BÖLÜM 1 GİRİŞ 1.1 Giriş Biyomekanik, biyo-mühendisliğin ve biyomedikal mühendisliğinin bir dalıdır. Biyomühendislik, mühendislik prensiplerinin ve metotlarının tıp alanında kullanmak için uygulandığı disiplinler arası bir alandır. Biyomekanik, klasik mekaniğin biyolojik ve fizyolojik sistemlere uygulanmasını ifade eder. Örneğin statiğin prensipleri, çeşitli eklem ve kaslarda meydana gelen kuvvetleri analiz etmek için uygulanmaktadır. Dinamiğin prensipleri, insan hareketinin tanımlanması, yürüyüş analizi gibi pek çok uygulamada kullanılmaktadır. Katı cisimler mekaniği, yük altında biyolojik sistemlerin fonksiyonel davranışlarını incelemekte kullanılır. Akışkanlar mekaniğinden ise damarlardaki kan akışını analiz etmekte yararlanılır. Biyomekanikteki araştırma çalışmaları üç temel alana ayrılabilir: deneysel çalışmalar, model analizleri ve uygulamalı araştırma. Biyomekanikteki deneysel çalışmalar, kemik, kıkırdak, tendon vs. gibi biyolojik malzemelerin mekanik özelliklerini tanımlamakta kullanılır. Matematiksel model analizi gibi teorik çalışmalar, biyomekanikte önemli bir yer tutar ve deneysel verileri kullanarak çevre ve çalışma şartlarının etkilerini tahmin etmekte kullanılır. Uygulamalı araştırma ise bilimsel bilginin, insan yararına kullanılmasıdır. Kas iskelet sistemindeki yaralanmalar neticesinde vücudun vereceği tepkilerin iyi bilinmesiyle bu yaralanmalarla daha başarılı bir şekilde mücadele edilebilir. 1.2 Temel Kavramlar Kas-iskelet sisteminin biyomekaniğinin anlaşılması için temel mekaniğin bilinmesi gerekir. İnsan vücudundaki kuvvetleri tanımlamak için mekaniğin temel kavramları kullanılacaktır. 1.2.1 Kuvvet vektörü Bir nesne itildiğinde veya çekildiğinde ya da bir topa vurulduğunda bir kuvvet veya yük uygulanmış olur. Nesneye etki eden bu kuvvet, şeklini değiştirebilir, hareketini değiştirebilir veya her ikisine de sebep olabilir. Bir kuvvet; içerden veya dışarıdan, normal (dik) veya teğetsel, çekme, basma veya kayma, yer çekimsel (ağırlık) veya sürtünme şeklinde olabilir. Bir cisme etki eden herhangi iki veya daha fazla kuvvet, düzlemsel, çizgisel veya paralel olabilir. 1.2.2 Moment vektörü Uygulanan kuvvetlerin dönme veya burulma etkisine döndürme momenti, eğilme etkisine ise eğilme momenti denilir. Moment vektörel büyüklüktür ve büyüklüğü, kuvvet ile kuvvetin etki ettiği noktaya olan en kısa mesafenin çarpımına eşittir. Şekil 1-1 de ağırlık çalışan bir insanın kolunda meydana gelen moment görülmektedir. Burada, kasnağın etrafına sarılı olan kablonun ucunda bir ağırlık vardır ve bu ağırlık kabloyu gererek ağırlığa eşit büyüklükte bir çekme kuvveti oluşturarak insanın eline aktarılır. İnsanın kolu ile kablo arasında θ açısı varsa ve kolun 1
dönme merkezi O ise burada meydana gelen momenti hesaplamak için F kuvvetinin etki ettiği kabloya paralel O notasından bir çizgi çizilerek kuvvet ile dönme merkezi arasındaki d mesafesi belirlenir. Böylece dirsek ekleminde meydana gelen momentin büyüklüğü M=F.d ile hesaplanır. Moment vektörünün yönü, kuvvet ekseni ile OQ çizgisinin meydana getirdiği düzlemde ve saat yönünün tersinedir. ŞEKİL 1-1 Momentin tanımı 1.2.3 Newton Kanunu Newton un 1. Kanunu; eğer bir cisme etki eden net kuvvet sıfır ise o cisim duruyorsa durmaya devam eder, hareket halinde ise sabit bir hızda gitmeye devam eder. Newton un 2. Kanunu; bir cisme etki eden net kuvvet sıfır değil ise, net kuvvet yönünde hızlanır ve bu hızlanmanın büyüklüğü net kuvvetin büyüklüğü ile orantılıdır. Yani matematiksel olarak F=m.a olarak ifade edilir ve burada F net kuvvet, m cismin kütlesi ve a ise ivmedir. Başka bir ifadesi ise M=I.