İnsan diz ekleminin sonlu elemanlar analizi için üç boyutlu modellenmesi ve biyomekaniğinin incelenmesi
Three dimensional modeling and analysis of biomechanics of human knee joint with a finite element method
Yazar: SABRİ UZUNER
Danışman: PROF. DR. SERDAR KÜÇÜK
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Biyofizik = Biophysics ; Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Mühendislik açısından, diz eklemin önemli bileşeni olan artiküler kıkırdak ve menüsküs su içeren ve gözenekli yapıya sahip olan bir viskoelastik malzemedir. Bununla birlikte literatürdeki bir çok diz eklemi sonlu elemanlar (SE) çalışmaları sıvı basıncı etkisini ihmal etmişlerdir ve yumuşak doluları tek-fazlı malzeme olarak modellemişlerdir. Bu çalışmanın temel amacı, hastaya özgü oluşturulmuş 3B SE diz eklem modeli kullanarak, normal ve menisektomi yapılmış dizlerin sıvı akışına bağlı mekanik değişimlerini sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmesidir. Kemikler rijit malzeme olarak modellenmiştir. Kıkırdaklar ve menüsküsler, doğrusal olmayan bir kollajen ağı ile güçlendirilmiş sıvıya doymuş gözenekli ortam olarak modellenmiştir. Bu çalışmada, hem küçük hem de büyük deformasyonlar göz önünde bulundurulmuş ve yumuşak dokular için kurucu denklemler içeren bir ABAQUS alt yordamı (UMAT) kullanılmıştır. Tez kapsamında ön görülen sonuçlar, dokulardaki sıvının basıncı diz eklemi kontak mekaniğindeki değişimler üzerine önemli rol oynağını ortaya koymuştur. Kontak basınçları, sadece menisektomi ile çıkarılan menüsküs miktarlarına değil, aynı zamanda sıvı basınç dağılımlarına da bağlı bir şekilde değişmiştir. Dahası, sıvı kaynaklı sürünme davranışı, farklı menüsküs rezeksiyonu ile birlikte kıkırdak ve menüsküs arasında farklı seviyelerde yük transferine neden olmuştur. Bu sonuç, elastik model (yani sıvı etkisi ihmal eden) olarak tanımlanmış bir diz eklemi mekaniğinde elde edilemez. Medial menisektomi ile birlikte medial kompartımanın desteklediği yükün bir kısmı lateral kompartımana kaymış ve bu da lateral tarafın daha fazla yüke maruz kalmasına sebep olmuştur. Menisektomi nedeniyle lateral taraftaki bu artış osteoartritin (OA) başlangıcına bir etkisi olabilir.

Abstract:
In terms of engineering, the articular cartilages and menisci which are an important component of the knee joint are a viscoelastic material that contained water and has a porous media. However, many finite element (FE) studies which were performed for the knee joint in the literature neglected the effect of fluid pressure and they modeled soft tissues as single-phase material. The aim of this study was to investigate the mechanical changes depend on fluid flow in the normal and menisectomized knees obtained from patient-specific 3D FE knee joint model using finite element method. The bones were modelled as rijit. The articular cartilages and menisci were modeled as fully saturated porous  media reinforced by a nonlinear and site-specific collagen network. In this study, both small and large deformations were taken into account and was used the ABAQUS subroutine (UMAT) including constitutive equations for soft tissues. The results predicted within the scope of the dissertation revealed that the affect of fluid pressure in the soft tissues played an important role on the contact mechanics of the knee joint. The contact pressure depended not only on the amount of meniscal resection, but also on the rate of dissipation of fluid pressure. Moreover, the fluid-induced creep behavior resulted in different levels of load transfer between cartilage and meniscus along with different meniscal resection. This result cannot be achieved in a knee joint mechanics calculated using elastic model (i.e. no fluid flow). With the medial meniscectomy, some amount of the load supported by the medial compartment were shifted to the lateral compartment, which caused the lateral side to be exposed to more load. The increase in the lateral side due to medial meniscectomy may have an effect on the onset of osteoarthritis (OA).