dorsifleksiyondadır. Foot flat'te hemen planter fleksiyona gelir. Tibianın öne ilerlemesiyle ayak bileği tekrar dorsifleksiyona gider. Toe off 'tan sonra ayak planter fleksiyondadır; fakat swing fazı boyunca ayağın yere değmemesi için dorsifleksiyonda durur. Normal yürüyüş için ayak bileği 10 dorsifleksiyon ve 20 planter fleksiyon yapabilmelidir. Diz, Heel strike döneminde hafif bükülü durumdadır. Foot flat'e doğru ilerlerken bükülme biraz artar. Vücudun ilerlemesiyle diz ekstansiyona gelir, toe off döneminde hemen daima düzdür. Swing fazı sırasında kalça fleksiyonuna bağlı olarak, diz pasif fleksiyondadır(yaklaşık 70 ), heel strike'tan hemen önce yer çekiminin etkisiyle tekrar ekstansiyona gelir. Kalça, Heel strike'ta hafif fleksiyona ve gövdenin öne doğru ilerlemesiyle ekstansiyona gelir; toe off'tan sonra psoasın etkisiyle fleksiyona gider. Bu durum dizi pasif fleksiyona getirir ve bacağı kısaltarak yere değmesini önler. Pelvis normalde swing fazı sırasında öne doğru döner ve bir miktar eğilir. Gövde genellikle nötral pozisyonunu korur. Çizelge 3.1 de yürümenin aşamaları esnasında eklemlerin durumları ve kas faaliyetleri özetlenmiştir.
20 Çizelge 3.1 Yürüme fazındaki ana göre kas faaliyetleri Aşama Eklem Pozisyon Kas Aktivitesi Gluteus Maximus İvmelenme topuk basma (heel strike) arası Kalça Fleksiyon Gluteus medius & minimus Diz Bükülmüş Quadriceps femoris Ayak bileği Nötr Ön crural kaslar Topuk basma(heel strike) va durma (midstance) konumu arası Durma fazından(midstance) Kalça Nötr Gluteus medius & minimus Diz Gerilmiş Quadriceps femoris Ayak bileği Dorsifleksiyon Gastrocnemius; soleus Kalça Gerilmiş - ayak parmaklarının yerden Diz Bükülmüş Gastrocnemius temasının kesilmesine (toe Gastrocnemius; off) kadar Ayak bileği Plantar flexed soleus Iliopsoas Ayak parmaklarının yerden temasının kesilmesi (toe off) ile ivmelenme arası Kalça Fleksiyon Adductors longus, brevis, magnus Diz Bükülmüş Gastrocnemius Ayak bileği Nötr Ön crural kaslar
21 3.2 Yürümede Güç Analizi ve Enerji Dönüşümü Yürüme esnasında vücut ağırlık merkezi yukarı aşağı hareket eder. Bu hareketin genliği yaklaşık 5 cm kadardır. Aynı zamanda gövde hızı da yürüyüş esnasında artıp azalır. Ayaklardan biri savrulma fazında olduğunda gövde hızı en düşük değerdedir. Ayaklardan birinin yere ilk temas ettiği anda ise vücüt hızı maksimumdur. Ayrıca vücut ağırlık merkezi yatay olarak, destek olan ayak yönüne doğru olmak üzere yaklaşık 3 cm hareket eder. Yürüme sırasında durma fazında enerji depolama gerçekleşir. Bu emilen enerji, ağırlığın diğer ayağa aktarılması sırasında harcanır. Yürüme, bacağın farklı bölgelerinde önemli miktarda enerji üretimini gerektirir. Güç emilimi ve üretimi gerçekleşen 3 ana bölge; kalça, diz ve ayak bileğidir. Amputeler ayak parmakları ve bilekleri olmadığı için bu bölgede enerji kaybederler. Bu bölgede üretilen enerjinin telafi edilebilmesi için, başka bir bölgede daha fazla enerji üretimi gereklidir. Dizdeki enerji emilimi ve üretimi, diğer bölgelere göre çok daha azdır. Bu yüzden; ampute ile normal bir kişi arasında diz bölgesi açısından çok büyük bir fark yoktur. Amputelerin en büyük dezavantajı, bacak boyunca güç akışının düzgün olmamasıdır.
