Upload
others
View
10
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
©2017 Published in 5th International Symposium on Innovative Technologies in Engineering and Science 29-30 September 2017 (ISITES2017 Baku - Azerbaijan)
*Corresponding author: Address: Modern hospital, Baku, Azerbaijan. E-mail address: Modern hospital, Baku,
Azerbaijan, Phone: +994125700303
Femur Boyun Kırıklarında Yeni Delikli İmplantın Stress Dağılımının Sonlu
Elemanlar Analizi İle İncelenmesi
*1Efgan Ceferov, 2Chingiz Alizade, 3Zafer Özer, 4,5Amirullah M. Mamedov, 4Ekmel Özbay 1Modern hospital, Baku, Azerbaijan
2Azerbaijan Scientific-Research Institute of Traumatology and Orthopedics
, Baku, Azerbaijan 3 Mersin Vocational High School, Mersin University, Mersin, Turkey
4 Nanotechnology Research Center (NANOTAM), Bilkent University, Ankara, Turkey 5International Scientific Center, Baku State University
Abstract Osteosynthesis of femoral neck fractures (FNF) is accompanied by a large percentage of various
complications. The aim of this research was to study biomechanical implications arising from the stress
and strain distributions by use of new device –perforated H-beam implant.
A reference 3D femur model has been developed using digital femur geometry. Stress and deformity
characteristics after the application of strength were determined by ANSYS, which entails the finite
element analysis (FEA) method. This method was used for both for perforated and non-perforated
implant models and compared following the application of constant strength. Three types of FNF were
realized according to Pauwell classification system.
We concluded that, the perforations in the implants make the distribution of strength and pressure
homogenous along the whole implant functioning as wave breaker to reduce the pressure on the bone.
This in its turn contributes to implant stability and minimization of bone destruction.
Key words: Finite element method, novel femur prosthesis, stress distribution
1. Giriş
Kalça kırığı, çeşitli tıbbi ve zihinsel hastalıkların yanı sıra osteoporozdan mustarip yaşlıların ana
kaygısıdır. Dünyada her yıl 8.9 milyondan fazla osteoporotik kırık görülür [1]. ABD'de bu
hastaların yıllık maliyeti yaklaşık olarak 10 milyar dolar olarak tahmin edilmektedir [2]. İsveç'te,
kalça kırıklarını takip eden ilk yıldaki tedavinin maliyeti yılda yaklaşık 420 milyon dolar olarak
hesaplanmıştır [3].
Bu hastalarda tedavinin amacı ağrıyı azaltmak ve hastanın travma öncesi aktif hayata geri
dönmesine yardımcı olmaktır. Bu amaca ulaşmak için yapılan çalışmalar ameliyatı gerektirebilir.
Günümüzde femur boyun kırıkları tedavisinde boyun aksına paralel yerleştirilen çok sayıda vida,
dinamik kalça vidası (Dinamic hip screw, DHS) ve Targon® sistemi tercih olunan intenal tespit
yöntemleridir. Ters üçgen pozisyonda yerleştirilmiş, paralel 3 adet kanüllü vida ile tespit yöntemi
en sık olarak kullanılmaktadır [4,5,6,7]. Literatürde bu tasarımların uygulama sonuçlarına ilişkin
sayısız karşılaştırmalı çalışma mevcuttur [8,9,10,11].
Cerrahlar genç ve yaşlı hastaların tedavisi için internal fiksasyon yöntemini tercih ederken, Garden
III tip parçalı femur kırığı olan 60 ve 80 yaşlarındaki hastaların tedavisinde optimal yaklaşım
yöntemi konusunda farklı görüşe sahiptirler.
E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1394
Cerrahlar aynı zamanda internal fiksasyon veya artroplasti için optimal implantlar konusunda
hemfikir değildir [12].
İnternal fiksasyon sonrası ortaya çıkan sonuç, farklı serilerden büyük oranda farklılık gösterir
ancak, sendroma bağlı olmayan veya avasküler nekroz nedeniyle% 20-30 daha fazla reoperasyon
oranı görülür [13,14,15,16].
