7/30/2019 2010_1_TMAK_462-471.pdf

1/10

462

PARSYEL ENDOPROTEZ ARTROPLASTSNDE NKLNASYON AISININVE KEMK MENTOSU LAVESNN GERLME DAILIMINA ETKS

Murat Yavuz SOLMAZ*, smail Hakk ANLITRK** ve Aydn TURGUT*mysolmaz@firat.edu.tr Frat niversitesi, Makine Mh. Blm, 23119, Elaz

**ihsanliturk@firat.edu.tr Frat niversitesi, Makine Mh. Blm, 23119, Elaz

ZET

Bu almada, insan femurunun hasar neticesinde gerekletirilen parsiyel endoprotezartroplastisinde, inklinasyon (kollodiafizer) asnn ve kemik imentosu(polimetilmetakrilat) ilavesinin femur ve implant zerindeki gerilme dalmna etkisisaysal olarak aratrlmtr. mplant malzemesi olarak lkemizde ve dnyada sklklatercih edilen Ti6Al4V seilmitir. Saysal almada SolidWorks 2010 programkullanlarak femurun ve implantn kat modeli oluturulmu daha sonra bu model ANSYSWorkbench 12.0 kullanlarak 120, 125, 130, 135 ve 140 olmak zere 5 farkl inklinasyonas iin kemik imentolu (polimetilmetakrilat) ve kemik imentosuz olarak gerilme

analizleri gerekletirilmitir. Modellerin tamamnda anteversion as 12.5 olarak kabuledilmitir. Sonuta inklinasyon as art ve kemik imentosu ilavesinin femur ve implantzerinde meydana gelen gerilme deerlerini azaltt tespit edilmitir.

Anahtar Szckler: nsan Femuru, nklinasyon as, Polimetilmetakrilat, Gerilmeanalizi, ANSYS, Anteversion as.

ABSTRACT

In this study, in the partial endoprotez arthroplasty implemented after damage of human

femur, effect of inclination (kollodiafizer) angle and bone cement (polimetilmetakrilat)filling on the stress distribution of the femur and implant was investigated numerically. Asan implant material, Ti6Al4V which is preferred commonly both in our country and in theworld was choosen. In the numerical study, solid models of the implant and femur werecreated by using SolidWorks2010 package program then stress analysis for five differentinclination angles which are 120, 125, 130, 135 and 140 respectively, was carried outwith and without bone cement (polimetilmetakrilat) by using ANSYS Workbench 12.0package program. Anteversion angle was assumed to be 12.5 for all models. As a result ofthe inclination angle increases and the addition of bone cement, stress values occurred onthe femur and implant was determined to reduce.

Keywords: Human femur, Inclination angle, Polymethylmethacrylate, Stress analysis,ANSYS, Anteversion angle.

2. Ulusal Tasarm malat ve Analiz Kongresi11-12 Kasm 2010- Balkesir

7/30/2019 2010_1_TMAK_462-471.pdf

2/10

463

1. GRGerek hayatta trafik ve i kazalar, sportif faaliyetlerdeki kazalar, ani vcut hareketlerigibi birtakm olaylar sonucunda, insan vcudunda kemik krklar meydana

gelebilmektedir. Bu krklarn tedavi yntemleri, krn ekli ve bykl ve vcuttakiyerine gre eitlilik arz eder.

Bu krk tipleri arasnda en ok rastlanlanlardan birisi de femur (kala kemii) boyunkrklardr. Femurun boyun blgesinden krlmas sonucunda, bu blgedeki kala eklemifonksiyonunu yitirmi olur. Bu fonksiyonun tekrar kazanlmas amacyla femurun boyunve ba ksmlarnn grevini grmesi amalanan ve femur kanal iine yerletirilen metalkala protezleri kullanlr. Protezlerin sabitlenmesi ise ou uygulamalarda kemikimentolar yardm ile yaplr. Ancak bugne kadar yaplan baz uygulamalarda, tedavidenbelli bir sre sonra kemikte, imentoda veya protezde ikinci bir krlma veya gev eme gibiistenmeyen baz durumlarn ortaya kt tespit edilmitir. Bu duruma hastann ani veya

uzun sreli vcut hareketleri, kemik, imento ve protez lsnn farkl mekanikzellikleri, ameliyat srasnda iki malzeme ara yzeyinde oluan kusurlar, vcuttakifizyolojik bozuklar, protez ekli ve malzemesi, imento kalnl gibi bir ok faktrn etkiettii sylenebilir.

