Trabeküler kemiğin üç boyutlu anizotropik modellenmesi
Three dimensional anisotropic modelling of trabecular bone
Yazar: MEHMET SARIKANAT
Danışman: DOÇ.DR. HASAN YILDIZ
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Ortopedi ve Travmatoloji = Orthopedics and Traumatology

Özet:
Trabeküler kemik, gerilme ve katılık değerlerine göre optimum bir yapıya sahiptir. Mekanik kuvvetlerin kemik kütlesi ve iç yapısına etki ettiği bilinmektedir. Julius Wolff' un ? Kemik fonksiyonundaki her türlü değişim, matematik yasalarıyla uyumlu olarak, kemiğin iç yapısında ve dış formunda oluşan değişikleri ortaya çıkarır? ifadesini kullandığı 1892 den bu yana, araştırmacılar, kemiğin uyumunu simüle etmek için matematiksel olarak formüle etmeye ve doğrulamaya uğraşmaktadırlar. Bu konuda bir çok kemik uyum modelleri geliştirilmiştir. Geliştirilen bu kemik uyum modellerinde kemik malzemesi izotropik olarak kabul edilmesine rağmen kemik malzemesi anizotropik yapıya sahiptir.Bu çalışmanın amacı, mekanik yükler altında, trabeküler kemik davranışını, osteoblast ve osteoklast aktivitelerini içeren fizyolojik kontrol evrelerini dikkate alarak simüle edecek ortotropik davranışa sahip yapısal bir model geliştirmektir.Trabeküler kemiğin global ve mikro mekanik özellikleri çeşitli çalışmalarda karakterize edilmiştir. Ancak trabeküler dokunun mikroVImekanik özelliklerindeki bilgi yetersizliği global özelliklerin yorumlanmasını zorlaştırmaktadır. Bu nedenle, günümüzde mevcut olan modellerin gerçeği yeteri kadar yansıtmaması, mikro seviyede modellemeyi amaçlayan bu çalışmanın gerekliliğini ortaya çıkarmıştır. Aynı zamanda bu model gerek kemik kırılmalarının tespitinde, gerekse kemik modellenmesinde gereksede uygun protez seçiminde ve protez uygulanmış kemik modellerinde kullanılabilecektir.Bu çalışmada, ilk olarak proksimal femur kemiği üç boyutlu 8 düğüm noktalı kübik elemanlar kullanılarak sonlu eleman modeline dönüştürülmüş ve daha sonra mekanik yüke bağlı olarak kemik özelliklerindeki değişimi modellemek için bilgisayar programı hazırlanmıştır. Bu bilgisayar programı yardımıyla, belirlenen sınır koşullarında gerilme analizi yapıldıktan sonra yoğunluk dağılımına geçilmiştir. Gerilme analizi yapılırken, kemiğin özellikleri ortotropik olarak alınmıştır. Daha sonra bu proksimal femur kemiği modeli üzerinde alınancak her bir eleman için, trabeküler yapının mekanik yük altında hangi özelliklere sahip optimum yapıya dönüştüğü bulunabilmektedir.

Abstract:
Trabecular bone is a structure thought to be optimal in terms of strength and stiffness. Ever since 1892, when Julies Wolff stated that ? Every change in the function of bone is followed by certain definite changes in internal architecture and external conformation in accordance with mathematical laws?? investigators have sought to formulate and verify mathematical rules to simulate the adaptation of bone. A number of models were developed and given in the literature about this topic. Even though the bone was assumed to be isotropic in the literature, in realty it has anisotropic structure.The purpose of this study is to develop a structural model which has orthotropic behavior by considering the physiological control periods consisting of osteoblast and osteoclast activities and trabecular bone behavior under mechanical loads.Global and micromechanical properties of trabecular bone were characterized in a number of studies. However, the lack of information about the micro mechanical properties of trabecular tissue makes the implementation of global properties difficult. Therefore, this study has focused on microscopic level modeling which seems to be the weaknessVIIIof current models. Additionally, the developed model can be used in fracture healing of bone, bone remodeling, prosthesis selection and prosthesis implanted bone modeling.A finite element model of proximal femoral bone was created by using 8-node three dimensional cubic elements. A computer code was prepared to model bone property changes due to mechanical loads. The bone density distribution was calculated after stress analysis was carried out under curtain boundary conditions. Bone was assumed to be orthotropic material during analysis. Then, the trabecular bone micro structure and property change in each finite element of femur were determined and the optimum trabecular structure was obtained.