Kırık hattı yeniden konumlandırarak dikkatlice sabitlenmeli ve ağırlığı taşıyana kadar
desteklenmelidir. Bununla birlikte, kırık hattında yerinden olma riski de göz önüne alınmalıdır. Femur boyun kırıklarında, yer değiştirmeden ve kalçanın muhtemel avasküler nekrozundan
kaçınmak için operasyonel tedavi tercih edilir.
Paslanmaz çelik, kobalt ve titanyum gibi yeni malzemeler sadece dayanıklı değil, aynı zamanda
kemiğe destek vermek için gerekli güç ve esnekliğe sahiptir.
Geçen yüzyıla kadar doktorlar kemiğe destek vermek için vücudun dışından alçıya alma ve atel
kullanımını desteklediler (harici fiksasyon). Fakat steril cerrahinin gelişimi ile enfeksiyon riskini
azalması, doktorların doğrudan kemikle çalışabilmesini ve vücuda implant yerleştirebilmesini
sağladı. En sık görülen dahili fiksasyon, kemiği doğrudan desteklemek için vücut içinde kullanılan
teller, plakalar, çubuklar, pimler, çiviler ve vidalardır.
Öte yandan, sonlu elemanlar analizinin (SEA) femur kırıklarındaki implantların analizi için yararlı
bir araç olduğu iyi bilinmektedir. Böyle bir çalışma, form ve fonksiyon arasındaki ilişkiyi anlamaya
yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda cerrahın çalışmaları boyunca önemli bir girdi olmasını
sağlar.
Bu çalışmada analiz için, traverse düzleminde femur boyun kırığı düşünülmüştür. Bu nedenle, bu
çalışmanın hedefleri şöyledir:
1. Dahili tip fiksatörlerin yeni bir tipini olan H-kiriş kesitli delinmiş ve perfore edilmemiş
sabitleyicileri incelemek.
2. H-kiriş kesitli fiksatör-implantının fiziko-mekanik davranışını sonlu elemanlar yöntemi
kullanarak araştırmak.
3. İmplant grubundaki çeşitli stres, şekil değiştirme ve yer değiştirmeleri incelemektir.
2. Yöntem
İmplanttaki gerilme ve şekil değiştirme durumunun hesaplamaları sonlu elemanlar yöntemi ile
gerçekleştirilmiştir. Şekil 4 ve 5 te gösterilen yeni geliştirilmiş kalça protezinin modellenen femur
kemiğindeki, şekil 1 deki Pauwel's classification system (PCS) tip1, tip 2 ve tip 3 kırıklarda
gösterdiği mekanik davranışlar araştırılmıştır.
E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1395
a) b) c)
Şekil 1. Pauwel's classification system (PCS) kalça kemiği kırığı türleri, a) Tip 1, b) Tip 2 c) Tip 3
Bu çalışmada cerrahi titanyum protezin femura montajı yapılarak, yürüme sırasında normal
kilodaki bir insanın ağırlığının 5 katı kadar dikey kuvvet uygulanarak, ortaya çıkan sonuçlar sonlu
elemanlar metodu ile değerlendirilmiştir.
Anatomik femur kemiği üç boyutlu sonlu elemanlar modeli (3B-SEA) kullanılarak araştırıldı.
Modelleme için 2 boyutlu femur kemiğinin ölçüleri CAD yazılımına aktarıldı. Femur kemiğinin
referans modelinde kullanılan keypointler CAD ortamındaki iki boyutlu dijital resimden elde
edildi. 3 Boyutlu model oluşturulurken aşağıdan yukarıya modelleme yaklaşımı ile keypoinler
splinelar ile birleştirildi, splinelar kullanılarak alanlar, alanlar kullanılarak hacimler oluşturuldu.
3B model oluşturma aşamaları Şekil 2 de görülmektedir.
Şekil 2. 3 boyutlu modelleme
Yükleme ve sınır koşulları kullanılarak ANSYS sonlu elemanlar yazılımı ile femur kemiği
üzerindeki stress-strain dağılımı elde edildi.