melekolu ve arkadalar, normal ve osteoporotik san kortikal femurununbiyomekanik zelliklerini hem deneysel biyomekanik analiz hem de sonlu elemanlaranalizi (SEA) ile deerlendirmi ve elde etikleri sonular nda, klinik uygulamadaosteoporotik hastalarda sonlu elemanlar analizi ile kemiin biyomekanik kalitesinin in vivoolarak belirlenebileceini gstermileridir[1]. Wirtz ve arkadalar, proximal femurunanizotropik sonlu eleman modelini oluturmak ve cortical ve cancellous kemiin malzemezellikleri ile ilgili literatrdeki mevcut bilgiye katk yapmak iin 2000 ylndagerekletirdikleri bir almalarnda elastisite modl, ekme, basma ve burulmamukavemeti, poisson oran ve kayma modl mekanik zellikleri deneysel olarak tespitetmilerdir [2]. Mizobuchi ve arkadalar, burulma ykne maruz tavan femurununmekanik zellikleri zerine kalsiyum fosfat imentosu ilavesinin etkisini aratrdklar biralmalarnda kalsiyum fosfat ilavesinin uzun kemiklerin burulma mukavemetiniarttrdn ne srmlerdir [3]. Pasinli, 2004 ylnda gerekletirdii bir almasndabiyomedikal uygulamalarda kullanlan metalik ve metalik olmayan biyomalzemeler ve bumalzemelerin biyouyumluluu hakknda bu konudaki aratrmaclarn faydalanabileceibir almasn yaynlamtr [4]. Sabatini ve Goswami, birka farkl implant gvdesini

konu alan almalarnda farkl kesit alanna sahip gvdeler iin sonlu elemanlar analizigerekletirmilerdir. Gvdeleri von-mises gerilmelerini gz nne alarakkarlatrmlardr[5]. Andriacchi(1977) Finite Element Metodu ile diz ekleminin hareketve kuvvet deiimini analiz eden bir model gelitirmitir. Ligamanlar, eklem kapsldorusal olmayan yaylar eklinde temsil edilmi ve eklem yzeyleri dz yzeyler olarakmodellenmitir [6]. Mutlu ve arkadalar, uyluk kemiinin BDT tabanl kat modeledntrlmesi iin yaygn olarak kullanlan drt farkl yntemin tasarm ve analizasndan avantajlar ve dezavantajlarn tanmlayarak karlatr. Karmak modelinanalizinde sonulara daha hzl ulalmak istendiinde tersine mhendislik programnn,fakat birebir modelin elde edilip daha kesin sonulara ulalmak istendiinde ise tasarmprogramnn seilmesinin daha uygun olduunu tespit etmilerdir [7].

7/30/2019 2010_1_TMAK_462-471.pdf

3/10

464

Bu almann amac, parsiyel endoprotez artroplastisinde kullanlan implantlardakiinklinasyon (kollodiafizer) asnn ve bu ameliyatlarn kemik imentolu ve kemikimentosuz olarak gerekletirilmesi durumunda kemik imentosu ilavesinin kemik veimplant zerinde meydana gelecek gerilme dalmlarna etkisini tespit etmektir. Bu

amala SolidWorks program kullanlarak insan femuru ve 5 farkl inklinasyon asnasahip implantlarn modelleri oluturulmu ve oluturulan bu modeller Ansys Workbenchpaket programna aktarlarak gerilme analizleri gerekletirilmitir.

2. MATERYAL VE METOTOluturulan kat modellerde, implant malzemesi olarak Ti6Al4V, kemik olarak insanfemuru ve kemik imentosu olarak polimetilmetakrilat kullanlmtr. Kullanlan bumalzemelerin mekanik zellikleri Tablo 1 de verilmitir.

