Analysis of Human Femur-Implant System Subjected to Axial and Lateral Impact Loading

Year 2024, Volume: 12 Issue: 1, 112 - 120, 26.01.2024

Okan Maden , Kenan Tüfekçi

https://doi.org/10.29130/dubited.1096478

Abstract

In this study, proposed altenative implant design that can be used for the treatment of femoral fractures in order to decrease stress distrubition on the bone-implant interface especially in the condition of impact loading. The numeric analysis of the most commonly using implant design in orthopedic operations and alternative implant design proposed in this study were performed by ANSYS 19.2, and compared the mechanical performances, both static and dynamic loading conditions. In the analyses, impactor weight were assumed to be 80 kg and impact velocity were chosen as 3 m/s, 4 m/s, 5 m/s. The best performance were obtained in Desing 1 as the stresses due to vertical force were reduced in the rate of 38,7% and the stresses due to horizantal force were reduced in the rate of 28,3%.

Keywords

Biomechanic, Dynamic and static analysis, Implant

İnsan Femurunda Eksenel ve Yanal Darbe Yüküne Maruz Kalan Kemik-İmplant Sisteminin Analizi

Abstract

Bu çalışmada uyluk (femur) kemiği gövdesinde meydana gelen kırıkları tedavi etmek için halihazırda kullanılan implanta alternatif olarak yeni tasarım implant sunulmuş ve implant-kemik sistemindeki kemik üzerine gelen gerilme azaltılmaya çalışılmıştır. Halihazırda kullanılan implant, üretici katalogdan seçilmiştir. ANSYS 19.2 programında dinamik ve statik analizler gerçekleştirilerek her iki implatın mekanik performansı karşılaştırılmıştır. İmplant-kemik sistemine yatay ve dikey yönlerde 3 m/s, 4 m/s ve 5 m/s hızlarında 80 kg olduğu varsayılan ağırlığın darbe modellemeleri yapılmıştır. Analiz sonuçlarına göre alternatif yeni tasarım implant kullanılarak eksenel yönden gelen kuvvetin kemikte oluşturduğu gerilme sağlam kemiğe göre %38,7 oranında, eksene dik yönden gelen kuvvetin kemikte oluşturduğu gerilme ise %28,3 oranında azaltılmıştır.

Keywords

Biyomekanik, Dinamik ve statik analiz, İmplant

References

• [1] P. S. Senthil Maharaj, R. Maheswaran, A. Vasanthanathan, “Numerical analysis of fractured femur bone with prosthetic bone plates,” Procedia Engineering, vol. 64, pp. 1242-1251, 2013.
• [2] A. Bettamer, “Prediction of proximal femur fracture: finite element modeling based on mechanical damage and experimental validation,” the Degree of Doctor, University of Orleans, Doctorale School for Sciences and Technology, France, 2013.
• [3] S. Das and S. K. Sarangi, “Finite element analysis of femur fracture fixation plates,” International Journal of Basic and Applied Biology, vol. 1, no. 1, pp. 1-5, 2014.
• [4] U. Mughal, H. A. Khawaja, M. Moatamedi, “Finite element analysis of human femur bone,” International Journal of Multiphysics, vol. 9, no. 2, pp. 101-108, 2015.
• [5] W. Chang, “Computer aided stress analysis of the femur with prosthetic hip stem utilizing computed tomography,” the Degree of Doctor of Philosophy, New Jersey Institute of Technology, Department of Mechanical and Industrial Engineering, USA, 1994 [6] Tıpmed Medikal. (2022, 16 Mart). Traditional plate systems [Çevrimiçi]. Erişim: http://www.tipmed.com/catalogue/6-celik_plak/celik_plak.html?iframe=true&width=980& height=600
• [7] F. Bayram, “Femur kemik kırıklarının bilgisayar destekli sınıflandırılması,” Doktora Tezi, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Anabilim Dalı, Sakarya, Türkiye, 2016.
• [8] Medikal EXPO. (2022, 16 Mart). Femur compression plate [Çevrimiçi]. Erişim: https://www.medicalexpo.com/prod/tst-orthopedic-implants/product-70382-702198.html
• [9] P. K. Satapathy, B. Sahoo, “Finite element analysis of functionally graded bone plate at femur bone fracture site,” Materials Science and Engineering, vol. 330, 012027, 2017.
• [10] K. Tüfekçi, “Gerinim hızının kortikal kemiğin mekanik özellikleri üzerindeki etkisinin incelenmesi,” Doktora Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Isparta, Türkiye, 2008.
• [11] D. S. Angadi, “Biomechanical analysis of femoral fracture fixation using the expert adolescent lateral femoral nail system,” degree of Doctor of Medicine, University of Birmingham, School of Clinical and Experimental Medicine, College of Medical and Dental Sciences, England, 2017.
• [12] H. A. Solak, “Taşıt bölge tasarım parametrelerinin yaya bacak koruma performansına etkileri,” Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Otomotiv Programı, İstanbul, Türkiye, 2017.