α dır ve M net moment, I kütlesel atalet momenti ve α ise açısal ivmedir. Newton un 3.kanunu: etkitepki prensibidir ve iki cisim arasındaki etki-tepki kuvvetinin büyüklüğü aynıdır ancak yönleri birbirine zıttır. 1.2.4 Serbest cisim diyagramları Serbest cisim diyagramları, bir sistemin elemanlarına etki eden kuvvet ve momentleri tanımlamak ve sistemi analiz etmek için doğru mekanik denklemleri kullanmamıza yardımcı olur. İnsan kas-iskelet sistemi birçok parçadan meydana gelir ve bu parçalar kas, tendon, bağ doku ve eklem yapısıyla birbirlerine bağlıdır. Bazı çalışmalarda belirli bir eklem etrafındaki yükleme durumları inceleneceğinden bu vücut parçalarını ilgili eklem üzerinden iki kısma ayırarak serbest cisim diyagramını çizilebilir. Şekil 1-2 de dirsek etrafında oluşan kuvvetleri analiz etmek üzere şematik olarak kol çizilmiştir. Şekil 1-2 de görüldüğü gibi tüm vücut, dirsek ekleminde iki kısma ayrılmış ve ön kolun serbest cisim diyagramı çizilmiştir (Şekil 1-2B). Burada F çalışma aletine takılı ağırlığın etkisiyle kola gelen kuvvet, W alt kolun ağırlık merkezinden etki eden ağırlığı, FM1 biceps kaslarının çektiği kuvvet, FM3 brachioradialis kaslarının çektiği kuvvet, FM2 bracialis kaslarının çektiği kuvvet, Fj ise humeroulnar ve humeroradyal eklemlerinde meydana gelen bileşke tepki kuvvetidir. 2
ŞEKİL 1-2 A. Dirsek ekleminde meydana gelen kuvvetler. B. Alt kolun serbest cisim diyagramı. 1.2.5 Denge şartları Statik, denge durumunda bir cisme etki eden kuvvetleri analiz eder ve bu durumda cismin deformasyona uğramadığı kabul edilir. Mekanikte denge, hareketsiz veya sabit hızda hareket eden kütleyi ifade eder ve bu denge hem dönme hem de ilerleme hareketi için geçerlidir. Yani ilerleme hareketindeki denge için kütleye etki eden kuvvetlerin vektörel toplamı sıfırdır dönme hareketindeki denge için ise kütleye etki eden momentlerin vektörel toplamı sıfırdır. Sonuç olarak denge durumundaki bir kütle için hareket denklemleri (Newton un 2. Kanunu) şöyle olur: F = 0 ve M = 0 Burada kuvvet ve moment değerleri vektöreldir ve kuvvet ile momentlerin x, y ve z bileşenleri için her bir doğrultudaki değerlerinin toplamı da sıfır olacaktır. Yani: 1.2.6 Statik F x = 0 ; F y = 0 ; F z = 0 M x = 0 ; M y = 0 ; M z = 0 İnsan vücudunun çeşitli pozisyonları için kas ve eklemlerde meydana gelen kuvvetleri incelemek amacıyla statiğin temel prensipleri (denge denklemleri) uygulanabilir. Örneğin; eğildiğimizde herhangi bir omurumuzda meydana gelecek yükü veya elimizde taşıdığımız yüke bağlı olarak uyluk başında meydana gelecek kuvvetin değişimini statik analiz ile belirleyebiliriz. Bir eklemin mekanik analizini yapabilmek için gerekenler genellikle şunlardır: kaslardaki çekme kuvvetlerinin vektörel özellikleri, kasların kemiğe bağlanma noktaları, vücudun bölümlerinin ağırlıkları ve vücut parçalarının ağırlık merkezlerinin konumları. Karmaşık olan vücut sistemlerinin statik analizlerini yapabilmek için genellikle varsayımlar yapılarak sistem basitleştirilir. 1.2.7 Deformasyon modları Bir cisme dışarıdan etki eden kuvvetler neticesinde deformasyon adı verilen bölgesel şekil değişimleri meydana gelir. Deformasyonun büyüklüğü: cismin malzeme özellikleri, boyutu, şekli; ısı ve nem gibi çevresel faktörler; uygulanan kuvvetlerin büyüklüğü, yönü ve etki etme süresi gibi birçok faktöre bağlıdır. Cisme etki eden kuvvet çekme ise deformasyon uzama, basma ise büzülme şeklindedir. Kayma ise farklı olarak cismin kesitinin tanjantı yönünde deformasyona yol açar. 3
