Kranioplasti cerrahisinde kullanılan protezlerin malzeme ve mukavemet özelliklerinin sonlu elemanlar metodu ile analizi ve kişiye özel protez tasarımı
Personal prosthesis design and finite element analysis of material and strength properties of cranioplasty surgical materials used as prostheses
Yazar: SİNEM AKAY
Danışman: DOÇ. DR. ARİF TARKAN ÇALIŞANELLER
Sağlık Bilimleri Üniversitesi / İstanbul Ümraniye Eğitim ve Araştırma Hastanesi / Beyin ve Sinir Cerrahisi Ana Bilim Dalı
Derece: Tıpta Uzmanlık, 2017
Konu: Nöroşirürji = Neurosurgery
Dizin: Elastik malzeme = Elastic material ; Kafa yaralanmaları = Head injuries ; Kemik ve kemikler = Bone and bones ; Kraniyotomi = Craniotomy ; Polietereterketon = Polyetheretherketone ; Polimetilmetakrilat = Polymethyl methacrylate ; Protezler ve implantlar = Prostheses and implants ; Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis ; Titanyum = Titanium ; Yaralar ve yaralanmalar = Wounds and injuries

Özet:
Bu çalışmanın amacı; travma sonrası kraniektomi uygulanan hastaların preoperatif ve postoperatif çekilmiş bilgisayarlı tomografileri (BT) kullanılarak kişiye özel kranioplasti materyallerinin sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmesi ve bu malzemelerin mukavemet özelliklerinin bilgisayar ortamında karşılaştırılmasıdır.
GEREÇ VE YÖNTEM
2011-2015 yılları arasında hastanemize yüksek enerjili kafa travması nedeniyle başvuran ve dekompresif kraniektomi yapılan 3 hastanın dosyaları incelendi ve çalışmaya uygun profilli hastalar tespit edildi. Çalışmaya sırasıyla çökme fraktürü sebebiyle opere edilen (Vaka 1, 42 yaşında, erkek) , sol parietal bölgede 22.9 cm2 alanında kemik defekti bulunan bir hasta, çökme fraktürü sebebiyle opere edilen(Vaka 2, 26 yaşında erkek) , sağ frontal bölgede 4.94 cm2 alanında kemik defekti bulunan bir hasta ve akut travmatik subdural hematom sebebiyle dekompresif kraniektomi operasyonu gerçekleştirilen (Vaka 3, 19 yaşında erkek) , sol frontotemporoparietal bölgede 237.8 cm2 kemik defekti bulunan bir hasta dahil edilmiştir. Hastaların preoperatif ve postoperatif BT'leri radyoloji departmanından elektronik ortamda temin edilerek bilgisayar ortamında aktarıldı. Bilgisayar ortamında ise hasta BT sonuçlarının dijitalleştirilmesi, görselleştirilmesi için Mimics Scientific ve Medical versiyonları, Dassault Systems CATIA CAD (Computer Aided Design) ve Comsol FEA (Finite element analysis ) yazılımları kullanılarak bilgisayar üzerinde kemik, Polyether-ether-keton (PEEK) , Titanyum ve Polimetilmetakrilat (PMMA) malzemelerinin şok ve yükleme simülasyonları gerçekleştirildi. Son olarak simülasyon sonuçları görselleştirildi. Görselleştirilen kontur ve skalalardan Von Mises stress değerleri ve deplasman (yer değiştirme) değerleri okunarak farklı malzemeler için mukavemet sonuçları karşılaştırıldı. Stres ve yerdeğiştirme sonuçları karşılaştırılırken istatistiksel analiz sonuçları için Statistical Package for the Social Sciences (SPSS)
programı kullanılmıştır. Bu program içerisinde Paired-T testi ve Wilcoxon Signed-Rank Testi uygulanmıştır.
BULGULAR
Çalışmamızda 3 hasta için ayrıntılı simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Bu analizler sonucunda farklı büyüklükteki kranioplasti alanları için uygulanan kemik, PEEK, titanyum, PMMA malzeme bazlı protezlerden sonuç olarak Von Misses stresleri ve yer değiştirme verileri elde edilmiştir.
Vaka 1 için kraniektomi defekti sol parietal bölgede 22.9 cm2 olarak ölçüldü. Analiz sonuçlarına göre Vaka 1 için en büyük stres değerleri 78 Mpa ile kemik ile tasarlanan modellemede izlenmiş olup, en büyük yerdeğiştirme 0.126 mm ilePEEK malzeme ile modellemede gözlemlenmiştir. Bunun yanında en düşük stres 57 Mpa ve yerdeğiştirme 0.00277 mm değerleri ile titanyum malzeme ile modellemede gözlemlenmiştir.