Tablo 1. Kullanlan malzemelerin mekanik zellikleri [2, 5].Ti6Al Femur imento

Younluk (kg/m3) 4428.8 2000 1200Elastisite Modl (GPa) 104 20 2.6Poisson oran 0.31 0.37 0.3ekme akma dayanm (MPa) 1050 80 55

Basma akma dayanm (MPa) 73ekme kopma dayanm (MPa) 73Basma kopma dayanm (MPa) 124

almada 120, 125, 130, 135 ve 140 olmak zere 5 farkl inklinasyon assna sahip 3-

boyutlu implant modeli oluturulmutur. Oluturulan implant modellerinin tamamndaanteversion as 12.5 olarak alnmtr. ekil 1 de almada kullanlan implantnboyutlar gsterilmitir.

ekil 1. mplant boyutlar

ekil 2 de, SolidWorks (2010) program kullanlarak oluturulan farkl inklinasyon asnasahip kat modeller verilmitir. Kat modeli oluturulan implantn yerletirildii insanfemur kemiinin n ve yan grnleri ile lleri Fundamentals Of Biomechanics(Knudson) isimli kitaptan alnmtr. n ve yan grnler lleri dorulayacak ekildeleklendirilmi ve bu grnler zerinden modelleme yaplmtr (ekil 3). Model

7/30/2019 2010_1_TMAK_462-471.pdf

4/10

465

ncelikli olarak yzey olarak oluturulmu, st ve alt yzeylerin yerletirilip kapal bircisim oluturmasyla katya evrilmitir.

ekil 2. 12.5 lik anteversion asna gre oluturulmu farkl inklinayon alarna sahipimplant modelleri.

Parsiyel endoprotez artroplastisinde baz uygulamalarda kemik imentosu kullanlmazkenbaz uygulamalarda ise implantn femur ierisinden kmasn engellemek iin kemikimentosu ilavesi sz konusu olmaktadr. almamzda her iki durum iinde analizlergerekletirilmi, anteversion ve femoral boyun alar Avrupa Patent Ofisi'nde kaytl EP1 787 581 A1 kodlu patentteki lmlere gre modele aktarlmtr [8]. ekil 4 de implantve kemik imentosunun femur ierisine yerletirildii montaj halindeki kat modelgsterilmitir.

7/30/2019 2010_1_TMAK_462-471.pdf

5/10

466

ekil 3.mplant ve femurun boyutlandrlmasnda kullanlan referans resim.

(a) (b)

ekil 4.Femur ierisine yerletirilmi implant modeli. a) imentosuz ve b) imentolu

SolidWorks da kat model oluturulduktan sonra oluturulan model Ansys Workbench 12.0programna aktarlm ve gerekli analizler bu program yardm ile yaplmtr. ekil 5 de

Ansys paket programna aktarlan modellerin a yaps, snr artlar ve ykleme durumugsterilmitir.

Ansys de oluturulan modellerde tm paralar birbirine yapm (bonded) olarak kabuledilmitir. Ansy Workbench, oluturulan femur, implant ve kemik imentosu iin elemantipini 8 dml 6 serbestlik derecesine (UX, UY, UZ, ROTX, ROTY ve ROTZ) sahipkat elemanlar olarak kendisi atamtr.

7/30/2019 2010_1_TMAK_462-471.pdf

6/10

467

ekil 5.Kat modellerin a yaps, snr artlar ve ykleme durumu[5].

ekil 5 deki ykleme artlarna gre oluturulan kat modelde femur kemiinin altyzeyindeki tm dmlerde x, y ve z-ynndeki yer deitirmelerin sfr (ux= uy= uz=0)olduu kabul edilmitir. mplantn femur ban oluturan ksmna ise z-eksenidorultusunda 3000 Nluk dey kuvvet uygulanarak lineer gerilme analizigerekletirilmitir [5].

Gerilme analizleri gerekletirilen modellerin eleman ve dm saylar Tablo 2 de

verilmitir.

Tablo 2. Sonlu eleman modellerinde kullanlan dm ve eleman saylar.Dm Says Eleman Says

imentosuz imentolu imentosuz imentolu120 24308 43836 7885 14163125 25927 43879 8328 14165130 24576 44875 8002 14740135 24681 44434 7957 14456140 25091 44291 8154 14350

3. SONULAR VE RDELEME120, 125, 130, 135 ve 140 olmak zere 5 farkl inklinasyon as ve kemik imentosuilavesinin gerilme dalmna etkisi saysal olarak aratrlm ve elde edilen sonularimplant (Ti6Al4V), femur ve kemik imentosu (polimetilmetakrilat) iin Tablo 3 deverilmitir.