1.2.8 Normal ve kayma gerilmeleri Şekil 1-3A da örüldüğü gibi bütün bir kemiğe F büyüklüğünde bir çekme kuvvetinin etki etmesi durumunda kemik statik olarak denge durumundadır. Kemik içerisindeki kuvvetleri analiz etmek için boyuna eksene dik kesit alınarak kemik iki kısımda incelenebilir. Tüm kemik dengede olduğundan kesilen bu parçalar da dengede olmalıdır yani her bir parçaya etki eden kuvvete eşit ancak zıt yönlü bir iç kuvvet olacaktır (Şekil 1-3B). Bu kuvvet tüm kesite dağılmıştır ve F ise bileşke kuvveti ifade eder (Şekil 1-3C). Bu kuvvetin şiddetine (birim alan başına etki eden kuvvet) gerilme denilir. Şekil 1-3 deki durum için kesit alanına etki eden bileşke kuvvet bu kesit düzlemine dik olduğundan burada oluşan gerilmeye normal veya eksenel gerilme adı verilir. Normal gerilme için genellikle σ (sigma) sembolü kullanılır ve kesit alanı A ise σ=f/a şeklinde ifade edilir. ŞEKİL 1-3 Normal gerilmenin tanımı Gerilmenin diğer bir şekli de kayma gerilmesidir ve kesme düzleminin tanjantından etki eden (paralel) iç kuvvetlerin şiddeti olarak ifade edilir. Şekil 1-4A daki bütün kemikte kesit düzlemine paralel olarak birçok kuvvet etki etmektedir. Aynı şekilde tüm kemik dengedeyse kesilen parçalarda dengededir ve kesit düzlemine paralel iç kuvvetler mevcuttur (Şekil 1-4B). Eğer dış kuvvetlerinin büyüklüğü biliniyorsa F iç kuvvetinin büyüklüğü, her bir parçanın ilerleme ve dönme dengesinden hesaplanabilir. Kesit düzlemine paralel etki eden iç kuvvetin şiddetine kayma gerilmesi denilir ve genellikle τ (to) sembolü ile gösterilir (Şekil 1-4C). Kesit alanına paralel etki eden kuvvetin şiddetinin uniform olarak etki ettiğini düşünürsek ve kesit alanı A ise τ=f/a şeklinde hesaplanır. ŞEKİL 1-4 Kayma gerilmesinin tanımı 1.2.9 Normal ve kayma zorlaması Zorlama, deformasyon miktarının bir ölçüsüdür ve gerilmede olduğu gibi iki tip zorlama vardır. Normal zorlama, cismin boyundaki değişimin ilk boyuna oranı olarak ifade edilir ve genellikle ε (epsilon) ile gösterilir. Şekil 1-5A daki tüm kemiği ele alırsak kemiğin ilk boyu l, son boyu l ise uzama miktarı Δl = l-l ile hesaplanır ve buradaki normal zorlama ise ε=δl/l ile hesaplanır. 4
Cismin boyu uzuyorsa buna çekme zorlaması ve boy kısalıyorsa buna da basma zorlaması denilir. Kayma zorlaması, kayma gerilmelerinin yol açtığı distorsiyondur ve genellikle γ (gama) ile gösterilir. Şekil 1-5B deki ABCD dikdörtgeni, tanjant kuvvetlerinin etkisiyle AB C D paralel kenarı şeklinde deforme olur. Dikdörtgenin üst kısmındaki yatay yer değiştirme miktarı d ve dikdörtgenin yüksekliği h ise ortalama kayma zorlaması d ve h nin oranıdır ya da γ açısının tanjantıdır. Bu açı genellikle küçük olduğundan küçük açının tanjantı, kendisine eşit olarak kabul edilebilir bu nedenle ortalama zorlama γ=d/h olarak hesaplanır. ŞEKİL 1-5 A. Normal zorlama. B. Kayma zorlaması 1.2.10 Gerilme-zorlama diyagramları Her malzeme farklı gerilme-zorlama davranışı