Vaka 2 için kraniektomi defekti sağ frontal bölgede 4.94 cm2 olarak ölçüldü. Analiz sonuçlarına göre Vaka 2 için en büyük stres değerleri 28 Mpa ile kemik ile tasarlanan modellemede izlenmiş olup, en büyük yerdeğiştirme 0.199 mm ile PEEK malzeme ile modellemede gözlemlenmiştir. Bunun yanında en düşük stres 22 Mpa ve yerdeğiştirme 0.00519 mm değerleri ile titanyum malzeme ile modellemede gözlemlenmiştir.
Vaka 3 için kraniektomi defekti sol frontotemporoparietal bölgede 237.8 cm2 olarak ölçüldü. Analiz sonuçlarına göre Vaka 3 için en büyük stres değerleri 8.15 Mpa ile kemik ile tasarlanan modellemede izlenmiş olup, en büyük yerdeğiştirme 0.0474 mm ile PEEK malzeme ile modellemede gözlemlenmiştir. Bunun yanında en düşük stres 7.41 Mpa ve yerdeğiştirme 0.00105 mm değerleri ile titanyum malzeme ile modellemede gözlemlenmiştir.
TARTIŞMA VE SONUÇ
Sonlu elemanlar yöntemi ile kompleks mühendislik sistemlerinin incelenmesi uzun zamandır kabul gören bir uygulamadır. Artan teknolojik gelişmeler, bilgisayar kapasitelerinde ve görüntüleme sistemlerindeki gelişmeler, mühendislik ve bilgisayar uygulamalarının tıp ve cerrahi alanında daha fazla kullanımına imkan vermektedir. Bu süreçte insan vücudundaki sert yapılar olan kemiklerin ve protezlerin mühendislik uygulamalarında simüle edilmeleri hem malzeme seçiminde, hem uygun geometrilerin operasyon öncesi hazırlanmasında hemde cerrahlara operasyon öncesi öngörü sağlaması açısından oldukça önemlidir. Bu ve benzeri pozitif geri beslemeler sayesinde tıp alanında sonlu elemanlar (FEM) analizleri giderek daha fazla yer bulmakta ve bu analizleryöneticikuruluşlar tarafından standardize edilmektedir.
Bu çalışmada farklı kranial kemik defekti alanına sahip vakalar için kemik, PEEK, titanyum, PMMA malzeme modellerinin kullanıldığı şok ve sabit yük (steady structural analizler ) analizleri gerçekleştirilmiştir.
Vaka 1 için en mukavemetli malzeme titanyum olup bu açıdan titanyumdan sonra PEEK, PMMA ve kemik olarak sıralanmaktadır. Mukavemet açısından kemiğe en yakın malzeme PMMA olarak gözlemlenmektedir. Esnekliği en fazla olan malzeme PEEK olup esneklik açısından sırasıyla PMMA, kemik ve titanyum olarak tespit edilmiştir. Esneklik açısından kemiğe en yakın malzeme PMMA olarak elde tespit edilmiştir.
Vaka 2 için en mukavemetli malzeme titanyum olup bu açıdan titanyumdan sonra PEEK, PMMA ve kemik olarak sıralanmaktadır. Mukavemet açısından kemiğe en yakın malzeme PMMA olarak gözlemlenmektedir. Esnekliği en fazla olan malzeme PEEK olup esneklik açısından sırasıyla PMMA, kemik ve titanyum olarak tespit edilmiştir.Esneklik açısından kemiğe en yakın malzeme PMMA olarak elde tespit edilmiştir.
Vaka 3 için en mukavemetli malzeme titanyum olup bu açıdan titanyumdan sonra PEEK, PMMA ve kemik olarak sıralanmaktadır. Mukavemet açısından kemiğe
en yakın malzeme PMMA olarak gözlemlenmektedir. Esnekliği en fazla olan malzeme PEEK olup esneklik açısından sırasıyla PMMA, kemik ve titanyum olarak tespit edilmiştir.Esneklik açısından kemiğe en yakın malzeme PMMA olarak elde tespit edilmiştir.
Bu veriler doğrultusunda defekt alanının büyüklüğünden bağımsız olarak tüm vakalarda farklı malzemeler için kemik ile karşılaştırıldığında stres ve yer değiştirme karakteristiğinin PMMA için kemiğe benzer olduğu tespit edilmiştir. En sağlam malzemenin titanyum en esnek malzemenin PEEK olduğu izlenmiştir

Anahtar Sözcükler:Elastik malzeme, Kafa travması, Kemik, Kraniektomi, Kranioplasti, PEEK, PMMA, Protez, Sonlu elemanlar metodu, Simülasyon, Şok, Titanyum

