Biyopsi ve küretaj sırasında açılan kemik pencerenin şekil ve boyutunun kemik dayanımına etkisinin biyomekanik olarak değerlendirilmesi
Biomechanical evaluation of the effect of the shape and size of the bone window opened during biopsy and curettage on bone strength
Yazar: MUHAMMED ŞAKİR ÇALTA
Danışman: PROF. DR. ŞEFİK MURAT ARIKAN
Gazi Üniversitesi / Tıp Fakültesi / Ortopedi ve Travmatoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Tıpta Uzmanlık, 2024
Konu: Ortopedi ve Travmatoloji = Orthopedics and Traumatology

Özet:
Ortopedik cerrahi prosedürlerde tanı veya tedavi amacıyla korteks üzerine
çeşitli müdahaleler yapılmaktadır. Kırık tespiti sırasında oluşan vida delikleri veya
biyopsi ve küretaj gibi prosedürlerde açılan geniş pencereler korteks üzerinde
defektlere yol açmaktadır. Ancak bu işlemler, kemiğin yapısal bütünlüğünü
zayıflatarak kırık riskini artırabilir. Bu nedenle, kortekste açılan deliklerin
boyutunun ve şeklinin dikkatlice planlanması, kemik gücünün korunması
açısından büyük önem taşımaktadır. Kemiğin dayanıklılığını en az seviyede
etkileyecek delik şekli ve yerleşimi, işlem sonrası komplikasyonları en aza
indirmek için titizlikle belirlenmelidir.
Literatürde kortekste dril veya vida deliği sonrasında kemik gücündeki
değişimlerle alakalı birçok kadavra, hayvan deneyi ve sonlu elemanlar analizi
çalışması mevcuttur. Fakat biyopsi ve küretaj uygulaması amacıyla açılan geniş
pencereler için pencere şekli ve boyutuyla ilgili yapılan çalışmalar kısıtlıdır. Bu
konuda yapılan çalışmalarda dikdörtgen türevleri, kare ve çember şekilli şekiller
test edilmiş ve dikdörtgen türevlerinin kemik gücünü en az düşürdüğü
83
gözlenmiştir. Boyutla alakalı çalışmalarda pencere uzunluğunun arttıkça kemik
gücünün çok etkilenmediği ancak genişliğinin artmasının kemik gücünün ciddi
anlamda zayıflattığı görülmüştür. Mühendislik alanında yapılan çalışmalarda elips
şeklinin çevresindeki gerilim ve deformasyon kuvvetlerinin dikdörtgen şekle göre
daha az olduğu görülmüştür. Sonuç olarak mühendislik ve tıp alanındaki bilgilerin
ışığında en uygun pencere şeklinin belirlenmesi kemik gücündeki zayıflamayı en
az seviyeye indirerek cerrahi sonrası oluşacak morbidite, mortalite ve maliyet
oranlarını düşürecektir.
Bu nedenle, sunulan çalışmanın iki temel amacı bulunmaktadır; Birincisi,
biyopsi ve küretaj sırasında açılan kortikal pencerenin şeklini (dikdörtgen-elips),
ikincisi ise tespit edilen uygun şeklin boyutunun belirlenmesidir. Bu amaç
doğrultusunda hem aksiyel hem rotasyonel yüklenme uygulanacaktır. Sonuç
olarak kemik dayanımını en az düşürecek optimal şekil ve boyut belirlenecektir.
Gereç ve Yöntem
3. nesil femur kemik modellerine (Model: FMR-01,sol femur, Selbone®
araştırma laboratuvarı, Kayseri, Türkiye) 4 farklı şekilde kortikal pencereler
açılmıştır. Kortikal pencereler açılırken Midas Rex Legend EHS Stylus yüksek
hızlı cerrahi dril (Medtronic , Minneapolis, Minnesota, USA) 60.000 devir/dk
modunda ve elmas uç kullanılarak tüm şekiller aynı alana sahip olacak şekilde
hazırlanmıştır. Biyomekanik dayanımlarını karşılaştırmak amacıyla testler
gerçekleştirilmiştir. Gruplandırma;
84
G1: Dikdörtgen şeklinde 5.46 cm-2.31 cm kortikal pencere (5.46 x 2.31)
G2: 1:1.5 oranında kısa çapı 3.26 cm uzun çapı 4.9 cm elips şeklinde
kortikal pencere ([3.26/2] x [4.9/2] x 3.14)
G3: 1:3 oranında kısa çapı 2.31 cm uzun çapı 6.93 cm elips şeklinde
kortikal pencere ([2.31/2] x [6.93/2] x 3.14)
G4: 1:6 oranında kısa çapı 1.64 cm uzun çapı 9.84 cm elips şeklinde
kortikal pencere ([1.64/2] x [9.84/2] x 3.14)
Bu oranlarda oluşturulan tüm şekillerin alanı 12.61 cm2 olarak bulunmuştur.