sergiler. Şekil 1.6 deki gibi bir gerilme-zorlama diyagramını incelersek eğri üzerinde altı belirgin nokta (O, P, E, Y, U ve R) görülmektedir. O noktası, diyagramın başlangıcını yani yüksüz ve deformasyon olmayan ilk durumu gösterir. O ve P arasında diyagram düz bir çizgidir ve bu bölgede gerilme ve zorlama arasında doğru orantı vardır. E noktası elastik sınırdır. Y noktası akma sınırıdır ve buna karşılık gelen σy gerilmesi malzemenin akma mukavemetini ifade eder. Bu gerilme değerinde yükte bir artış olmaksızın önemli ölçüde uzama meydana gelir. U noktası en yüksek gerilmeye karşılık gelir ve malzemenin maksimum gerilmesini (σu) ifade eder. Son olarak R noktası ise malzemenin koptuğu veya hasara uğradığı değerdir ve malzemenin kopma mukavemeti adını alır. Bazı malzemelerde elastik sınır veya akma sınırı belirgin değildir böyle durumlarda grafiğin doğrusal olan kısmına paralel %0.2 zorlanma seviyesinden geçen bir çizgi çizilerek akma sınırı belirlenir. ŞEKİL 1-6 Gerilme-zorlama diyagramları 5
1.2.11 Elastik ve plastik deformasyonlar Elastisite, bir malzemeye etki eden kuvvetin kaldırılması durumunda ilk boyutuna ve şekline dönebilme kabiliyeti olarak tanımlanabilir. Başka bir değişle, malzemeye etki eden gerilme değeri elastik sınırından daha az ise kuvvet kaldırıldıktan sonra malzeme üzerindeki deformasyonlar tamamen ortadan kalkar. Gerilme-zorlama diyagramı düz bir çizgi olan malzemeye lineer-elastik malzeme denilir. Böyle bir malzemenin gerilme-zorlama diyagramının elastik bölgedeki eğimine Young s Modülü denilir ve genellikle E ile gösterilir. Bu nedenle lineer elastik malzemelerde gerilme-zorlama arasındaki ilişki σ=e.ε ile ifade edilir. Bazı malzemelerde kayma gerilmesi (τ) ile kayma zorlaması (γ) arasında doğrusal orantı vardır ve bunların oranına kayma modülü denilir. Kayma modülü genellikle G ile gösterilir ve τ=g.γ ile ifade edilir. Plastisite, kalıcı deformasyonlara denilir ve malzemeler elastik sınırları üzerinde yüklemeye maruz kalırsa malzemede kalıcı deformasyonlar meydana gelir. Şekil 1-6 ya göre bir malzeme akma sınırından büyük bir gerilmeye maruz kalırsa yükün kaldırılmasıyla başlangıçtaki lineer elastik bölgeye paralel olarak elastik deformasyonu geri verir. Diyagramda zorlama eksenini kesen noktaya plastik zorlama denir ve malzemedeki kalıcı şekil değişiminin büyüklüğünü ifade eder. 1.2.12 Viskoelastiklik Elastik malzemeler dış yüklere maruz kaldıklarında genellikle ani bir deformasyon gösterirler. Ancak neredeyse tüm biyolojik malzemeler yükleme durumunda kademeli bir deformasyon davranışı sergilerler. Böyle malzemelere viskoelastik malzeme denir. Viskoelastik malzemelerdeki deformasyon miktarı, deformasyona yol açan yüklerin uygulanma sıklığına bağlıdır. Viskoelastik malzemenin gerilme-zorlanma davranışı elastik malzemelerden farklı değildir ancak zamana ya da gerilme-zorlama oranına bağlıdır. Viskoelastik kelimesi iki kelimeden oluşur. Viskozite bir akışkan özelliğidir ve akmaya karşı direnci ifade eder. Elastiklik ise katı malzeme özelliğidir. Bu nedenle viskoelastik malzemeler hem sıvı hem de katı özellikler sergilerler. Elastik malzemeler deforme edildiğinde bir zorlama enerjisi depolarlar ve yük kaldırıldığında bu potansiyel enerji ile malzeme eski haline geri döner. Çoğu elastik malzeme, yüksek gerilme durumunda plastik davranış sergiler. Elasto-plastik