22 Ampute ile normal bir kişi için yürüme bakımından en büyük fark kalçada ortaya çıkar. Kalça, bu bölgede bulunan kasların yapısı ve vücut ağırlık merkezine yakınlığı dolayısı ile en önemli enerji üretim bölgesidir. Yürüme hareketinin gerçekleşmesi için kalçada diz ve ayak bileği kaslarından oluşan enerji kaybının telafi edilmesi gerekir. Dolayısı ile protez verimliliğinin düşmesi ile amputenin yürüyüşündeki asimetriklik artar. Etkenler 3.3 Yürümede Enerji Tüketimi Açısından Belirleyici Yürüme en genel biçimde, vücudun ağırlık merkezinin en az enerji gerektirecek biçimde yer değiştirmesi olarak tanımlanmıştır. Yürüme için enerji harcama konusunda 6 temel etken belirlenmiştir. Pelvik rotasyon, pelvik eğim, diz bükülmesi, ayak ve ayak bileği hareketi, diz hareketi ve yanal pelvik yerdeğiştime faktörleri yürümedeki enerji tüketimini ve verimliliği etkilerler. 3.3.1 Pelvik Rotasyon Öndeki ayağın momentumundan ve kas yapısından dolayı ayak yere temas etmeden önce pelvis, Şekil 3.2 de görüldüğü gibi, 4º lik bir hareket yapar. Yürümenin devamında pelvis ilk önce nötr pozisyona gelir, daha sonra da ters yöne 4º lik dönme gerçekleşir. Buradan da anlaşılacağı üzere toplam 8º lik bir dönme söz konusudur. (Ayappa, 2003)
23 Şekil 3.2 Pelvik rotasyon açısı (Ayappa, 2003) Pelvik rotasyon sayesinde, vücut ağırlık merkezinin aşırı olarak aşağı doğru yer değiştirmesi önlenir; böylece enerji verimliliği artar. 3.3.2 Pelvik Eğim Midstance aşamasında vücut, bir bacak üzerinde iken ağırlık merkezi en üst konumdadır. Şekil 3.3 Pelvik eğim açısı (Ayappa, 2003)
24 Burada pelvisin 5º lik eğim hareketi (Şekil 3.3) sayesinde ağırlık merkezi 0,5 cm aşağı iner. Böylece ağırlık merkezinin dikey hareketi azaltılarak enerji verimliliği artırılır. 3.3.3 Diz Bükülmesi Bacak yere temas ettiğinde diz gerilmiş durumdadır. Daha sonra hareketin devamında diz yaklaşık 15º bükülür. Diz tekrar gerilmeye başladığında kısmî bir bükülme vardır ve bu bükülme sayesinde ağırlık merkezi 1.1 cm alçaltılır. Özetlemek gerekirse, aşağıdaki: Pelvik rotasyon Pelvik eğim Diz bükülmesi 0.95cm 0.5cm 1.1cm mesafeleri toplandığında, 2,1 cm lik ağırlık merkezi yer değiştirme tasarrufu sağlanır. Bu üç faktör sayesinde vücut ağırlık merkezinin dikey yer değiştirmesi 7,5 cm civarından yaklaşık 5 cm ye indirilir. (Ayappa, 2003) 3.3.4 Ayak ve Ayak Bileği Hareketi Ayağın yere ilk temasında ayak bileği, topuk kaldıraç kolu sayesinde yükseltilir. Daha sonra ayağın düz hale gelmesi ile ayak bileği
25 alçalır. Hareketin devamında topuğun yerden kalkması ile ayak bileği tekrar yükselir. Bu hareket sayesinde vücut ağırlık merkezinde herhangi bir alçalma sağlanmamasına rağmen izlediği yol daha yumuşak bir eğim izler. (Şekil 3.4) Şekil 3.4 Yürüme esnasında ayak bileğinin izlediği yörünge (Ayappa, 2003) 3.3.5 Diz hareketi Diz hareketi esas olarak ayak bileği ve ayak hareketi ile ilişkilidir. Ayağın yere ilk temasında diz gerili durumdadır. Ayak bileği sıkıştığında diz bükülür. Şekil 3.5 Yürüme esnasında ayak bileği, diz ve kalça ekleminin izlediği yörünge (Ayappa, 2003)
26 Hareketin devamında ayak yere düz olarak bastığında diz tekrar gerilmeye başlar. Topuğun yerden kalkması ile ayak bileği yerden yükselir ve diz gergin duruma gelir. Daha sonra savrulma öncesi tekrar bükülür. Genel olarak ayak bileği merkezi alçaldığında dizin gerildiği, yükseldiğinde ise dizin büküldüğü gözlemlenir. Diz hareketi, ağırlık merkezinin daha yumuşak bir yol izlemesinde ayak bileği ayak hareketine destek olur. (Şekil 3.5) 3.3.6 Yanal Pelvik Yer Değiştirme Yanal pelvik yer değiştirme sayesinde ağırlık merkezinin destek durumunda olan ayağa doğru kayması sağlanır. (Şekil 3.6) Şekil 3.6 Yanal pelvik yer değiştirme yönü (Ayappa, 2003) Yürüme tabanının daralması ile stabilite azalıyor gibi görünse de ağırlık merkezi dikey hareketi azaltılarak enerji korunumu sağlanır.
27 4. ALT EKSTREMİTE PROTEZLERİ Bileşenler 4.1 Alt Ekstremite Protezlerini Oluşturan Temel Alt ekstremite protezlerini oluşturan ve çeşitli fonksiyonları yerine getiren bölümler aşağıda açıklanmıştır. 4.1.1 Soket Soket, amputenin güdüğü ile protez arasındaki bağlantıyı oluşturur. Soket yalnızca güdüğün korumasını sağlamaz; yürüme sırasında oluşan kuvvetlerin de iletimini sağlar. Şekil 4.1 Çeşitli soket türleri (Gard, 2003)
28 Soketlerin yumuşak, sert ve rijit dış çerçeveli türleri bulunmaktadır. Geçici soket, güdük hacminin stabilitesinin sağlanması için birkaç kez ayarlanır. Burada kalıplama veya CAD-CAM yöntemi kullanılır. 4.1.2 Süspansiyon mekanizması Protezin güdüğe tutturulması için çeşitli kemerler, kayışlar veya emme sistemleri veya bunların kombinasyonları kullanılır. Bu sistemler genel olarak süspansiyon sistemleri olarak adlandırılır. Kullanılan başlıca süspansiyon sistemleri şunlardır: a-suprakondiler Bant: Femoral kondillerin hemen üzerinden bir kayışla yerleşir ve yürümenin salınma fazında proteze askı görevi yapar. b-silikon Emme Süspansiyon Sistemi: Silikon sisteminde silikon bazlı bir çorap güdüğe geçirilir. Silikon soket iyi güdük stabilizasyonu ve hasta konforu sağlar.
