KALÇA PROTEZİ TASARIMININ SONLU ELEMANLAR YÖNTEMİ İLE STATİK ANALİZİ

Abstract

Total kalça protezi tasarımında protez performansı ve kullanım ömrünün artırılmasına yönelik çalışmalar gelişen cerrahi yöntemlerin yanı sıra malzeme ve üretim teknolojileriyle beraber son yıllarda oldukça hız kazanmıştır. Değişen ve gelişen biyomedikal teknolojisine her geçen gün ayak uydurabilen pratik yapısal ve mekanik çözümler günümüz mühendislik biliminin temel sorunlarından biri haline gelmiştir. Bu nedenle bilim insanlarının ilgi odağı, farklı malzemelerden yapılmış yapısal ve mekanik bileşenlerin farklı davranışlarına ilişkin analitik, sayısal ve deneysel çalışmalar olmuştur. Sonlu elemanlar yöntemi yeni protez tasarımlarının dayanım performansları hakkında prototip üretimi ve fiziksel testler yapılmaksızın gerçeğe oldukça yakın önemli bilgiler sağlamaktadır. Sunulan çalışmada kalça protezlerinde yaygın olarak kullanılan Ti-6Al-4V malzemesi kullanılarak ASTM F2996-20 kalça protezi sapı modeli üzerinde sonlu elemanlar yöntemi ile statik analiz yapılarak protezin performansı incelenmiştir. Ayrıca mesh tipi ve eleman boyutunun gerilme ve birim şekil değiştirmeler üzerindeki etkileri nümerik olarak ANSYS 19 paket programı kullanılarak ele alınmıştır. Elde edilen sonuçlardan, eleman boyutunun 1mm’den küçük olması durumunda, gerilme ve birim şekil değiştirmeler üzerinde etkisi olmadığını fakat işlem süresini oldukça arttırarak çözümü ekonomiklikten uzaklaştırdığı görülmüştür.

Keywords

• biyamedikal Mühendisliği
• Statik Analiz
• Sonlu Elemanlar Yöntemi
• Kalça Protezi Tasarımı

STATIC ANALYSIS OF HIP PROSTHESIS DESIGN USING FINITE ELEMENT METHOD

Abstract

Studies to increase prosthesis performance and service life in total hip prosthesis design have gained speed in recent years with the development of surgical methods, materials and production technologies. Practical structural and mechanical solutions that adapt to changing and evolving biomedical technology have become one of the main problems in engineering science today. For this reason, the scientists have been focused on analytical, numerical and experimental studies on the different behaviors of structural and mechanical components made of biomedical materials. The finite element method provides important information about the strength performance of new prosthesis designs without prototype production and physical tests. In this study, the static performance of the prosthesis is investigated by using the finite element method on the ASTM F2996-20 hip prosthesis stem model using Ti-6Al-4V material, which is widely used in hip prostheses. In addition, the effects of mesh type and element size on stress and strain were analyzed numerically by using ANSYS 19 package software. The results show that if the element size is smaller than 1mm, it has no significant effect on the stress and strain, but the solution is not economical by increasing the processing time considerably.

Keywords

• Biomedical Engineering
• Finite Element Method
• Hip Prosthesis Design
• Static Analysis

References

1. Abdullah, K.A.1997. Stress and Stability Analysis of the Neck-Stem Interface of the Modular Hip Prosthesis, Queen's University Department of Mechanical Engineering, PHD Thesis,177p, Ontario.
2. Altınel, L. 2021. https://www.leventaltinel.com/kalca-protezi/ Erişim tarihi:09.02.2021
3. ASTM F2996-20. 2020. Standard Practice for Finite Element Analysis (FEA) of Non-Modular Metallic Orthopaedic Hip Femoral Stems, American Society for Testing and Materials (ASTM), 11s.
4. Atik, F., Özkan, A., Uygur, İ. 2012. İnsan Uyluk Kemiği ve Kalça Protezinin Gerilme ve Deplasman Davranışının Kıyaslanması, Sakarya University Journal of Science, 16(3), 249-253.
5. Bilgen, Ö. F., Bilgen, S., Ermutlu, C. 2011. Kalça Protezlerinde Malzeme ve Tasarım Özellikleri, Türk Ortopedi ve Travmatoloji Birliği Derneği Dergisi, 147-157.
6. Charnley, J. 1964. The bonding of prostheses to bone by cement. The Journal of bone and joint surgery. British volume, 46(3), 518-529.
7. Chethan, K. N., Zuber, M., Shenoy, S., Kini, C. R. 2019. Static structural analysis of different stem designs used in total hip arthroplasty using finite element method. Heliyon, 5(6), 8s.
8. Colic, K., Sedmak, A., Grbovic, A., Tatic, U., Sedmak, S., Djordjevic, B. 2016. Finite element modeling of hip implant static loading, Procedia Engineering 149, 257-262.

9. İnce, A. 2018. Primer ve Sekonder Kalça Osteoartrili Hastalarda Çimentosuz ve Seramik Yüzeyli Total Kalça Protezi Uygulamalarımız- Kısa ve Orta Dönem Sonuçları, Sağlık Bilimleri Üniversitesi Antalya Sağlık Uygulama ve Araştırma Merkezi Ortopedi ve Travmatoloji Kliniği, Tıpta Uzmanlık Tezi, 98s, Antalya.
10. ISO 7206-4(2010), Implants for Surgery- Partial and Total Hip Joint Prostheses- Part 4: Determination of Endurance Properties and Performance of Stemmed Femoral Components, ISO- International Organization for Standardization; Geneva, Switzerland.
11. Kayabaşı, O. 2011. Probabilıstic Approach on The Analysis of a Kayabaşı-Ekici Type Hip Prosthesis Using Approximate Solution Tecniques, Marmara University Department of Mechanical Engineering, PHD Thesis.168s, Istanbul.
12. Knight, R., Aujla, R., and Biswas, S.P. 2011. Total hip arthroplasty-over 100 years of operative history, Orthop. Rev., 3(2), 72-74.
13. Terzi M., Güvercin Y., Ateş S.M., Sekban D.M., Yaylacı M. 2020. Effect of different abutment mateiıals on stress distrıbution in peripheral bone and dental implant system. Sigma Journal of Engineering And Natural Sciences, 38(3), 1515-1527.
14. Yaylacı M, Terzi C. 2018. Temas problemlerinde sonlu elemanlar yönteminin doğruluğunun incelenmesi. Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 6(3), 511-519.
15. Yaylacı, M., Avcar, M. 2020. Finite element modeling of contact between an elastic layer and two elastic quarter planes. Computers and Concrete, 26(2), 107-114.
16. Yaylacı, M., Terzi, C., Avcar, M. 2019a. Numerical analysis of the receding contact problem of two bonded layers resting on an elastic half plane. Structural Engineering and Mechanics, 72(6), 775-783.
17. Yaylacı, M., Bayrak, M.Ç., Avcar, M. 2019b. Finite Element Modeling of Receding Contact Problem. International Journal of Engineering and Applied Sciences 11(4) 468-475.
18. Yaylacı M. 2016. The investigation crack problem through numerical analysis. Structural Engineering and Mechanics, 57(6), 1143-1156.