Metatarsal birinci kemiğin mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of mechanical properties of first metatarsal bone
Yazar: ZELİHA COŞKUN
Danışman: PROF. DR. YASİN KİŞİOĞLU
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
İnsan ayak metatarsal kemikleri (tarak kemikleri) vücuttaki en kısa kemiklerden olup, aynı anda çok farklı yüklere maruz kalarak çabuk kırılma vakalarına rastlanmaktadır. Bu olumsuzlukları gidermek için ortopedik fixasyon yöntemleri kullanılır. Bu işlemler için, bir dizi klinik, medikal ve biyomekanik çalışmalar sonucu ile metatarsal kemik yapılarını ve mekanik özelliklerini belirlemek gerekmektedir. Buna benzer sorunlara sahip femur ve tibia gibi uzun kemikler üzerine çok sayıda klinik ve biyomekanik çalışmalar yürütülmüştür. Ancak, metatarsal veya metakarpal gibi kısa kemikler üzerine sınırlı çalışmalar görülmektedir. İnsan vücudundaki kemiklerin mekanik özellikleri, ya kadavralardan alınan numuneler ya da medikal görüntüleme teknikleri kullanılarak belirlenir. Medikal görüntüleme veya klinik yöntemlerde ise, dokulardan alınan örnekler veya çeşitli görüntüleme teknikleri ile kemik yoğunluk hesaplamaları yapılmaktadır. Kadavradan alınan numuneler tahribatlı/tahribatsız biyomekanik testlere tabi tutulurlar. Ancak, kadavra bulmanın zorluğu ile araştırmacılar deneysel çalışmalarda gerçek kemik modeli yerine yapay kemik kullanmaktadırlar.
Bu tez çalışmasında, hem biyomekanik testler hem de medikal görüntüleme teknikleri kullanımı ile insan metatarsal birinci kemiğin mekanik özellikleri belirlenmeye çalışılmıştır. Bunun için, Kocaeli Üniversitesi Tıp Fakültesi Hastanesi Radyoloji Bölümünden 8 farklı hastanın ayaklarına ait Bilgisayarlı Tomografi (BT) görüntüleri elde edilmiştir. Elde edilen BT görüntüleri kullanılarak metatarsal kemikler farklı görüntü bölgelerine ayrılarak kemiklerin yoğunlukları hesaplanmıştır. BT görüntülerinden elde edilen metatarsal birinci kemiğin üç boyutlu katı modeli kullanılarak yapay kemik modelleri üretilmiştir. Yapay kemik üretimi, katmanlı üretim tekniği FDM (ergiyik yığma modelleme) ile polimer PLA (Polylactic acid) malzemesi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Gerçek metatarsal kemiğin mekanik özelliklerine yakın yapay kemikler üretebilmek için, katmanlı üretim tekniği ile farklı yazdırma parametreleri (desen, kortikal duvar kalınlığı, iç doluluk oranı vb.) kullanılarak farklı trabeküler yapılara sahip toplam 24 adet model üretilmiştir. Üretilen yapay metatarsal kemik modelleri burulma testine tabi tutularak farklı trabeküler yapılara ait kemik modellerin mekanik özellikleri hesaplanmıştır. Elde edilen yapay metatarsal kemik değerleri, gerçek metatarsal kemik ve BT görüntüleme tekniği ile elde edilen metatarsal kemik değerleri ile karşılaştırılmıştır. Burulma testlerini gerçekleştirebilmek için, kalibrasyonu da bu tez kapsamında yapılan bir burulma test cihazı geliştirilmiş ve üretilmiştir.

Abstract:
Human foot metatarsal bones are one of the shortest bones in the body and very prone to fracture due to their exposure to different loads simultaneously. Orthopedic fixation methods are being used to eliminate these problems. For these processes, it is necessary to determine the metatarsal bone structures and their mechanical properties as a result of a series of clinical, medical, and biomechanical studies. There are several clinical and biomechanical studies on long bones such as femur and tibia which have similar problems. However, there is limited studies in literature on short bones such as metatarsal and metacarpal. The mechanical properties of the bones in the human body are determined using either cadaveric samples or medical imaging techniques. The calculations of bone density are made using samples taken from tissues or various imaging techniques in medical imaging or clinical methods. Cadaveric samples are subjected to destructive/non-destructive biomechanical tests. On the other hand, by reason of the difficulties of finding cadavers, researchers use artificial bone models instead of real bone in their experimental studies.
In this dissertation study, the mechanical properties of the first metatarsal bone in human body were determined using both biomechanical tests and medical imaging techniques. Computed Tomography (CT) images of the feet of 8 patients were obtained from the Radiology Department of Kocaeli University Medical Faculty Hospital. Using the obtained CT images, metatarsal bones were divided into separate image regions and the densities of the bones were calculated. Artificial bone models were produced using the 3D solid model of the 1st. metatarsal bone obtained from those CT images. Artificial bone production was carried out using polymer PLA (Polylactic acid) material with the FDM (fused deposition modeling) technique, one of the additive manufacturing methods. In order to produce artificial bones similar to the mechanical properties of the physical first metatarsal bone, a total of 24 models with different trabecular structures were produced using different printing parameters (infill pattern, cortical wall thickness, infill ratio, etc.) with the additive manufacturing technique. The artificial first metatarsal bone models were subjected to torsional tests and mechanical properties of bone models belonging to different trabecular structures were calculated. The values obtained from the artificial metatarsal bones were compared with the real 1st. metatarsal bone and the values obtained from the CT images. In order to perform the torsional tests, a suitable device for torsional test, calibrated within the scope of this study, has been developed and manufactured.