Bu çalışmada normal kilodaki bir insanın yürüme hareketi sırasında oluşan ve ağırlığının 5 katına
kadar olan 4000 N kuvvet, 4 farklı noktaya 1000N olarak uygulanmıştır. Yürüyüş sırasında
basmanın tek bacak üzerinde oluşu esas alınmış ve uyluk kemiği kondil kısmından sabitlenmiştir.
E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1396
Femur baş küresine kalça ekleminden aktarılan yük mekanik eksen doğrultusunda uygulanmıştır.
Protez yerleştirilmiş modellerdeki toplam eleman ve düğüm sayıları Tablo 1 deki gibidir. Femur
üzerine etkiyen kuvvet ve sınır şartları Şekil 3’de gösterilmiştir. Analizde kullanılan malzeme
özellikleri literatürden alınmıştır [17]. SEA için kalça kemiği gibi düzensiz yapıları meshlere
bölmek için uygun olan 3B 10-node tetrahedral yapıdaki Solid92 elemanı kullanılmıştır.
Şekil 3. Uygulanan kuvvet ve sınır koşulları
Şekil 4. Deliksiz protez (Model 1)
Şekil 5. Delikli protez (Model2)
E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1397
Tablo 1. Sonlu Elemanlar Analizde kullanılan modellerin eleman ve düğüm sayıları
Eleman sayısı Düğüm sayısı
Tip 1 (Model 1) 67141 94381
Tip 2 (Model 1) 71592 97715
Tip 3 (Model 1) 100954 137006
Tip 1 (Model 2) 136230 186452
Tip 2 (Model 2) 74900 109912
Tip 3 (Model 2) 162737 230258
3. Sonuçlar ve Tartışma
a) b) c)
Şekil 6. Model 1 protezin kullanıldığı a) PCS tip 1 kırıkta b) PCS tip 2 kırıkta c) PCS tip 3 kırıkta oluşan Von Mises
gerilmeleri.
Şekil 6 a’da görüldüğü gibi maksimum Von Mises gerilmesi protezin kırık bölgesinde oluşmuştur.
Bu gerilme değeri 210.673 MPa’ dır. Kortikal kemik üzerindeki maksimum gerilmenin 70.63 MPa,
trabeküler kemik üzerindeki maksimum gerilmenin 23.949 MPa civarında olduğu görülmektedir.
Şekil 6 b’de maksimum Von Mises gerilmesi protezin kırık bölgesinde oluşmuştur. Bu gerilme
değeri 278.53 MPa dır. Kortikal kemik üzerindeki maksimum gerilmenin 90.094 MPa, trabeküler
kemik üzerindeki maksimum gerilmenin 31.281 MPa civarında olduğu görülmektedir.
Şekil 6 c’de maksimum Von Mises gerilmesi protezin kırık bölgesinde oluşmuştur. Bu gerilme
değeri 285.339 MPa dır. Kortikal kemik üzerindeki maksimum gerilmenin 95.377 MPa, trabeküler
kemik üzerindeki maksimum gerilmenin 32.056 MPa civarında olduğu görülmektedir.
Elde edilen maksimum gerilme değerleri tablo 2 de görülmektedir.
E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1398
a) b) c)
Şekil 7. Model 2 protezin kullanıldığı a) PCS tip 1 kırıkta b) PCS tip 2 kırıkta c) PCS tip 3 kırıkta oluşan Von Mises
gerilmeleri.
Şekil 7 a’da görüldüğü gibi maksimum Von Mises gerilmesi protezin kırık bölgesinde oluşmuştur.
Bu gerilme değeri 209.821 MPa dır. Kortikal kemik üzerindeki maksimum gerilmenin 70.392
MPa, trabeküler kemik üzerindeki maksimum gerilmenin 23.915 MPa civarında olduğu
görülmektedir.
Şekil 7 b’de maksimum Von Mises gerilmesi protezin kırık bölgesinde oluşmuştur. Bu gerilme
değeri 300.996 MPa dır. Kortikal kemik üzerindeki maksimum gerilmenin 67.117 MPa, trabeküler
kemik üzerindeki maksimum gerilmenin 33.705 MPa civarında olduğu görülmektedir.