29 Şekil 4.2 Silikon emme süspansiyon sistemi (Gard, 2003) c-suprakondiler: Mediolateral olarak femoral kondiller üzerine uzanır. Patellar tendon taşıyıcı suprakondiler soketler ekstra bir mediolateral destek sağlarlar. Aşırı ağır, kısa artık ekstremiteli, laksite sorunu olan amputelerde kullanılır. d-suprakondiler - Suprapatellar: Suprapatellar bölgeye kadar uzanır. Kısa artık ekstremite için ve genu rekurvatum kontrolü için yararlıdır. e-uyluk Korsesi: Eklemli ve uyluk korseli patellar tendon taşıyıcı soketler artık ekstremitenin ağırlık taşımasını % 40-60 azaltır. Ancak diz kontrolü kötüdür. Yürüme bozulur.
30 f-elastik Kılıf : Proksimal kenarın yaklaşık 15 cm kadar altında, 5-7,5 cm kadar üst kısmına kadar uzanır. Suprakondiler, suprakondilersuprapatellar kenarlar transtibial amputelerde büyük ölçüde yeterli bir süspansiyon sağlamasına rağmen özellikle çok aktif kullanıcılarda istenmeyen bir miktar hareket olabilir. Bu nedenle elastik kılıfın diz üzerine uygulanması bunun önlenmesi için bir yoldur. 4.1.3 Diz Mafsalı Diz mafsalı aşağıdaki 3 temel fonksiyonu yerine getirmelidir: Durma fazında destekleme yapmak, Savrulma fazı sırasında hassas kontrol sağlamak, Oturma ve çömelme sırasında hareket kolaylığı sağlamak, Diz mafsalı tek menteşeli, dolayısı ile tek eksenli olabileceği gibi, birkaç rotasyon merkezine sahip polisentrik tipte de olabilir.
31 Şekil 4.3 Örnek bir diz üstü protezi (Gard, 2003) Son yıllarda yapılan çalışmalar sonucunda mikroişlemci kontrollü diz mafsalları üretilmeye başlanmıştır. Bu mafsallarda pnömatik ve hidrolik sistemler, ayrı ayrı ya da kombine olarak kullanılmaktadır. Kuvvet sensörleri sayesinde hastanın yürümesinin doğal görünümlü olması sağlanır. Ayrıca yokuş ve merdiven gibi, bir ampute için zor olarak adlandırılabilecek koşullarda yüksek adaptasyon sağlanır.
32 Şekil 4.4 Pnömatik sistemli diz mafsalı örneği (Gard, 2003) 4.1.4 Baldır (Pylon) ve Ayak Bileği Pylon; basit olarak, soketi ayak sistemine bağlayan tüpe verilen isimdir. Pylonlar basit statik şekilde olabilecekleri gibi, eksenel rotasyon yapan ve enerji emip ortaya çıkaran sistemler de olabilir. 4.1.5 Terminal Gereçleri Ayak Sistemleri Protez ayağın temel olarak 5 fonksiyonu yerine getirmesi beklenir: Stabil bir ağırlık taşıma yüzeyi oluşturmak Oluşan şokları absorbe etmek Olmayan kas fonksiyonlarını gerçekleştirmek Mafsal fonksiyonunu gerçekleştirmek Estetik görünüş sağlamak
33 Çeşitli avantaj ve dezavantajları bulunan birçok ayak sistemi bulunmaktadır. Bu ayak sistemleri: Eklemli ayak sistemleri Eklemsiz ayak sistemleri olmak üzere iki grupta incelenebilir. Eklemli, hareketli mafsallar içeren ayak sistemleri diğer gruba kıyasla daha ağır olup daha çok bakım gerektiriler. Şekil 4.5 Protez ayak örnekleri (www.oandp.com) Mafsallı ayaklar bir ya da birden fazla mafsala sahip olabilirler. Tek eksen ayak (Şekil 4.6) iki tampon kauçuk yardımı ile ayak bileği hareketini oluşturur.