Abstract:
OBJECTIVE
High-energy traumas are caused by various etiologies. The patients who go through these traumas are exposed to cranioplasty operations in which many different prostheses are employed. In this study, three patients' pre- and post-operative CTs and the accordingly prepared prostheses were examined in the computerized environment. Afterwards, the models in this environment were handled using the finite element method that took into account several materials and loading conditions.
MATERIAL AND METHODS
Three patients with high-energy head trauma who underwent decompressive craniectomy between 2011 and 2015 were examined and patients with appropriate profiles were identified. The first patient with at bone defect at 22.9 cm2 in the left parietal region (Case 1, 42 years old male) , was operated on due to depression fracture, the second patient with a (case 2, 26 years old male) bone defect of 4.94 cm2 in the right frontal region was operated due to depression fracture and, and the third patient with a 237.8 cm2 bone defect in the left frontotemporoparietal region (Case 3, 19 years old male) was operated due to acute traumatic subdural hematoma. Preoperative and postoperative CT scans of the patients were obtained from radiology department in electronic environment and transferred in to computer environment. In the computer medium, for digitalization an visualization of patients CT data Mimics Scientific and Medical versions were utilized. Dassault Systems CATIA Computer Aided Design and Comsol FEA softwares were utilized for shock and loading simulations for bone, PMMA, titanyum and polymethylmethacrylate (PMMA) materials. By using Von Mises stress values and displacement values obtained from the visualized contours and scales, and the strength results were compared for different materials. Stress and displacement results were compared via Statistical Package for the Social Sciences (SPSS) program. Paired-T test and Wilcoxon Signed-Rank test were applied in this program.

FINDINGS
In our study, detailed simulations were performed for 3 patients. As a result of these analyzes, Von Misses stresses and displacement data were obtained for as a result of bone, PEEK, titanium and PMMA materials for different size cranioplasty fields.
The craniectomy defect for Case 1 was measured as 22.9 cm2 in the left parietal region. According to the analysis results, the greatest stress values for Case 1 were observed in the model with bone with 78 MPa and, the largest displacement was observed in the model with PEEK material with 0.126 mm. However, the lowest stress and displacement were observed in modeling with titanium material with 57 MPa and 0.00277 mm respectively.
For Case 2, the craniectomy defect was measured as 4.94 cm2 in the right frontal region. According to the analysis results, the greatest stress values for Case 2 were observed in the model with bone with 28 MPa, and the largest displacement was observed in the model with PEEK material with 0.199 mm. However, the lowest stress and displacement were observed in the model with titanium material with a value of 22 MPa and 0.00519 mm respectively.
For Case 3, the craniectomy defect was measured as 237.8 cm2 in the left frontotemporoparietal region. According to the results of analysis, the greatest stress values for Case 3 were observed in bone model with 8.15 MPa and the largest displacement was observed in model with PEEK material with 0.0474 mm. However, the lowest stress and displacement were observed in modeling with titanium material with a value of 7.41 MPa and 0.00105 mm respectively.
9
CONCLUSION
Examination of complex engineering systems with finite element method is an accepted practice for a long time. Increasing technological developments enable more use in the medical and surgical field of development, engineering and computer applications in computer capacities and imaging systems. In this process, it is very important to simulate the bones and prostheses, which are hard structures in the human body, in engineering applications both in terms of material selection, preparation of appropriate geometries before operation and foreseeing of surgeons before operation. FEM analysis in the field of medicine finds more places and is standardized by engineering executives.
In this study, shock and constant load (steady structural analysis) analyzes of bone, PEEK, titanium and PMMA material models were performed for cases with different cranial bone defect sites and sizes.
The most resistant material for Case 1 is titanium, which is followed by PEEK, PMMA and bone. The material closest to the bone in terms of strength is PMMA. The material with the greatest flexibility is PEEK, that is followed by PMMA, bone and titanium respectively. In terms of flexibility, the material closest to the bone was detected as PMMA.
For Case 2, the most resistant material is titanium, which is followed by PEEK, PMMA and bone. The material closest to the bone in terms of strength is PMMA. The material with the greatest flexibility is PEEK, that is followed by PMMA, bone and titanium respectively. In terms of flexibility, the material closest to the bone was detected as PMMA.
The most resistant material for Case 3 is titanium, which is followed by PEEK, PMMA and bone. The material closest to the bone in terms of strength is PMMA. The material with the greatest flexibility is PEEK, that is followed by PMMA, bone and titanium respectively . In terms of flexibility, the material closest to the bone was detected as PMMA.
According to our data, regardless of the size of the defect area, it was found that the stress and displacement characteristics of PMMA is similar to bone as

compared to other materials. The strongest material was observed to be titanium and the most flexible material was observed to be PEEK.

Keywords:Cranioplasty, Elastic material, Finite element methods, Head trauma, Load condition, Material properties, Shock