7/30/2019 2010_1_TMAK_462-471.pdf

7/10

468

Tablo 3.Farkl inklinayon alarnda implant, femur ve kemik imentosu zerindemeydana gelen Von-Misses ve asal gerilme deerleri.

MPLANT(T6AL4V)

FEMURKEMK MENTOSU

(POLMETLMETAKRLAT)

nklinasyon

A

s()

VonMisses

S1 S2 S3Von

MissesS1 S2 S3

VonMisses

S1 S2 S3

120 1797.8 1548.4 700.75 316.51 133 118.82 53.589 45.532

125 1427.2 1380.1 585.97 265.85 144.39 132.87 47.823 40.372

130 1442.5 1485.8 614.61 329.37 114.56 98.264 41.114 35.145

135 1298.4 1524.2 528.89 311.03 105.2 106.64 41.856 28.268

imentosuz

140 1148.8 955.98 382.63 242.53 93.912 80.916 28.652 24.001

120 2208.6 553.24 139.16 121.16 126.48 102.6 51.56 44.294 86.156 72.667 15.063 6.1285

125 1801.2 540.6 135.93 69.058 110.55 91.293 46.352 39.832 29.502 17.525 6.8267 4.2728

130 1697.7 490.96 138.48 78.229 103.67 83.008 39.881 34.329 27.317 14.983 4.3943 3.0109135 1151.8 506.48 105.36 64.795 79.576 74.43 33.13 28.587 24.619 13.692 5.8603 3.6629

imentolu

140 670.52 462.51 74.098 30.935 92.175 65.168 26.557 22.456 22.7 16.89 3.6117 1.7673

ekil 6da Ansys paket program kullanlarak gerekletirilen analiz neticesindeimentosuz model iin implant ve femurda meydana gelen gerilme dalmlargsterilmitir. Buna gre implantta en yksek gerilmeler femur boynu olarak adlandrlanfemur ba ile femur gvdesi arasnda kalan blgede meydana gelirken(ekil 6a), femurdaise gerilmeler mesnet blgesine doru artmtr (ekil 6b).

(a) (b)

ekil 6.Kemik imentosu kullanlmayan durumda a) implant ve b) femurda meydanagelen gerilme dalm.

ekil 7de ise kemik imentosu ilave edilmi model iin Ansys paket program kullanlarakgerekletirilen analiz neticesinde implant, femur ve kemik imentosunda meydana gelengerilme dalmlar gsterilmitir. mplant ve femurdaki gerilme dalm hemen hemenimentosuz modeldeki ile ayndr (ekil 7a ve 7b). Kemik imentosu zerinde meydanagelen gerilme dalm incelendiinde ise femurdaki duruma benzer olarak mesnetblgesine doru gidildike gerilmeler artmtr (ekil 7c).

7/30/2019 2010_1_TMAK_462-471.pdf

8/10

469

ekil 7.Kemik imentosu kullanlan durumda a) implant ve b) femurda meydana gelengerilme dalm.

ekil 8 de, imentolu ve imentosuz olarak oluturulan modeller iin 5 farkl inklinasyonasnda gerekletirilen analizler neticesinde implant, femur ve kemik imentosu iin elde

edilen maksimum Von-Misess gerilmeleri gsterilmitir.

(a) (b)

ekil 8.nklinasyon asnn maksimum Von-Mises gerilmesine etkisia) Kemik imentosuz b) Kemik imentolu model.

imentosuz modelde inklinasyon as arttka implant zerinde medya gelen gerilmedeerleri azalmtr. 120o de implant zerinde meydana gelen maksimum Von-Misessgerilme deeri 1797.8 MPa iken bu deer 140o de 1148.8 MPa a dmtr. nklinasyonasnn deiimi implantla kyaslandnda femur zerinde ok fazla bir etki yapmamtr.120o de femur zerinde meydana gelen maksimum Von-Misess gerilme deeri 133 MPaiken bu deer 140o de 93.912 MPa olarak tespit edilmitir (ekil 8a).