malzemelerin plastik zorlanması sırasında bu zorlanma enerjisinin bir kısmı ısıya dönüşür. Viskoelastik malzemelerde bu zorlanma enerjisinin bir kısmı potansiyel enerji olarak depolanırken bir kısmı da gerilmenin küçük veya büyük olmasına bağlı olmaksızın ısıya dönüşür çünkü viskoelastik malzemeler zamana bağlı malzeme özelliği gösterirler. Malzemenin bu zamana bağlı davranışını analiz etmek için birkaç teknik vardır. Şekil 1.7A da görüldüğü gibi sürünme ve gerikazanım testinde malzemeye yük uygulanır ve bir süre sabit olarak tutulur. Sürünme ve geri kazanım testinde elastik bir malzeme ani bir zorlama gösterir ve yük kaldırılana kadar sabit olarak kalır (Şekil 1-7B). Yük kaldırıldığında ise deformasyon 6
aniden ve tamamen ortadan kalkar. Aynı yükleme şartlarında viskoelastik bir malzemede zorlama kademeli olarak artar ve azalır. Eğer malzeme viskoelastik bir katı ise sonunda ilk boyutlarına geri döner (Şekil 1-7C). Eğer viskoelastik sıvı bir malzemeyse ilk haline hiçbir zaman geri dönmez ve kalıcı deformasyon meydana gelir (Şekil 1-7D). ŞEKİL 1-7 Sürünme ve geri-kazanım testi Şekil 1-8A daki gerilme-rahatlama deneyinde malzeme belirli bir seviyede sabit bir zorlamaya maruz bırakılarak gerilme davranışı gözlenir. Gerilme rahatlama deneyinde elastik bir malzemede ani bir gerilme oluşur ve sabit bir seviyede kalır (Şekil 1-8B). Yani elastik malzeme gerilme-rahatlama davranışı sergilemez. Viskoelastik bir malzeme ise başlangıçta yüksek gerilme seviyesi gösterir ve zamanla gerilmede bir düşüş görülür. Eğer malzeme viskoelastik bir katı ise, gerilme değeri hiçbir zaman sıfıra düşmez (Şekil 1-8C). Şekil 1-8D de görüldüğü gibi viskoelastik sıvı bir malzemede gerilme sonunda sıfıra düşer. ŞEKİL 1-8 Gerilme-rahatlama testi 1.2.13 Yorulma dayanımı Statik yükleme şartlarında bir malzemenin davranışını belirlemek için maksimum normal ve kayma gerilmeleri yararlı olur ancak yükler birden çok kez tekrarlandığında hasar meydana gelebilir. Böyle tekrarlı yük durumunda hasar şu faktörlere bağlıdır: yükün büyüklüğü, malzeme özellikleri ve çalışma şartları. Tekrarlı yükleme sonucunda kırılma meydana gelmesi olayına yorulma denir. 7
Malzemenin yorulma davranışını anlamak için birkaç test geliştirilmiştir. Şekil 1-9A da görülen çubuğun maksimum gerilme değeri σu olsun. Bu çubuk ilk olarak σm ortalama gerilmesiyle yüklenip bazen çekme bazen basma olacak şekilde zamanla dalgalı bir gerilmeye maruz kalsın (Şekil 1-9B). Malzeme kırılana kadar herhangi bir σa gerilme genliğine karşılık N adet tekrar sayısı kaydedilir ve Şekil 1-9C de görüldüğü gibi gerilme genliği-yük tekrar sayısı grafiği elde edilir. Herhangi bir N tekrar sayısına karşılık gerilme genliği değeri o tekrar sayısı için malzemenin yorulma dayanımıdır. Herhangi bir gerilme değeri için ise karşılık gelen N tekrar sayısı malzemenin yorulma ömrünü gösterir. Yorulma eğrisinin sonsuza gittiği σe gerilme değerini malzemenin sürekli mukavemet değeri denilir. Bu değerin altında tekrar sayısı ne olursa olsun malzemede büyük olasılıkla yorulma hasarı meydana gelmeyecektir. Ortopedide kullanılan protezler veya kırık sabitleme aletleri, hastanın günlük aktiviteleri ve kas hareketleri nedeniyle önemli ölçüde tekrarlı yüklemeye maruz kalırlar. Bu tekrarlı yüklemeler bu tip aletlerde yorulma hasarına yol açar. ŞEKİL 1-9 Yorulma dayanımı 8