İntramedüller çivilerin biyomekanik özelliklerinin deneysel olarak ve sonlu elemanlar yöntemi ile belirlenmesi
Determination of the biomechanical properties of intramedullary nails by experimental and numerical methods
Yazar: MUSTAFA ÖZKAYA
Danışman: PROF. DR. TEYFİK DEMİR
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Ortopedi ve Travmatoloji = Orthopedics and Traumatology
Dizin: Biyomekanik = Biomechanics ; Femoral kırıklar = Femoral fractures ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; İntramedüller çivileme =

Özet:
İntramedüller çivileme uzun kemik kırıklarının tedavisinde cerrahlar tarafından sıklıkla tercih edilen bir sabitleme yöntemidir. Standart kilitli intramedüller çivilemede, distal kilitleme için standart olarak kullanılan kortikal kilitleme vidalarının dezavantajlarının önüne geçmek için farklı distal kilitleme sistemlerinin geliştirilmesi yönünde çalışmalar mevcuttur. Bu tezde, farklı distal kilitleme yöntemlerine sahip intramedüller çivilerin mekanik davranışları deneysel ve nümerik olarak incelenmiş ve distal kortikal kilitleme vidası kullanımını ortadan kaldıran yeni bir alternatif çivi tasarımının geliştirilmesi ve mekanik özelliklerinin nümerik yöntemlerle belirlenmesi yönünde araştırmalar yapılmıştır. İlk olarak standart kilitli, pençe mekanizmalı ve yeni genişleyebilir kama kilitli intramedüller çivinin subtrokanterik kırığa sahip femur üzerinde yapılan sabitlemelerinin mekanik davranışları, basit sonlu elemanlar analizleri ile karşılaştırılmış ve genişleyebilir kama kilitli intramedüller çivinin güvenli bir sabitleme sağladığı görülmüştür. Ardından, yapılan detaylı parametrik sonlu elemanlar analizleriyle, genişleyebilir kama kilitli intramedüller çivi sabitlemesinde, sabitleme güvenliğini etkileyen bağlantı parametrelerinin uygun değerleri belirlenmiş ve kama sıkma torkunun 3 Nm ve kama-kemik ara yüzünde sürtünme katsayısının 0,7 olduğu modelin en güvenli model olduğu görülmüştür. Tez kapsamında yapılan deneysel çalışmalarda, standart kilitli ve pençe mekanizmalı intramedüller çivilerin subtrokanterik ve intertrokanterik kırık sabitlemelerinin mekanik özellikleri basma yükleri altında incelenmiştir. Standart distal kilitli çivilerin, pençe mekanizmalı çivilere göre daha yüksek yüklere dayandığı ve daha yüksek direngenlik sergiledikleri görülmüştür. Deneylerin ardından, deneylerde incelenen sabitlemelerin sonlu elemanlar modelleri deneysel verilerle doğrulanmıştır. Sonlu elemanlar modellerinin doğrulanmasında, doğrulama parametresi olarak deneylerde numuneler üzerinden alınan gerinim değerleri ve sabitleme direngenlikleri kullanılmıştır. Subtrokanterik kırık sabitlemelerinin doğrulanmış modelleriyle gerinim değerleri en fazla % 10 civarı bir hatayla tahmin edilebilmektedir. Öte yandan nümerik çalışmadan elde edilen direngenlik değerinin deneysel direngenliğe göre yüksek olduğu gerçeği göz önünde bulundurulmalıdır. İntertrokanterik kırık içinse direngenlik, % 5'in altında bir hatayla tahmin edilebilmektedir. Neon sabitlemesinde iki numaralı gerinim ölçerden alınan gerinim değeri göz ardı edildiğinde, gerinim tahminleri de en fazla % 15 civarı bir hata ile yapılabilmektedir. Tezde, doğrulanmış sonlu elemanlar modelleri üzerinden, genişleyebilir kama kilitli intramedüller çivinin subtrokanterik ve intertrokanterik kırık sabitlemelerinin analizleri yapılmış ve mekanik davranışı incelenmiştir. Tezden çıkarılacak en önemli sonuç; tez kapsamında önerilen, tasarımı detaylandırılan ve mekanik davranışı nümerik yöntemlerle incelenen genişleyebilir kama kilitli intramedüller çivi sabitlemesinin, standart kilitli intramedüller çivi sabitlemesine yeni bir alternatif olarak kullanılabileceğidir. Ancak bunu net bir şekilde söylemek için ileri planda yapılacak deneysel çalışmalar gereklidir. Tezden çıkarılabilecek önemli bir diğer sonuç ise; uzun kemik kırıklarının Navy çivisi ile sabitlenmesi yapılırken, özellikle yüksek kemik kalitesine sahip bireyler için pençelerin tamamen kortikal kemik ile temas edecek şekilde açılması, pençelerin kemiğe kayda değer bir miktarda saplanması ve femurun distal üçte birinde pençeli distal kilitleme tercihinden kaçınılması gerektiğidir.

Abstract:
Intramedullary nailing is a fixation method which has been often preferred by surgeons in the treatment of long bone fractures. There are studies to develop different distal locking system in order to avoid the disadvantages of cortical locking screws which are used as a standard for distal locking of standard intramedullary nailing. In this thesis, the mechanical behavior of intramedullary nails with different distal locking system was investigated experimentally and numerically, and research was conducted to develop a new alternative nail design that eliminates the use of distal cortical locking screw and to determine its mechanical properties by numerical methods. Firstly, the mechanical behavior of standard locking intramedullary nail, clawed intramedullary nail and new expandable wedge locked intramedullary nail on the femur with subtrochanteric fracture were compared with simple finite element analyzes and it was observed that the expandable wedge locked intramedullary nail provided a secure fixation. Afterwards, with the detailed parametric finite element analyzes, the appropriate values of the connection parameters affecting the fixation safety in the expandable wedge-locked intramedullary nail fixation were determined and it was seen that the model with a wedge tightening torque of 3 Nm and a friction coefficient of 0.7 at the wedge-bone interface was the safest model. In the experimental studies carried out within the scope of the thesis, the mechanical properties of the fixations of standard locking and clawed intramedullary nails on subtrochanteric and intertrochanteric fractured femurs were examined under compression loads and it was concluded that standard locking nails withstand higher loads and exhibit higher stiffness than clawed nails. Following the experiments, the finite element models of the fixations examined in the experiments were validated with the experimental data. In the validation of the finite element models, experimental strains and fixation stiffnesses taken from the samples were used as validation parameters. With validated models of subtrochanteric fracture fixation, strain values can be estimated with an error of up to 10%. On the other hand, the fact that the stiffness value obtained from the numerical study is higher than the experimental stiffness should be considered. When the strain measurement taken from the second strain gauge in neon fixation is ignored, strain estimations can be made with an error of up to 15%. In the thesis, subtrochanteric and intertrochanteric fracture fixations of the expandable wedge locked intramedullary nail were analyzed via validated finite element models and its mechanical behavior was investigated. The most important conclusion to be drawn from the thesis is that the expandable wedge locked intramedullary nail fixation, which is proposed, detailed in design, and examined by numerical methods, can be used as a new alternative to the standard locking intramedullary nail fixation. However, further experimental studies are required to say this clearly. Another important conclusion that can be drawn from the thesis is that when fixing long bone fractures with Navy nails, especially for individuals with high bone quality, the claws must be completely deployed in contact with the cortical bone and must stick in the bone at a significant amount. Additionally, the preference of distal locking with claws in the distal third of the femur should be avoided.