Şekil 7 c’de maksimum Von Mises gerilmesi protezin kırık bölgesinde oluşmuştur. Bu gerilme
değeri 521.324 MPa dır, Bu gerilme protez üzerinde kırık bölgesindeki proteze ait delilerden
birinde görülmüş olup protez genelinde en yüksek gerilme 405.52 MPa dır. Kortikal kemik
üzerindeki maksimum gerilmenin 116.012 MPa, trabeküler kemik üzerindeki maksimum
gerilmenin 58.111 MPa civarında olduğu görülmektedir. Elde edilen maksimum gerilme değerleri
tablo 3 de görülmektedir.
Tablo 2 Model 1 protezdeki stres dağılımı
Maksimum Von Mises Stres [MPa]
Tip1 Tip2 Tip3
Protez 210.673 278.53 285.339
Trabeküler Kemik 23.949 31.281 32.056
Kortikal Kemik 70.630 90.094 95.377
Tablo 3 Model 2 protezdeki stres dağılımı
Maksimum Von Mises Stres [MPa]
Tip1 Tip2 Tip3
Protez 209.821 300.996 521.324
Trabeküler Kemik 23.915 33.705 58.111
Kortikal Kemik 70.392 67.117 116.012
E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1399
Alınan sonuçlara göre, kırık tipinin 1-den 3-e doğru artmasına paralel olarak her iki modelde
(deliksiz ve delikli) oluşan gerilimin miktarı artmıştır. Modelden asılı olmayarak açının artmasıyla
kortikal ve trabeküler kemik modelleri üzerinde olan maksimal gerilme de artmaktadır. Sadece
model 2/tip 2 kırık tiplerinde kortikal kemik üzerine gelen maksimal gerilmede değişiklik
gözlenmektedir (tablo. 2,3).
Model 1-in tüm kırık tiplerinde tarbeküler kemik bölgesine düşen maksimal Von Mises
gerilmesinin kortikal kemik üzerine düşen gerilme miktarı ortalama 1/3 oranında gözlenmiştir.
Model 2 / tip 1 kırık tipinde de 1/3 oranı devam etmektedir. Ancak model 2 / tip 2 ve tip 3 kırık
tiplerinde ise trabeküler ve kortikal kemik dokumalarının maksimal gerilmesi 1/2 oranında
izlenilmiştir. Alınan bu sonuçlar implantlarda deliklerin olması ile trabeküler kemik modellere
düşen kuvvetin daha da arttığını gösterir veya trabeküler kemik modellerde düşen yükün daha çok
yayıldığının işaretini veriyor.
Model 1-in tüm kırık tiplerinde alınan maksimal Von Mises gerilme rakamları karşılaştırıldığında
kırık tiplerinin artması ile rakamsal değişikliklerin belirli uyum içinde (tip 2/tip 1 1,3; tip3/tip 2
ise 1,1 oranında) ve biri-birilerine paralel arttığı gözlemlenmiştir. Ancak Model 2-nin tip 2 ve 3
kırık tiplerinde ise daha yüksek oranda artmalar izlenilir. Ayrıca delikli implant modelinde
trabeküler ve kortikal kemik doku üzerinde oluşan gerilme miktarı tip 2 ile tip 3 arasında aynı
oranda (1,7 oranda) hesaplanmıştır.
Model 1 ve 2 örneklerinde, tip 3 kırıkları karşılaştırıldığında implant ve trabeküler kemik dokusu
üzerinde gerilme rakamlarında en büyük oranda artma hesaplanmıştır (implant üzerinde 521,324 /
285,339; tarbeküler doku üzerinde 58,111/32,056). Her iki durumda göreceli olarak 1,8 kat artma
vardır. Sonuçta, Pauwels tip 3 kırıklarında kırık bölgesinde implant ve trabeküler kemik alanına
düşen kuvvetin azaldığı görülmüştür.