Kemik imentosu ilave edilmi modellerde de femur ve kemik imentosu zerindemeydana gelen gerilme deerlerine inklinasyon asnn etkisi implant zerinde meydanagelen gerilmeler ile kyaslandnda dk kalmtr. 120o de implant zerinde meydanagelen maksimum Von-Misess gerilme deeri 2208.6 MPa iken bu deer 140o de 670.52MPa a kadar dmtr (ekil 8b).

ekil 9da, kemik imentolu ve kemik imentosuz modeller iin implant ve femur zerindemeydana gelen Von-Misess gerilmelerine kemik imentosunun etkisi gsterilmitir. ekil9a dan grlecei zere kemik imentosu ilave edilmi olan modellerde femur zerindemeydana gelen gerilme deerleri hemen hemen btn inklinasyon alarnda daha

dktr. Bunun nedeni implant ve femurdan daha snek olan kemik imentosununimplanttan femura transfer edilecek gerilmeyi ekil deitirerek snmlemesidir.

7/30/2019 2010_1_TMAK_462-471.pdf

9/10

470

(a) (b)

ekil 9.Kemik imentosu ilavesinin maksimum Von-Misess gerilmesine etkisi.a) mplant b) Femur

4. TARTIMABu almada implant, femur ve kemik imentosunda meydana gelen gerilmelereinklinasyon asnn etkisi aratrlm ve aada zetlenen sonular elde edilmitir.

nklinasyon as arttrldka hem kemik imentolu hemde kemik imentosuzmodelerde implant zerinde meydana gelen maksimum gerilme deerleriazalmaktadr.

Kemik imentosu ilavesi femur zerinde meydana gelen maksimum gerilmeleri deazaltmaktadr.

mplant ve femurdan daha snek olan kemik imentosu implanttan femura transferedilen gerilmeyi ekil deitirerek drmektedir.

Gerekletirilen alma neticesinde, insan femurunun hasar sonucundagerekletirilen parsiyel endoprotez artroplastisinde, kiiye uygun inklinasyon as,anteversiyon as, kemik imentosu ilavesi vb. parametrelerin operasyondan ncetest edilebilecei gsterilmitir.

5. KAYNAKLAR[1] CMELEKOLU, U., MUTLU, H., YALIN, S., BAI, S., YILDIZ, A., OGENLER,

O., Normal ve Osteoporotik San Femurunda Kemiin Biyomekanik KalitesininBiyomekanik Testle ve Sonlu Elemanlar Analizi ile Belirlenmesi, Acta OrthopTraumatol Turc, 41 (1), 53-57 (2007).

[2] WIRTZ, D.C., SCHIFFERS, N., PANDORF, T., RADERMACHER, K., WEICHERT,D., FORST, R., Critical Evaluation of Known Bone Material Properties to RealizeAnisotropic FE-Simulation of The Proximal Femur, Journal of Biomechanics, 33, 1325-1330 (2000).

[3] MIZOBUCHI, H., TANI, T., TAKEMASA, R., YAMAMOTO, H., SONOBE, H.,Mechanical Properties of The Femur Filled with Calcium Phosphate Cement Under

Torsional Loading: A Model in Rabbits, Journal of Orthopaedic Science, 7, 562569,(2002).

7/30/2019 2010_1_TMAK_462-471.pdf

10/10

471

[4] PASNL, A., Biyomedikal Uygulamalarda Kullanlan Biyomalzemeler, MakineTeknolojileri Elektronik Dergisi, 4, 25-34, (2004).

[5] SABATINI, A. L., GOSWAMI, T., Hip mplants VII: Finite Element Analysis and

Optimization of Cross-Sections, Materials and Design, 29, 14381446, (2008).

[6] ANDIIACCHI, T.P., MIKOSZ, R.P., HAMPTON, S.J., GALANTE, O., A StaticallyIndeterminate Model of the Human Knee Joint, Biomechanics Syposium AMD., 23, 227-239, (1977).

[7] MUTLU, ., ZKAN A., KOLU, Y., Sonlu Elemanlar Tabanl Analiz inBiyomekanik Model Oluturma Teknikleri, 5. Uluslararas leri TeknolojilerSempozyumu (IATS09), 13-15 Mays,Karabk, Trkiye, (2009).

[8] European Patent Application, Date of publication: 23.05.2007, Bulletin 2007/21,

Application number: 05025014.1, EP 1 787 581 A1.

[9] ANSYS Users Manual (Version 12.0).