CT Görüntülü Femur – Tibia Kemiklerinin Katı Modelinden Diz İmplantı Analizi

Year 2022, Volume: 27 Issue: 1, 140 - 157, 25.04.2022

Ismet Emircan Tunc

https://doi.org/10.53433/yyufbed.1036092

Cited By: 1

Abstract

Protezler ve ortezlerin kullanımları çok eskilere dayanır. Temelde protez ve ortezler, fonksiyonunun belli bir kısmını ve/veya tamamını yitirmiş eklem ya da ampüte edilmiş uzuvların fonskiyonlarının bir kısmını veya tamamını geri kazandırmak amacıyla canlılara uygulanır. 2000’li yıllara kadar belli kalıp modellerde kullanılıyorken son yıllarda artık hastaların kemik ve eklem yapılarına uygun olacak şekilde kişiye özel olarak üretilmektedir. Bu deneysel çalışmada sonlu elemanlar metodunun biyomekanikte kullanılmasıyla, modelin hazırlanmasının temel aşamalarının ve elde edilen modelin statik analizinin gerçekleştirilmesi amaçlanmış olup, özellikle diz ekleminde hastanın günlük yaşamındaki yürüme kabiliyetini azaltacak her türlü sorunun iyileştirilmesi hedeflenmiştir. Buna bağlı olarak bu sorunları yaşayan hastaların yürüme fonksiyonuna yardımcı olacak protezlerin vücuda uygulayacak etkilerinin simüle edilmesi amaçlanmıştır. Ayrıca bir makine mühendisinin tek başına genel anatomideki teorik bilgiler ile başa çıkabileceğini gösterebilmek ve elde ettiği sonuçları da yorumlayabileceğini gösterebilmek adına yapılmıştır. Başlangıçta 76 yaşındaki bir kadının femur ve tibiasının bilgisayarlı tomografisi (BT) alınmış, elde edilen görüntüler bilgisayar ortamına aktarılmış ve femur ve tibianın üç boyutlu sonlu elemanlar modeli hazırlanmıştır. Çalışmada modelin hazırlanmasında izlenen adımlar detaylı olarak verilmiştir. Model hazırlandıktan sonra ANSYS programına aktarılıp sonlu elemanlar analizi gerçekleştirilmiştir. Yürüme hareketinin simüle edilmeye çalışılan analizinde gerekli sınır şartları, malzeme özellikleri ve mafsal grupları tanımlanarak en yakın sonuçlar hedeflenmiştir. Böylece ortopedide uygulanan tedavilerin etkileri daha gerçekçi bir şekilde elde edilebileceği bir sonlu elemanlar modeli elde edilmiştir. Yapılan analiz sonucunda protezde ve kemikte oluşan yükleme değerleri 375 – 550 MPa arasındadır. Burada kortikal ve trabeküler kemik ve protezin çoklu parçalarında oluşan yükleme değerleri de dahil edilerek genel bir değer aralığı verilmiştir. Sonuçlar detaylıca irdelenmiştir.

Keywords

Biyomekanik, Femur – tibia implant, Yürüme hareketi, Sonlu elemanlar analizi

Supporting Institution

Erzurum Teknik Üniversitesi

Thanks

Prof. Dr. İrfan KAYMAZ

Knee Implant Analsysis from Solid Model of Femur-Tibia Bones with CT Images

Abstract

The use of prostheses and orthoses dates back to ancient times. Basically, prostheses and orthoses are applied to living things in order to restore some or all of the functions of joints or amputated limbs that have lost some and/or all of their function. While it was used in certain mold models until the 2000s, it is now produced specifically for the patient's bone and joint structures in recent years. In this experimental study, using the finite element method in biomechanics, it was aimed to perform the basic stages of the preparation of the model and the static analysis of the obtained model, and it was aimed to improve all kinds of problems that would reduce the walking ability of the patient in daily life, especially in the knee joint. Accordingly, it is aimed to simulate the effects of prostheses that will help the walking function of patients who have these problems. In addition, it was done to show that a mechanical engineer can cope with the theoretical knowledge in general anatomy alone and to show that he can interpret the results he obtained. At the beginning, computed tomography (CT) of the femur and tibia of a 76-year-old woman was taken, the obtained images were transferred to the computer environment, and a three-dimensional finite element model of the femur and tibia was prepared. In the study, the steps followed in the preparation of the model are given in detail. After the model was prepared, it was transferred to the ANSYS program and finite element analysis was performed. In the analysis of walking motion, which is tried to be simulated, the necessary boundary conditions, material properties and joint groups are defined and the closest results are aimed. Thus, a finite element model was obtained in which the effects of treatments applied in orthopedics can be obtained more realistically. As a result of the analysis, the loading values in the prosthesis and bone are between 375 and 550 MPa. Here, a general range of values is given, including the loading values of cortical and trabecular bone and multiple parts of the prosthesis. The results were analyzed in detail.