34 Şekil 4.6 Tek eksen ve çok eksenli protez ayak yapıları (Muilenburg and Wilson, 1996) Çok eksenli ayaklar (Şekil 4.6) bileğin 3 eksende hareket etmesine imkan sağladıklar için düzgün olmayan yüzeylerde yürüme durumunda olan amputeler için tavsiye edilir. Tabiiki bu tip ayak sistemleri diğer sistemlere göre daha ağırdır ve daha çok bakım gerektirirler. Şekil 4.7 SACH ayak yapısı (Muilenburg and Wilson, 1996) Eklemsiz ayakların en basit tipi SACH (solid ankle-cushion heel) ayaktır. (Şekil 4.7) Ayağın üst omurga yapısı rijittir. Bilek hareketi, yumuşak kauçuk topuğun, yürümenin durma fazının ilk aşamasında basma yüküne maruz kalıp sıkışması ile gerçekleşir. Topuk yumuşak, sert ve orta sertlikte olmak üzere 3 türde üretilir. Herhangi bir hareket
35 komponenti yoktur. Hafif, ucuz ve uzun ömürlü olması nedeniyle en çok tercih edilen protez ayaktır. Şekil 4.8 SAFE ayak yapısı (Muilenburg and Wilson, 1996) SAFE (solid ankle-flexible-endoskeletal) ayak sisteminin çalışma mantığı SACH ile aynı olmakla birlikte, daha esnek topuk yapısı sayesinde daha engebeli yüzeylerde daha rahat hareket imkanı sağlar. (Şekil 4.8) Bu tip ayaklar Esnek Topuk olarak da adlandırılır. Şekil 4.9 Pnömatik sistemli kompozit ayak protez sistemleri (Gard, 2003)
36 Son yıllarda yeni yapay ayak tasarımlarında büyük bir artış gözlenmektedir. Bunların tamamına yakını esnek bir topuk ile durma fazının başında enerji absorbe edip bu enerjiyi ayak parmaklarının yerden kesilmesi ile geri vererek savrulma fazının başlatılmasına yardımcı olurlar. Bu tip ayak sistemleri Dinamik Davranışlı Ayaklar olarak adlandırılır. Şekil 4.10 Kompozit dinamik davranışlı ayak protezi örneği (Gard, 2003) Eklemsiz ayakların pek çoğu, gerçekçi bir görüntü sağlayacak şekilde kalıplanmıştır. Şekil 4.11 Pnömatik sistemli ayak protezi (Gard, 2003)
37 Günümüzde ayrıca ayak ile baldır arasında ek bir bağlantı olması zorunluluğunu ortadan kaldıran ayak bileği-ayak sistemleri de bulunmaktadır. Bu tür ayak sistemlerinin yapımında genellikle, durma fazındaki kuvvetlere iyi cevap verebilen kompozit malzemeler kullanılmaktadır. Bu düşük ağırlıklı sistemler, geleneksel sistemlere göre birçok üstün özelliğe sahiptir. 4.1.6 Enine Rotasyon Cihazları Enine rotasyon cihazları baldıra yerleştirilerek baldır ekseni etrafında dönme hareketine izin verirler. Şekil 4.12 Rotasyon cihazı (Gard, 2003) Şekil 4.13 te, sistemi oluşturan bileşenler ağaç biçiminde gösterilmiştir:
38 Şekil 4.13 Protez sistemi bileşen türlerinin ağaç şeklinde gösterimi (Shan, 2001)
39 4.2 Alt Ekstremite Protezlerinin Üretimi Protez üretiminden önceki işlem cerrahi operasyondur. Cerrahi operasyondan sonra fizyoterapist ve protez teknisyeninin birlikte çalışması söz konusudur. Şekil 4.14 Amputasyon cerrahi operasyonu (www.allaboutarthritis.com)
40 Protez yapımında protez teknisyeninin ilk yaptığı işlem, negatif kalıp oluşturmak amacıyla amputenin güdüğünün bandajla sarılmasıdır. Pozitif model, negatif kalıbın Paris plasteri ve sudan oluşan karışımla doldurulması ve bu karışımın sertleşmesi sonucu meydana gelir. Daha sonra bu pozitif kalıp üzerine plastik soket şekillendirilir. İlk soket daima test için, şeffaf malzemeden, yapılması gereken değişiklikleri görmek için yapılır. Son yıllarda geliştirilip kullanılmaya başlayan CAD/CAM (Computer-Aided-Design/Computer-Aided-Manufacturing) metodu sayesinde protez teknisyeni, plaster model yapmadan soketi meydana çıkarabilir. Daha sonra soket, yürüme egzersizleri için ayarlanabilir bir bacağa monte edilir. Protez teknisyeni ve ampute soketin uygunluğunda hemfikir olduğu zaman son işlemlere geçilir. Daha sonra proteze kozmetik sünger eklenir. Adımlar aşağıdaki resimde görsel olarak açıklanmıştır:
41 Şekil 4.15 Diz altı protezi hazırlama evreleri (Muilenburg and Wilson, 1996)
42 4.3 Diz Altı (Below Knee-BK) Kiti Daha önce verilen bilgilerden anlaşılacağı gibi en çok rastlanılan amputasyon türü %60 lık yüzde ile transtibial amputasyon, yani diz altı ambutasyonudur. Diz altı amputasyonlarında temel protez bileşenleri seçilirken kullanılan en yaygın sistem modüler endoskeletal sistemdir. (Şekil 4.16) Bu sistemde soket ile SACH ayak arasına metal adaptörler yardımı ile pylon yerleştirilir. Transtibial amputasyonda diz eklemi mevcut olduğundan diz mafsalına gerek yoktur. Aşağıda tipik bir diz altı sistemi görülmektedir. Şekil 4.16 Modüler diz altı protezi (www.hosmer.de)