Her bir grup için, burulma ve basma olmak üzere iki farklı yükleme
koşuluna uygun olarak rastgele seçilmiş sekizer numune hazırlanmış, toplamda 64
numune üzerinde test yapılmıştır. Tüm testler TOBB ETÜ Biyomedikal
Mühendisliği laboratuvarlarında yapılmıştır. Basma testi için Maksimum yük (N),
basma rijitliği (N/mm), akma yükü (N) ve yapılan iş (J) hesaplanmıştır. Burulma
testi için ise maksimum tork (Nm), burulma rijitliği (Nm/º) ve yapılan iş (J)
hesaplanmıştır. Çalışma, farklı geometri ve oranlardaki kortikal pencerelerin
femurun biyomekanik dayanımına etkisini analiz etmek üzere tasarlanmıştır.
Bulgular
Numunelerin hepsi kortikal pencere açılan hattan kırılmıştır.
85
Basma testi maksimum yük açısından değerlendirildiğinde G1(dikdörtgen)
ve onunla eş genişliğe sahip olan elips (G3) arasında anlamlı fark bulunmuştur.
Elips şeklinin daha yüksek şiddetteki yüklere dayandığı görülmüştür. Elipsler
kendi içinde karşılaştırıldığı zaman G4 (1:6 elips) en dayanıklı bulunmuştur.
Ortalama basma rijitliği değerlerinde G1 (dikdörtgen) grubunun diğer 3
gruba (elispler) göre anlamlı derecede düşük olduğu görülmüştür. Bu durum
dikdörtgen bir kortikal pencere açılan kemik modelinin kuvvet altında
deformasyona karşı koyma gücünün elipse göre daha az olduğunu göstermektedir.
Ortalama akma yükünde de maksimum yükte olduğu elips dikdörtgene
göre anlamlı olarak daha yüksek bulunmuştur. Bu durum dikdörtgende elastik
bölgeden plastik bölgeye geçişin daha erken gerçekleştiğini ve numunelerin daha
kolay kalıcı deformasyona uğradığını göstermektedir.
Burma dayanımları karşılaştırmasında, G4 grubunun diğer gruplara kıyasla
en yüksek maksimum tork değerine ulaşması, bu geometriyle kaldırılan
kapakların burulma yüklerine karşı daha dayanıklı olduğunu göstermektedir. G1,
G2 ve G3 gruplarının benzer ve düşük tork değerleri göstermesi, bu geometrilerde
yapılan işlemin femurun burulma dayanımını zayıflattığını ifade etmektedir.
Burulma rijitliği değerlerinin gruplar arasında benzer olması, farklı
geometrilerin bu parametre üzerinde önemli bir etkisi olmadığını göstermektedir.
86
G4 grubunun en yüksek yapılan iş değerine sahip olması, bu grubun
burulma yükü altında daha fazla enerji absorbe ettiğini ve deformasyona
dayanabildiğini göstermektedir.
Burulma testlerindeki bu durum geometrik şeklin burulmada çok etkili
olmadığını burulma testlerindeki dayanımın şeklin genişliğiyle (sirkumfleks
çevreye oranı) doğrudan ilişkisi olduğunu bize göstermiştir.
Sonuç
Sonuç olarak, bu çalışmada kompozit kemik modelleri üzerinde optimal
şekil ve boyut değerlendirilmesi için aynı alana sahip elipsler ve dikdörtgen
karşılaştırıldı. Elips şeklin dikdörtgene göre ve elipsler kendi içinde
karşılaştırıldığında 1:6 oranındaki elipsin diğer elipslere göre kemik
dayanımındaki azalmayı hem aksiyel hem rotasyonel kuvvetler altında en az
seviyeye indirdiği görülmüştür. Biyopsi ve küretaj sırasında bu hususlara dikkat
etmek oluşabilecek kırık riskini ez az düzeye indirecektir.

Abstract:
In orthopedic surgical procedures, various interventions are performed on
the cortex for diagnostic or therapeutic purposes. Screw holes or large cortical
windows in procedures such as biopsy and curettage lead to defects on the cortex.
However, these procedures may increase the risk of bone fracture. Therefore,
careful planning of the size and shape of the holes drilled in the cortex is crucial to
preserve bone strength. The hole shape and placement that will minimally affect
the strength of the bone should be meticulously determined to minimize post-
procedural complications.