Tartışma
Sonlu elemanlar yöntemi kalça kemiğinin karmaşık geometrisi, yürümenin farklı şekillerinde
fizyoloji kuvvetin paylaşılmasını ve farklı kırık tiplerinde kullanılan implantlar üzerine gelen yük
dağılımını açıklayan kolay ve güvenli yöntemdir [18]. Ayrıca, bu nümerik yöntemle femurun
mekaniki davranışını tahmin ederek yeni implantların veya implantlardaki faklı tasarımların
gerçekleştirilmesini en ucuz ve minimum zamanla gerçekleştirmek mümkündür [19].
Bilgisayar ortamında, tasarlanan protez ve implantlar için SEA ile stres analizi yapmak ve hata
tahmininde bulunmak daha kolaydır. SEA başlangıçta uçak endüstrisi için geliştirildi, zamanla tıpta
geliştirilen protezlerin analizinde de kullanılmaya başlanıldı. 3B-SEA, implantların biyometrik
özelliklerini daha iyi anlamamızı sağlar, bu şekilde implant biyomekanik fonksiyonlarının
tasarımında ve kullanılan malzemenin iyileştirilmesinde tasarımcıya yardımcı olur.
Çalışmamızda femur boyun kırıkları osteosintezi için tasarlanan yeni implantın üzerindeki
deliklerle kemik doku ve implant çevresinde yük dağılımı araştırmak için sonlu elemanlar yöntemi
kullanılmıştır. Bu yöntemle ilk defa deliklerin uyluk boynunun kırık bölgesinde implant stabilitesi
etkisi araştırılmıştır.
Delikli ve deliksiz implant modellerinde alınan bulgular karşılaştırıldığında farklı ve ilginç
E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1400
sonuçlar alınmıştır. Delikli implant modellerinde yüklenmeden sonra kırık hattına düşen yüke bağlı
olarak implant üzerinde daha çok gerilme izlenilmiştir. Bu gerilme beraberinde trabekülar doku
bölgelerine de etki etmektedir. İmplant üzerindeki deliklerin varlığı uygulanan yükü homojen
dağıtarak kırık bölgesinde trabeküler doku ve implant üzerinde gerilmede maksimal artıma neden
olmuştur.
Delikler küveti azalttığı için deliklerin sayıları arttıkça kemik doku birim alanına düşen gerilme
miktarı artmakta, küvet ise azalmaktadır. Araştırmada alınan sonuçlar implantlarda deliklerin
varlığında implant ve trabekülar kemik alanlarına düşen yük miktarının azaldığını göstermiştir.
Analiz sonuçları göstermiştir ki, implant üzerindeki delikler dalgakıran fonksiyonu görerek tüm
kuvvet ve basıncın implant boyunca homogen dağılmasını sağlar ve aynı zamanda kemik doku
üzerinde basıncı azaltır. Kemik dokunun 3–4.cü haftalarda deliklerin içine büyüdüğünü ve delikleri
doldurduğunu düşünürsek, zamanla implant stabilitesinin artmasını ve kemik doku kaybının
minimalize olduğunu söylemek olasıdır. Araştırma sonucu yeni implantın travmatoloji ve ortopedi
alanında gelecek prespektivlererini araştırmağa ve yeni platformlarda tartışma zemini
yaratmaktadır.
Kaynaklar
[1.] Strom O, Borgstrom F, Kanis JA, Compston J, Cooper C, McCloskey EV, Jonsson.
Osteoporosis:burden, health care provision and opportunities in the EU:are portprepared in
collaboration with the International Osteoporosis Foundation (IOF) and the European
Federation of Pharmaceutical Industry Associations (EFPIA). Arch. Osteoporos, 2011,
6,59–155.
[2.] ACTA CHIRURGIAE ORTHOPAEDICAE ET TRAUMATOLOGIAE ČECHOSL., 73,
2006, p. 45–59 Fractures of the Femoral Neck: A Rewiew and Personal Statement ERNST
L.F.B. RAAYMAKERS
[3.] Borqvist L, Lindelöw G, Thorngren KG. Costs of hip fracture. Rehabilitation of 180
patients in primary health care. Acta orthop. scand. 1991, 62:39–48.
[4.] Lagerby M, Asplund S, Ringqvist I. Cannulated screws for fixation of femoral neck
fractures. No difference between Uppsala screws and Richards screws in a randomized
prospective study of 268 cases. Acta Orthop Scand. 1998, 69(4):387-91.