43 En çok yukarıda bahsedilen diz altı sistemlerinde olmak üzere, tüm protez sistemlerinde, protez bileşenlerini birbirine bağlamak için modüler adaptörler kullanılır. Bu adaptörlerin temel mantığı benzer olmasına rağmen, malzeme türü ve üretim yöntemlerine göre çeşitlilik gösterirler. 4.4 Piramit-Alıcı Sistemi Protez sistemleri, protez teknisyenleri tarafından hastaya özel olarak birleştirilirler. Burada hastanın vücut yapısı ve amputasyon türüne göre bileşenler seçilir. Bunun yanında bu parçaların birleştirilirken, hasta vücuduna uygun şekilde pozisyonlanması gerekir. Bu pozisyonlamayı mümkün kılmak ve bunun yanında rijit bir bağlantı sağlamak amacı ile Otto Bock firması tarafından II.Dünya Savaşı ndan sonra piramit-alıcı sistemi geliştirilmiştir. Bu sistem günümüzde bir standart haline gelmiştir. Bu sayede farklı firmaların ürettiği adaptörlerin uyum içinde montajı gerçekleşebilmektedir. Bu sistemde birbirine monte edilecek iki adaptörde, monte edilecek yüzlerde bir tarafta alıcı, bir tarafta piramit yapısının olması gerekmektedir. Aşağıda üst yüzleri piramit ve receiver (alıcı) şeklinde olan iki parça bulunmaktadır:
44 Şekil 4.17 Piramit ve alıcı yapısına sahip modüler adaptörler (www.ib-er.com) Şekil 4.18 de gösterildiği üzere, piramitli parçadaki dışbükey küre ile alıcılı parçadaki içbükey küre aynı radyusa sahip olduklarından birbirlerine tam olarak oturur ve çeşitli açılarda birbirleri üzerinde kayabilirler. Şekil 4.18 Piramit-alıcı sistemi
45 Alıcı parçadaki 4 adet setskur, piramitin yüzeylerine basar ve bağlantı rijit hale gelir. Burada setskurların mesafesi değiştirilerek parçaların arasındaki açı ayarlanır. 4.5 Modüler Adaptör Üretiminde Kullanılan Malzemeler Modüler adaptör üretiminde kullanılan en yaygın malzeme paslanmaz çeliktir. Yüksek dayanımı, korozyon direnci ve düşük maliyetli olması sebebi ile yaygın olarak kullanılmaktadır.. Paslanmaz çelikten sonra en yaygın olarak hafiflik avantajı olan titanyum kullanılmaktadır. Bir titanyum adaptör, paslanmaz çelik versiyonunun yaklaşık olarak yarı ağırlığındadır. Bu özellik de protez sistemlerinde ağırlığın ne kadar önemli olduğu göz önüne alınırsa büyük bir avantajdır. Fakat aynı karşılaştırma fiyat açısından yapılırsa, titanyum ürünlerin fiyatlarının, paslanmaz çelik versiyonlarının fiyatlarının iki katından fazla olduğu görülür. Özet olarak; titanyum, paslanmaz çeliğe karşı hafif ama pahalı bir alternatiftir. Son yıllarda, yüksek dayanımlı yeni alüminyum alaşımlarının ortaya çıkması ile alüminyum adaptörler, paslanmaz çelik ve titanyuma rakip olmuşlardır. Fiyatları paslanmaz çelikten daha fazla olmasına rağmen, titanyumun fiyatından karşılaştırılamayacak şekilde düşüktür. Hafiflik bakımından da titanyumdan daha iyi sonuç verirler. Fakat dayanımlarının düşük olmasından dolayı daha çok düşük ağırlık grupları ve çocuk sistemlerinde kullanılmaktadırlar.
46 Bu projede de belirtildiği üzere, yeni geliştirilen yüksek mukavemetli alüminyum alaşımlarının kullanımı ile yüksek ağırlık gruplarında da kullanılabilecek adaptörler üretmek mümkündür. Yukarıdaki avantajlar da göz önüne alınırsa bu adaptörler, titanyum ve paslanmaz çeliğe kıyasla en iyi çözüm olabileceklerdir. 4.6 Modüler Adaptör Üretiminde Kullanılan Yöntemler Modüler adaptör üretiminde temel olarak 3 yöntem kullanılır: Hassas döküm Talaşlı imalat Dövme Hassas döküm yöntemi, kompleks şekle sahip parçaların üretiminde kullanılır (Şekil 4.19). Diğer üretim yöntemlerine kıyasla ucuz bir üretim yöntemidir. Parça, dökümden çıktıktan sonra çok az bir işlemle kullanıma hazır hale gelir. Şekil 4.19 Hassas döküm yöntemi ile üretilmiş modüler adaptör parçası (www.ib-er.com)
47 Bu sistemdeki temel dezavantaj, dayanım değerlerinin diğer yöntemlere göre daha düşük olmasıdır. Bu, parçanın düzensiz tanecik yapısından ve parça içinde oluşabilecek boşluklardan kaynaklanır. Malzeme özelliklerini iyileştirmek bakımından parçalara dökümden sonra ısıl işlem uygulanabilir. Talaşlı imalat yöntemi, özellikle CNC teknolojisinin gelişmesi ile yaygın hale gelmiştir. Bu yöntemde dolu malzemeden talaş kaldırılarak parça elde edilir. Bu yöntemle parça dar toleranslarda sağlıklı bir şekilde üretilebilir. Bu yöntemin temel dezavantajı, maliyetinin yüksek olmasıdır. Ancak CNC işleme hızlarının artması ile maliyet dezavantajı da gittikçe azalmaktadır. Dövme yöntemi ile yüksek mukavemetli parçaları elde etmek mümkündür. Ayrıca parçaların dövülmesiyle, doludan işlemeye göre malzeme tasarrufu da sağlanır. Dövme sonucunda parçanın şekli tam olarak ortaya çıkmadığından parçanın son hale gelmesi için talaşlı imalat gerekmektedir.
