Lomber omurgada ani dönme merkezi ve değişiminin biyomekanik etkileri
Instantaneous center of rotation in the lumbar spine and biomechanical effects of its alteration
Yazar: YUNUS ALAPAN
Danışman: PROF. DR. RAHMİ GÜÇLÜ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Ortopedi ve Travmatoloji = Orthopedics and Traumatology
Dizin: Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis

Özet:
Bel ağrısı, soğuk algınlığından sonra en sık karşılaşılan rahatsızlıktır ve dünya nüfusunun %80'inin hayatlarının belirli bir döneminde bel ağrısından şikayetçi olduğu belirlenmiştir. Sağlık açısından öneminin yanı sıra, bel ağrısının iş gücü ve ekonomik açıdan etkisi yadsınamaz büyüklükte kayıplara yol açmaktadır. Bu nedenle, omurganın kompleks hareketinin ve çeşitli bozukluklarla ortaya çıkacak değişimlerinin anlaşılması cerrahi ve önleyici tedavi için büyük önem taşımaktadır.Ani dönme merkezi, omurga hareketinin kalitesini belirleyen en önemli karakteristiklerden biridir. Ani dönme merkezinin spinal rahatsızlıkların teşhisi için kullanılması çok uzun süredir araştırmacılar tarafından incelense de disk dejenerasyonu ve ligaman hasarı sonrası ani dönme merkezindeki değişimleri inceleyen ayrıntılı çalışmalar literatürde mevcut bulunmamaktadır.Bu çalışmada, L4-5 omurga ünitesinin sonlu elemanlar modeli, bilgisayarlı tomografi görüntülerinden tersine modelleme yapılarak kurulmuştur. Çeşitli spinal yapıların malzeme özellikleri literatürden alınmıştır. Omurga ünitesinin hareket miktarı sonuçları önceki çalışmalarla karşılaştırılarak model doğrulanmıştır. Kurulan modelin disk yüksekliği ve malzeme özellikleri değiştirilerek hafif ve orta seviye disk dejenerasyonu simule edilmiştir. Simule edilen disk dejenerasyonu sonucu ani dönme merkezinin, hareket miktarının, faset yükleri ve maksimum anulus gerilmelerinin değişimi incelenmiştir. Bir sonraki aşamada ligamanlar sırayla modelden çıkarılarak, ligaman hasarı simule edilmiş ve bu hasar sonucu ani dönme merkezinin, hareket miktarının, faset yükleri ve maksimum anulus gerilmelerinin değişimi incelenmiştir. Bu incelemelerin sonuçları literatürde bulunan benzer çalışmalarla birlikte değerlendirilerek tartışılmıştır.Çalışmanın sonucunda, diğer etkilerden izole bir şekilde simule edilen hafif ve orta seviye disk dejenerasyonunun, ani dönme merkezi üzerindeki etkisinin kısıtlı olduğu görülmüştür. Bu da göstermektedir ki spinal hareketteki değişiklikler ancak dejenerasyon prosesinin belirli bir aşamasından sonra klinik olarak teşhis edilebilir duruma gelebilir. Bir sonraki aşamadaki gerçekleştirilen inceleme sonucunda, omurga hareketinin niteliğindeki değişim (ani dönme merkezi) ile niceliğindeki değişimin (hareket miktarı) tespiti ve birlikte değerlendirilmesinin; ünitedeki hasarın tipi, ligamanların durumu ve ünitenin yük transferi hakkında daha doğru bilgilerin tespiti açısından önemli olabileceği görülmüştür.

Abstract:
The low back pain is the most common illness after the cold and 80% of world population was affected by it in some part of their lives. Besides the importance of it with respect to the health, effects of the low back pain with respect to the work force and economics cause considerable losses. Thus, understanding the complex motion of the spine and the changes that occur with various deficiencies bears great importance for surgical and preventive treatment.Instantaneous center of rotation is one of the most important characteristics to determine the quality of spinal motion. Even though researchers have investigated the use of instantaneous center of rotation as a diagnostic tool for so long, there is no comprehensive study that investigated the changes in the instantaneous center of rotation after disc degeneration and ligament failure.In this study, finite element model of the L4-5 spinal unit was constructed from computed tomography images by using reverse modeling. Material properties of various spinal structures were taken from the literature. The model was validated by comparing the range of motion results of the model and previous studies. Mild and moderate disc degeneration were simulated by changing the disc height and material properties of the constructed model. Change of instantaneous center of rotation, range of motion, facet loads and maximum annulus stresses were investigated after the simulated disc degeneration. In the next step, ligament failure was simulated by subsequently removing the ligaments from the model and change of instantaneous center of rotation, range of motion, facet loads and maximum annulus stresses were investigated after the simulated ligament failures. The results of these investigations were evaluated along with the previous related studies in the literature and discussed.In the result of the study, it has been found that isolated early-to-mid stage disc degeneration has a limited influence on the location of the instantaneous center of rotation. This result shows that changes in the spinal motion can reach to a clinically detectable level only after certain point in the degeneration process. In the result of the next investigation, it has been showed that the change in the quality of the motion of the spine (instantaneous center of rotation) adjunct to the change in the quantity (range of motion) could have a diagnostic value revealing more detailed information on the type of the injury, the state of the ligaments, and load transfer and sharing characteristics of the segment.