In the literature, numerous studies involving cadaveric models, animal
experiments, and finite element analyses have investigated changes in bone
strength following drill or screw hole creation in the cortex. However, research on
window shape and size in wide openings created for biopsy and curettage
procedures remains limited. Existing studies have tested rectangular derivatives,
square, and circular shapes, revealing that rectangular derivatives cause the least
reduction in bone strength. Studies focusing on dimensions have shown that
88
increasing the length of the window does not significantly impact bone strength,
whereas an increase in width considerably weakens it. Engineering studies have
demonstrated that elliptical shapes generate lower stress and deformation forces
around their periphery compared to rectangular shapes. Consequently,
determining the optimal window shape in light of insights from both engineering
and medical fields can minimize the weakening of bone strength. This, in turn,
could reduce postoperative morbidity, mortality, and associated costs.
Therefore, the present study has two main objectives: first, to investigate
the shape of the cortical window (rectangular or elliptical) created during biopsy
and curettage procedures, and second, to determine the optimal dimensions of the
identified suitable shape. To achieve these objectives, both axial and rotational
loading will be applied. Ultimately, the optimal shape and dimensions that
minimize the reduction in bone strength will be identified.
Materials and Methods
Four different cortical window shapes were created on third-generation
femur bone models (Model: FMR-01, left femur, Selbone® Research Laboratory,
Kayseri, Turkey). The cortical windows were prepared using a Midas Rex Legend
EHS Stylus high-speed surgical drill (Medtronic, Minneapolis, Minnesota, USA)
operating at 60,000 rpm with a diamond tip, ensuring that all shapes had the same
area. Tests were conducted to compare their biomechanical strengths. The groups
were classified as follows: (The area of all shapes was calculated to be 12.61 cm².)
89
G1: Rectangular cortical window measuring 5.46 cm × 2.31 cm
G2: Elliptical cortical window with a 1:1.5 ratio, having a short axis of
3.26 cm and a long axis of 4.9 cm
G3: Elliptical cortical window with a 1:3 ratio, having a short axis of 2.31
cm and a long axis of 6.93 cm
G4: Elliptical cortical window with a 1:6 ratio, having a short axis of 1.64
cm and a long axis of 9.84 cm
For each group, eight randomly selected samples were prepared for two
different loading conditions: torsion and compression, resulting in a total of 64
samples. All tests were performed at TOBB ETÜ Biomedical Engineering
Laboratory.
For the compression tests, the parameters measured were maximum load
(N), compressive stiffness (N/mm), yield load (N), and work done (J). For the
torsion tests, the parameters included maximum torque (Nm), torsional stiffness
(Nm/°), and work done (J).
This study was designed to analyze the effects of cortical windows with
varying geometries and proportions on the biomechanical strength of the femur.
Result
All samples fractured along the cortical window opening.
90
When evaluated in terms of maximum load during the compression test, a
significant difference was observed between G1 (rectangular) and the elliptical
group with an equivalent width (G3). The elliptical shape was found to withstand
higher-intensity loads. Among the elliptical groups, G4 (1:6 ratio ellipse)
demonstrated the highest resistance.
In terms of mean compressive stiffness, the G1 (rectangular) group was
significantly lower than the other three groups (ellipses). This indicates that the
bone model with a rectangular cortical window has a reduced ability to resist
deformation under force compared to the elliptical windows.
Regarding mean yield load, as with the maximum load, the elliptical shape
was significantly higher than the rectangular shape. This suggests that the
transition from the elastic to the plastic region occurs earlier in the rectangular
samples, causing them to experience permanent deformation more easily.
In torsional strength comparisons, the G4 group achieved the highest
maximum torque values compared to the other groups, indicating that caps
removed using this geometry were more resistant to torsional loads. The similar
and lower torque values observed in the G1, G2, and G3 groups suggest that these
geometries weakened the torsional strength of the femur.
The similarity in torsional stiffness values among the groups indicates that
different geometries did not have a significant impact on this parameter.
91
The G4 group exhibited the highest work done values, demonstrating that
this group absorbed more energy and resisted deformation under torsional loads.
These findings from the torsional tests suggest that geometric shape does
not have a substantial direct impact on torsional strength. Instead, the torsional
resistance is closely related to the width of the shape (circumference-to-area
ratio).
Conclusion
In conclusion, this study compared ellipses and rectangles of identical area
to evaluate the optimal shape and size using composite bone models. It was
observed that the elliptical shape outperformed the rectangular shape in preserving
bone strength, and among the ellipses, the 1:6 ratio ellipse minimized the
reduction in bone strength under both axial and rotational forces. Paying attention
to these findings during biopsy and curettage procedures can significantly reduce
the risk of fractures.