48 4.7 Modüler Endoskeletal Diz Altı Sisteminde Kullanılan Adaptörler 4.7.1 SACH Ayak Adaptörü SACH ayak adaptörü, daha önceden açıklanan SACH ayak ile pylon u birbirine rijit bir şekilde bağlama görevini yerine getirir (Şekil 4.20). Burada adaptör, ayağa cıvata somun yardımı ile bağlanırken; pylon un alıcı bölümüne piramit kısmı ile bağlanır. Şekil 4.20 SACH modüler ayak adaptörü (www.hosmer.de) 4.7.2 Pylon Pylon, soket ile ayak arasında yük iletimini sağlayan ve baldır kısmında bulunan adaptördür (Şekil 4.21). Bir alıcılı adaptör ile 30 mm çapındaki alüminyum borunun birleştirilmesi ile üretilir. Bu birleştirme; yapıştırma, çakma veya bu ikisinin kombinasyonu şeklinde olur.
49 Şekil 4.21 Boru adaptörü-tüp montaj örneği (www.hosmer.de) Pylon un uzun ince yapısı nedeniyle eğilmeye ve burkulmaya karşı dirençli olması gerekir. Bu yüzden burada kullanılan alüminyum borunun özellikleri önemlidir. 4.7.3 Boru Sıkma Adaptörü Boru sıkma adaptörü, pylon tüpü ile soket adaptörü arasındaki bağlantıyı sağlayan adaptördür (Şekil 4.22). Şekil 4.22 Boru sıkma adaptörü (www.asimax.fi)
50 Sıkma adaptörü soket adaptörüne alıcı-piramit sistemi ile monte edilirken, pylon un tüpü sıkma adaptöründeki 30 mm lik dar toleranslı deliğe geçirilip cıvata ile sıkılarak montaj gerçekleştirilir. 4.7.4 Soket Adaptörü Soket ile geri kalan sistemin bağlanmasını sağlayan adaptördür (Şekil 4.23). Sıkma adaptörü ile piramit-alıcı sistemi ile bağlanırken, üretim yöntemleri başlığında da görülebileceği gibi adaptörün 4 bacağı soket içine laminasyon işlemi ile gömülür. Şekil 4.23 Soket adaptörü (www.hosmer.de)
51 5. ALT EKSTREMİTE PROTEZ TESTLERİ ISO (The International Organization for Standardization), birçok konu ile ilgili standartları, teknik komiteler toplayarak hazırlamakta ve oylama yöntemi ile kabul etmektedir. Alt ekstremite protezlerinin test edilmesi hakkında, ISO 10328 TC 168 Prosthtics an Orthotics teknik komitesi tarafından ISO 10328 Structural Testing of Lower-Limb Prostheses standartları hazırlanıp kabul edilmiştir. Bu standart 8 bölümden oluşmaktadır: 1. Test konfigürasyonları : Test sistemindeki eksen ve düzlemler tanımlanmaktadır. 2. Test numuneleri : Numune seçimi, test numune sistemleri ve test numunesindeki ölçüler açıklanmıştır. 3. Ana yapısal testler : Temel sistemlere uygulanacak ana yapısal testler açıklanmıştır. 4. Ana yapısal testlerin yükleme parametreleri : Temel sistemlere uygulanacak ana yapısal testler için gerekli olan parametreler tablolar halinde verilmiştir. 5. Ek yapısal testler : Diz, ayak bilek mekanizması gibi ürünlerin testleri açıklanmıştır.
52 6. Ek yapısal testlerin yükleme parametreleri : Diz, ayak bilek mekanizması gibi ürünlerin testleri için gerekli olan parametreler tablolar halinde verilmiştir. 7. Test sunum dökümanı : Test raporlarının kapak şablonu verilmiştir. 8. Test raporu : Test raporları için hazır formlar verilmiştir. 5.1 Eksenler ve Düzlemler Sağ ve sol ayak için olan koordinat sistemleri, orjinleri yer düzleminde olmak üzere konumlandırılmışlardır. Eksenlerin adlandırılması Şekil 5.1 de gösterilmiştir. Şekil 5.1 Sağ ve sol protez sistemi eksenleri Düzlemler ise Şekil 5.2 de gösterilmiştir.