Keywords

Biomechanics, Femur – tibia implant, Walking movement, Finite element analysis

References

• Alkan, H. (2014). Sonlu elemanlar metodu ve mühendislik uygulamaları. https://alkanhulya.wordpress.com/2014/03/07/sonlu-elemanlar-metodu-ve-muhendislik-uygulamalari/ Erişim tarihi: 01.04.2018
• Anonim. (2013). Biomechanics for everybody.https://biomechanicsforeverybody.wordpress.com/tag/knee/. Erişim tarihi: 02.04.2018
• Anonim. (2015a). Explanation of Jacobian Ratio in ANSYS. https://mechanicalbase.com/explanation-of-jacobian-ratio-in-ansys-meshing/. Erişim tarihi: 05.04.2018
• Anonim. (2015b). Looking to Element Quality in ANSYS.https://mechanicalbase.com/looking-to-element-quality-in-ansys-meshingillustrated-expression/. Erişim tarihi: 07.04.2018
• Anonim. (2016a). Ön çapraz bağ yaralanması. http://bezmialemdragoshastanesi.com/tr/ Sayfalar/ortopedi/on-capraz-bag-yaralanmasi.aspx. Erişim tarihi: 08.04.2018
• Anonim. (2016b). 3B Model Oluşturma Teknikleri. https://forums.autodesk.com/t5/3ds-max-maya-turkce/3b-model-olusturma-teknikleri/td-p/6264360. Erişim tarihi: 09.04.2018
• Anonim. (2016c). ACL rehab – thinking beyond typical protocols. https://postcompetitiveinsight.com/2016/02/acl-rehab-thinking-beyond-typical-protocols.html. Erişim tarihi: 10.04.2018
• Anonim. (2016d). Femur anatomy and attachments. https://boneandspine.com/femur-anatomy-and-attachments/. Erişim tarihi: 15.04.2018
• Anonim. (2017). Kalça kireçlenmesi. https://www.drmcevdetavkan.com/kalca-kireclenmesi. Erişim tarihi: 20.04.2018
• Anonim. (2018a). Anatomical Planes.https://teachmeanatomy.info/the-basics/anatomical-terminology/planes/ Erişim tarihi: 21.04.2018
• Anonim. (2018b). Anatomide hareket terimleri.https://tr.wikipedia.org/wiki/Anatomide_hareket_terimleri Erişim tarihi: 23.04.2018
• Anonim. (2018c). Femur bone structure.https://www.vectorstock.com/royalty-free-vector/femur-bone- structure-vector-19944594, Erişim tarihi: 24.04.2018
• Anonim. (2018d). Kinematics.https://en.wikipedia.org/wiki/Kinematics. Erişim tarihi: 26.04.2018
• Morrey, B., & Berry, D. (2011). Joint Replacement Arthroplasty Basic Science, Hip, Knee and Ankle
• McCarthy, J. C., Noble, P. C., & Richard, N. V. (2017). Hip Joint Restoration.
• Grosel, M., Gfoehler, M., Peham, C. (2009). Alternative solution of virtual biomodeling based on CT-scans, Journal of Mibomechanics. Journal of Biomechanics, doi:10.1016/j.biomech.2009.05.007
• Öncen, H. (2016). Ossa Crucis (Tibia - fibula). https://aduvetfak.wordpress.com/2016/12/26/ossa-cruris-tibia-fibula/. Erişim tarihi: 02.05.2018
• Rony I., Kingma, I., de Boode, V., Faber, G. S., & van Dieën, J. H. (2020). Angular velocity, moment, and power analysis of the ankle, knee, and hip joints in the goalkeeper’s diving save in football. Frontiers in Sports and Active Living, 2(13), 1-9. doi:10.3389/fspor.2020.00013
• Lei, S., Anderson, D. D., Brown, T. D., & Frank, M. (2014). A method to represent heterogenous materials for rapid prototyping: The Matroyshka Approach. Rapid Prototyping Journal, 20(5), 390-402. doi:10.1108/RPJ-10-2012-0095
• Takashi Fukaya, Wataru Nakano, Hirotaka Mutsuzaki, & Koichi Mori (2018). Smoothness of the knee joint movemnt during the stance phase in patients with sever knee osteoarthritis. Asia-Pacific Journal of Sports Medicine, doi:10.1016/j.asmart.2018.08.002
• Xiahong Jia, Ming Zhang, & Winson C. C. Lee (2003). Load transfer mechanics between trans-tibial prosthetic socket and residual limb – Dynamic effects. Journal of Biomechanics, 31(9):1371-1377. doi:10.1016/j.biomech.2003.12.024
• Zachariah, S.G., & Sanders, J.E., (2000). Finite element estimates of interface stress in the trans-tibial prosthesis using gap elements are different form those using automated contact. Journal of Biomechanics, 33, 895-899. doi:10.1016/S0021-9290(00)00022-1
• Zhang, M., & Roberts, V.C., (2000). Comparison of computational analysis with clinical measurement of stresses on below-knee residual limb in a prosthetic socket. Medical Engineering and Physics. 22, 607-612. doi:10.1016/s1350-4533(00)00079-5