Femur boyun kemiği kırık tedavisinde kullanılan kompresyon özellikli çivi sisteminin tasarımı ve modellenmesi
Design and modeling of compression feature intramedullary nail system used in treatment of femoral neck bone fracture
Yazar: HASAN HÜSEYİN GÖKMEN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA TINKIR
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Deformasyon = Deformation ; Femur = Femur ; Femur başı = Femur head ; Femur boynu kırıkları = Femoral neck fractures

Özet:
Bu çalışma kapsamında; femur boyun kırıklarının tedavisinde ve kırık parçaların rotasyonunu engellemek amacıyla kullanılan kompresyon özellikli intramedüller çivi sisteminin tasarımı, sistemi oluşturan parçaların sayısal modellenmesi ve statik analizleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca femur kemiğini oluşturan sert (korteks) doku ile yumuşak-süngerimsi (spongioz) dokuların mekanik özelliklerine göre üç boyutlu tasarım modelleri elde edilmiş ve femur başında bir kırık profili tasarlanıp, kırığın stabilizasyonunu sağlamak amacıyla Ti6Al4V Grade 23 malzemesinden oluşan çivi sisteminin femur kemiği içine implante modeli oluşturulmuştur. Femur kemiğinin modellenmesinde izotropik ve ortotropik olmak üzere iki farklı malzeme modeli kullanılmış ve ortotropik kemik modelinin literatürdeki sonuçlara daha yakın olduğu sonucuna varılmıştır.  
Bu aşamadan sonra; literatürdeki deneysel verilerden elde edilen ve kemik implante sistemine farklı hareket senaryolarında (yürüme, merdiven çıkma-inme, tek ayak üzerinde durma, oturma, diz çökme ve ayağa kalkma) gelen bileşke kuvvetlere göre hem intramedüller çivi sisteminin hem de femur kemiğinin sonlu elemanlar yöntemi kullanarak yapısal analizleri gerçekleştirilmiş, deformasyon ve gerilme durumları incelenmiştir. Ayrıca intramedüler çivinin rijitlik durumunu incelemek amacıyla ASTM F1264 standartlarına göre üç noktadan eğilme testleri yine sonlu elemanlar analizleri kullanılarak yapılmış ve yorumlanmıştır. Yapılan tasarım ve analiz çalışmalarında SolidWorks ve Ansys WorkBench yazılımları kullanılmıştır.
Sonuç olarak; insanlarda bir takım kazalar sonucunda meydana gelen femur boyun kırıklarında kullanılan yenilikçi bir intramedüller çivi sisteminin farklı hareket senaryolarına ve standartlara göre mukavemet analizleri gerçekleştirilmiş ve önemli teknik bulgular elde edilmiştir. Ayrıca literatür çalışmaları incelendiğinde, bu tez kapsamında ele alınan intramedüller çivi sistemi ile aynı tasarım ve kompresyon uygulamasına benzer nitelikte bir çalışma olmadığı da görülmüştür.
Buna göre; merdivenden çıkma esnasında femur başına uygulanan 1900 N'luk bileşke kuvvet sonrasında intramedüller çivi sisteminde maksimum 158,37 MPa'lık bir gerilme elde edilirken, merdivenden inme durumunda ise femur başına uygulanan 2000 N'luk bileşke kuvvet sonrasında maksimum 165,88 MPa'lık bir gerilme oluştuğu hesaplanmıştır. Ayrıca merdiven inme ve çıkma hareketleri, ortotropik olarak modellenen korteks kemik dokusunda da oluşan en yüksek gerilmelerin olduğu durumlar olarak da belirlenmiştir.  Merdiven çıkma anında femur başı ile kompresyon halinde olan çivi sisteminde meydana gelen maksimum deformasyonun ise 18 mm. olduğu elde edilmiştir.

Abstract:
In the scope of this study; the design, numerical modeling of the parts and static analysis of the intramedullary nail system with compression feature, which is used in the treatment of femoral neck fractures and to prevent the rotation of the fractured parts, are realized. Additionally, three-dimensional design models are obtained according to the mechanical properties of the stiff (cortex) tissue and soft-spongy (spongious) tissues of the the femoral bone, and a fracture profile is designed in the femoral head, and a model of the nail system composed of Ti6Al4V Grade 23 material implanted into the femur bone is created in order to stabilize the fracture. Two different material models, isotropic and orthotropic are used for modeling the femur bone, and it is concluded that the orthotropic bone model is closer to the results in the literature.
After this stage; structural analyzes of both the intramedullary nail system and the femur bone are realized using the finite element method according to the resultant forces obtained from the experimental data in the literature and affecting to the bone implant system in different movement scenarios (walking, stair climbing-down, standing on one leg, sitting, kneeling and standing up) and deformation and stress analyzes are examined. In addition, in order to examine the rigidity of the intramedullary nail according to ASTM F1264 standards, three-point bending tests are performed and interpreted again using finite element analysis. SolidWorks and Ansys WorkBench softwares are used in the design and analysis studies.
As a result; strength analyzes of an innovative intramedullary nail system used in femoral neck fractures that occur as a result of some accidents in humans are performed according to different activity scenarios and standards, and important technical findings are obtained. Moreover, when the literature studies are examined, it has been observed that there is no study similar to the same design and compression application with the intramedullary nail system discussed in this thesis.
According to this; while a maximum stress of 158.37 MPa is obtained in the intramedullary nail system after a resultant force of 1900 N applied to the femoral head during climbing the stairs, a maximum of 165.88 MPa stress is calculated after a resultant force of 2000 N applied to the femoral head in the case of descending the stairs. In addition, stair climbing and descending movements are determined as the situations with the highest stresses occurring in the orthotropic modeled cortex bone tissue. The maximum deformation is obtained as 18 mm. that occurs in the nail system, which is in compression with the femoral head at the time of climbing the stairs.