53 Şekil 5.2 Protez sistemi düzlemleri Burada uygulanan kuvvet doğrultusunun düzlemlerle kesiştiği noktalar; P B, P A, P K, P T referans noktalarını oluştururlar. Kuvvet, P B ve P T noktalarına basma yükü olarak uygulanır. Ürünler test edilirken, soketten ayağa kadar tam ünite şeklinde test edilebildikleri gibi, uygun aparatların imal edilmesi ve yükleme koşullarının sağlanması şartı ile teker teker ya da grup halinde de test edilebilirler. 5.2 Yükleme Durumları Burada kuvvet uygulanırken 2 yükleme durumu söz konusudur: Yükleme durumu I yüklemeyi temsil eder : Durma fazının başlangıcındaki maksimum
54 Yükleme durumu II yüklemeyi temsil eder : Durma fazının sonundaki maksimum Şekil 5.3 ISO 10328 standartlarına uygun test cihazı (www.ib-er.com) Daha sonra listelenecek testler, her iki yükleme durumu için ayrı ayrı yapılır.
55 Şekil 5.4 Ayak mafsal test cihazı (www.si-plan.com) 5.3 Test Yükleme Seviyeleri Bir alt ekstremite protezinde oluşan yüklemeler kişiye özel fiziksel özellikler ve kişinin yürüme karakteristikleri gibi özelliklere bağlı olarak değişmektedir. Bunun sonucu olarak farklı kategorilerde protezlere ihtiyaç duyulmaktadır.
56 Bu ihtiyacın sonucu olarak, standartlarda da farklı test yükleme seviyeleri tanımlanmıştır: A100 A80 A60 Burada A harfi Adults kelimesini, yani bu seviyelerin yetişkinler için olduğunu belirtmektedir. Rakamlar da maksimum hasta kütlesini belirtir. 5.4 Uygulanan Testler ISO 10328 standardında belirtilen test türleri aşağıda listelenmiştir: Proof test of attachments ( Bağlantıların dayanıklılık testi ) : Test düzeneğinde kullanılan bağlantı ve aparatların test edilmesi Static tests ( Statik testler ) : Test edilen numuneye kuvvetlerin statik olarak uygulandığı testler Static proof test ( Statik dayanıklılık testi ) Static failure test ( Statik hata testi ) Cyclic test ( Çevrim testi ): Test kuvvetlerinin periyodik olarak uygulandığı test. Burada her bir yükleme durumu için 3x10 6 çevrim gerçekleştirilir.
57 Şekil 5.5 Yükleme durumu I referans noktaları ve kuvvet doğrultusu (ISO 10328-4, 1996)
58 Şekil 5.6 Yükleme durumu II referans noktaları ve kuvvet doğrultusu (ISO 10328-4, 1996)
59 6. SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİ Sonlu Elemanlar Yöntemi, kısmî diferansiyel denklemlerle ifade edilen veya fonksiyonel minimizasyonu olarak formüle edilebilen problemleri çözmek için kullanılan sayısal bir yöntemdir. Sonlu elemanlardaki yaklaşık fonksiyonlar, araştırılan fiziksel alanın nodal değer terimlerinde belirlenmektedir. Sürekli fiziksel problem, bilinmeyen nodal değerli kesikli sonlu eleman problemine dönüştürülmektedir. Bu yöntemin uygulanması için basit yaklaşım fonksiyonları oluşturulmalıdır. Sonlu Elemanlar Yöntemi, katı cisim mekaniği, sıvı mekaniği, akustik, elektromanyetizma, biyomekanik, ısı transferi gibi alanlarda karşıya çıkan karmaşık sınır koşullarına sahip sistemlere, düzgün olmayan geometriye sahip sistemlere, kararlı hal, zamana bağlı ve özdeğer problemlerine, lineer ve lineer olmayan problemlere uygulanabilir.
60 7. TASARIM OPTİMİZASYONU 7.1 Parçaların Modellenmesi BK kitini oluşturan parçaların modellenmesi ve montaj halinde birleştirilmesi Proengineer CAD programı ortamında yapılmıştır. Bundan sonraki tablo ve şekillerde parçalar için Çizelge 7.1 deki kodlar kullanılacaktır. Parça kodu E01 E05 E07 E12 Çizelge 7.1 Parça kodları ve isimleri Genel adı SACH ayak adaptörü Pylon adaptörü Boru sıkma adaptörü Soket adaptörü Tasarımı optimize edebilmek amacı ile her bir parça için tasarım parametreleri oluşturulmuştur. Parametrelerin başındaki ds ifadesi Proengineer den ANSYS ortamına aktarımı sağlamaktadır. Bu ifadeden sonraki iki rakam parametrenin bulunduğu parçanın kodunu, diğer iki rakam da o parçadaki parametre sırasını verir. ds0101 : Dış daire çapı ds0102 : Taban et kalınlığı ds0103 : Alt boşaltmanın kenara olan mesafesi ds0104 : Yan düz bölge uzunluğu ds0501 : Boru temas bölgesi çapı ds0502 : Boru temas uzunluğu
61 ds0503 : Setskur montaj bölgesi boru temas çapından olan fark ds0701 : Boru temas bölgesi çapı ds0702 : Boru temas uzunluğu ds0703 : Setskur montaj bölgesi boru temas çapından olan fark ds0704 : Boru sıkma vida yatağı dış mesafesi ds0705 : Boru sıkma vida yatağı en ölçüsü ds0706 : Boru sıkma vida yatağı boy ölçüsü ds1201 : Soket adaptörü taban et kalınlığı ds1202 : Ağırlık azaltma boşaltması küre mesafesi ds1203 : Kol genişliği dst1 : Tüp et kalınlığı Hangi paramatrenin, hangi parçanın hangi ölçüsünü kontrol ettiği Şekil 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 ve 7.5 te gösterilmiştir.