[5.] CCH Khoo Cannulated Screw Fixation For Femoral Neck Fractures: A 5-year Experience
In A Single Institution. Malays Orthop J. 2014 Jul; 8(2): 14–21. PMCID: PMC4181088
[6.] Osarumwense D, Tissingh E, Wartenberg K, Aggarwal S, Ismail F, Orakwe S, and Khan
F. The Targon FN System for the Management of Intracapsular Neck of Femur Fractures:
Minimum 2-Year Experience and Outcome in an Independent Hospital Clin Orthop Surg.
2015, 7(1): 22–28.
[7.] Boraiah S, Paul O, Gardner MJ, Parker RJ, Barker JU, Helfet D, Lorich D. Outcomes of
length-stable fixation of femoral neck fractures. Arch Orthop Trauma Surg. 2010
Dec;130(12):1523-31.
E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1401
[8.] Shields E, Kates SL. Revision rates and cumulative financial burden in patients treated with
hemiarthroplasty compared to cannulated screws after femoral neck fractures. Epub 2014
Oct 22.
[9.] Gjertsen JE, Vinje T, Engesaeter LB, Lie SA, Havelin LI, Furnes O, Fevang JM. Internal
screw fixation compared with bipolar hemiarthroplasty for treatment of displaced femoral
neck fractures in elderly patients. J Bone Joint Surg Am. 2010 Mar;92(3):619-28.
[10.] Wild M, Jungbluth P, Thelen S, Laffrée Q, Gehrmann S, Betsch M, Windolf J, Hakimi
M. The dynamics of proximal femoral nails: a clinical comparison between PFNA and
Targon PF Orthopedics. 2010 Aug 11;33(8).
[11.] Xu M, Zhang L, Mao Z, Wang H, Chen H, Guo Y, Tao S, Zhang Q, Liang X, Tang P
Comparison of effectiveness of three operations in treatment of displaced femoral neck
fractures in the elderly patients. Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi. 2010
Dec;24(12):1419-23.
[12.] Bhandari M, Devereaux PJ, Tornetta P, Swiontkowski MF, Berry DJ, Haidukewych G,
Schemitsch EH, Hanson BP, Koval K, Dirschl D, Leece P, Keel M, Petrisor B, Heetveld
M, Guyatt GH. Operative management of displaced femoral neck fractures in elderly
patients. An international survey. J Bone Joint Surg Am. 2005 Sep, 87(9):2122-30.
[13.] Strömqvist B, Hansson LI, Nilsson LT, Thorngren KG: Hookpin fixation in femoral
neck fractures. A two-year follow-up study of 300 cases. Clin Orthop 1987, 218:58–62.
[14.] Rehnberg L, Olerud C. Fixation of femoral neck fractures. Comparison of the Uppsala
and von Bahr screws. Acta Orthop Scand 1989, 60(5):579–854.
[15.] Lu-Yao GL, Keller RB, Littenberg B, Wennberg WE: Outcomes after displaced
fractures of the femoral neck. A meta-analysis of one-hundred and six published reports. J
Bone Joint Surg 1994, 76-A:15–25.
[16.] Mattsson P, Larsson S. Stability Of Internally Fixed Femoral Neck Fractures
Augmented With Resorbable Cement A prospective randomized study using
radiostereometry, Scandinavian Journal of Surgery, 2003, V. 92, P 215-219
[17.] Atik F, Özkan A, Uygur İ, İnsan Uyluk Kemiği ve Kalça Protezinin Gerilme ve
Deplasman Davranışının Kıyaslanması, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Dergisi, 16 (3), 2012.
[18.] Voo L., Armand M., Kleinberger M. Stress fracture risk analysis of the human femur
based on Computational Biomechanics // Johns Hopkins APL Technical Digest., 2004,
vol.25, p.223-30.
[19.] Bougherara H., Bureau M.N., Yahia, L. Bone remodeling in a new biomimetic polymer-
composite hip stem // J Biomed Mat Res Part A, 2010, vol.92, N1, p.164-174