CT Görüntülü Femur – Tibia Kemiklerinin Katı Modelinden Diz İmplantı Analizi

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.

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.