62 Şekil 7.1 E01 SACH ayak adaptörü girdi tasarım parametreleri Şekil 7.2 E05 Boru adaptörü girdi tasarım parametreleri
63 Şekil 7.3 E07 Boru sıkma adaptörü girdi tasarım parametreleri Şekil 7.4 E12 Soket adaptörü girdi tasarım parametreleri Şekil 7.5 Tüp tasarım parametreleri
64 Oluşturulan her bir parametre için, geometrinin tüm parametrelerin uç değerlerinde katı olarak oluşabilmesini mümkün kılacak ve parçanın hacmini ve boyutlarını kullanım alanı sıkıntısı yaratacak şekilde büyük hale getirmeyecek biçimde maksimum ve minimum değerler tespit edilmiştir. Başlangıç değerleri için şu anda üretilmekte olan paslanmaz çelik BK kitinin ölçüleri baz alınmıştır. Bu sözü edilen değerler Çizelge 7.2 de gösterilmektedir. Çizelge 7.2 E12 Tasarım girdi parametrelerinin başlangıç, minimum ve maksimum değerleri Parça Parametre Başlangıç (mm) Minimum (mm) Maksimum (mm) 0101 65 60 70 E01 0102 3,5 1 8 0103 1 1 4 0104 14 5 30 0501 33 32 38 E05 0502 30 25 50 0503 3,5 1 5 0701 33 33 38 0702 30 30 50 E07 0703 3,5 1 5 0704 6 6 10 0705 10 7 13 0706 18 12 25 1201 2,5 1 6 E12 1202 2,5 1 4 1203 20 10 30 TÜP dst1 2 1 4
65 Şekil 7.6, 7.7, 7.8, 7.9 ve 7.10 da parçaların tasarım parametrelerinin maksimum ve minimum değerlerinin, parçaların genel görünümünü nasıl etkilediği gösterilmiştir. Şekil 7.6 E01 girdi parametre değerlerinin maksimum ve minimum değerlerinin parça geometrisine etkisi
66 Parametre Şekil 7.7 E05 girdi parametre değerlerinin maksimum ve minimum değerlerinin parça geometrisine etkisi
67 Parametre Şekil 7.8 E07 girdi parametre değerlerinin maksimum ve minimum değerlerinin parça geometrisine etkisi
68 Parametre Şekil 7.9 E12 girdi parametre değerlerinin maksimum ve minimum değerlerinin parça geometrisine etkisi
69 Parametre Şekil 7.10 Tüp girdi parametre değerlerinin maksimum ve minimum değerlerinin parça geometrisine etkisi Yukarıdaki parametreler belirlenirken sistemin aşağıdaki şartları göz önüne alınmıştır: Daha önce de belirtildiği üzere piramit alıcı sistemi tüm ürünlerde standart olduğundan, parçaların başka sistemlere de adapte edilebilmesi ve piyasa standartlarına uygun tasarım yapmak amacı ile piramit, küre ve alıcı yapılarında küre çapı ve alıcı maksimum açıklığı gibi 2 parçanın temasında etkin olan bölgelerin ölçüleri sabit tutulmuştur. Sistemin başlangıç değerleri IB-ER Makina LTD tarafından üretilmekte olan ve ilgili testlerden başarı ile geçmiş olan paslanmaz çelik parçaların ölçülerine uyacak şekilde seçilmiştir. Bu tip modüler alt ekstremite kitlerinin neredeyse tamamında 30 mm çaplı boru kullanılması nedeni ile, bu parça ile ilişkide olan diğer parçaların da uyumunu etkilememek için aynı ölçü seçilmiştir.
70 Sistemde kullanılan setskur ve diğer civataların ölçüleri de aynı şekilde tüm kullanılan sistemlere uyumlu olacak şekilde seçilmiştir. 7.2 Parçaların Montajı Parçanın montajı CAD ortamında oluşturulurken, tasarımı optimize edilecek modüler parçaların yanında, bağlantı elemanları ve test koşullarını oluşturacak aparatlar da montaja eklenmiştir. Montajda kullanılan parça listesi Şekil 7.3 te verilmiştir. Çizelge 7.3 Montaj parça listesi Parça kodu / parça ismi Adet E01-SACH ayak adaptörü 1 E05- Pylon tüp adaptörü 1 E07-Boru sıkma adaptörü 1 E12-Soket adaptörü 1 M8X12 setskur 8 M5X18 imbus civata 1 Alt takoz (SACH adaptör-ayak bağlantısı için) 1 Üst takoz ( soket adaptörü-soket bağlantısı için) 1 Montajın genel görünüşü ve montajı oluşturan temel bileşenler Şekil 7.11 de gösterilmiştir.
71 Şekil 7.11 Analizde kullanılan montaj modelinin bileşenleri Parçaların montajı yapılırken test makinesi ve normal kullanımlarındaki koşullar aynen sağlanmaya çalışılmıştır. Şekil 7.12 de parçaların montaj ilişkileri gösterilmektedir. Numaralandırma aşağıda listelenmiştir: 1. Üst takoz Soket adaptörü 2. E01 E05 veya E07 E12 3. E07 veya E05 Tüp 4. E01 Alt takoz