Kişiye özel temporomandibular implantların analizi için dijital ikiz geliştirilmesi ve uygulaması
Development and implementation of digital twin for analysis of customized temporomandibular implants
Yazar: OSMAN DEMİR
Danışman: PROF. DR. METİN UYMAZ SALAMCI
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis

Özet:
Alt çene kırıkları, çoğunlukla tümörle ilgili sorunlar ve travmatik olaylar nedeniyle, sıklıkla darbe yüklemesi gibi doğrusal olmayan etkilerle ilişkili olarak kraniyofasiyal bölgede en sık gözlemlenen yaralanmalardır. Segmental (büyük ve devamlılık gösteren) alt çene defektlerinin rekonstrüksiyon cerrahi tedavilerinde çeşitli tıbbi cihazlar (mini plak, plak, implant vb.) kullanılmakta olup, cihazlar standart (stok) üretim veya kişiye özel üretim olabilir. Tıbbi cihazların biyomekanik cevaplarının belirlenebilmesi ve tasarımların optimize edilebilmesi için Sonlu Elemanlar Analizi (SEA) sıklıkla kullanılmaktadır. Bir SEA probleminin kurulumu, geometrinin oluşturulması, geometrinin elemanlara bölünmesi, malzeme bilgilerinin geometriye atanması ve sınır ve kuvvet şartlarının uygulanması aşamalarını kapsamaktadır. Ancak, SEA problemlerinin kurulumunda kabul edilen basitleştirmeler, genel özelliklerin kullanımı ve çeşitli nedenlerden dolayı sonuçların genelde biyomekanik testlerle doğrulanamaması SEA sonuçlarını tartışmalı hale getirmekte ve "Hastaya en iyi tedaviyi sağlamak için hangi tıbbi cihaz tasarımı uygulanmalıdır ve SEA'nde hangi geometri ve parametreler kullanılmalıdır?" sorularını gündeme getirmektedir. Bu çalışmamızda, mümkün olan en iyi kişiye özel tedaviyi geliştirmek amacıyla bir implant tasarımının gerçekleştirilmesi hedeflenmiştir. İlk olarak, Bilgisayarlı Tomografi (BT) görüntüleri kullanılarak 3-boyutlu alt çene modelinin elde edilmesi için bir segmentasyon yöntemi önerilmiştir. Modelin doğrulanması için farklı girdi ve çıktı parametrelerini kullanan modal analiz, dinamik analiz ve doğrusal olmayan dinamik analiz olmak üzere 3 aşamalı bir doğrulama metodolojisi tanımlanmıştır. Analiz sonuçları literatür çalışmalarıyla karşılaştırılmış ve uyumlu olması durumunda modelimizin onaylanmış bir dijital ikiz olduğu kabul edilmiştir. Bilgisayar ortamında dijital ikiz üzerinde oluşturulan segmental defektin rekonstrüksiyonu için 5 farklı grubu temsil eden toplam 21 adet tıbbi cihaz tasarlanmıştır. Bu tıbbi cihazlar ile tedavi edilmiş dijital ikizin doğal frekans ve mod şekilleri belirlenmiş ve elde edilen sonuçlar sağlıklı dijital ikizin sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Sağlıklı dijital ikizin modal analiz sonuçları referans alınarak yapılan tasarım optimizasyonuyla en iyi kişiye özel alt çene implant tasarımı belirlenmiş ve fonksiyonel yüklere karşı dayanımı statik analiz gerçekleştirilerek belirlenmiştir.

Abstract:
Mandibular fractures are commonly observed injuries in the craniofacial region, often caused by tumor-related issues and traumatic events, associated with non-linear impacts such as blow loading. In the surgical reconstruction of large and continuous mandibular defects (segmental), various medical devices (mini plates, plates, implants, etc.) are used, which can be standard (stock) or custom-made. Finite Element Analysis (FEA) is frequently employed to determine the biomechanical responses of these devices and optimize their designs. The setup of an FEA problem includes the stages of creating the geometry, dividing the geometry into elements, assigning material properties and applying boundary and force conditions. However, the simplifications accepted in the setup of FEA problems, the use of general features, and the fact that the results cannot generally be verified with biomechanical tests for various reasons make the FEA results debatable, raising questions such as "Which medical device design should be applied for the best treatment, and which geometry and parameters should be used in FEA?" In this study, we aimed to develop an implant design to provide the best possible personalized treatment. First, a segmentation method was proposed to obtain a three-dimensional lower jaw model from Computed Tomography (CT) images. A 3-stage validation methodology was defined, including modal analysis, dynamic analysis, and non-linear dynamic analysis, using different input and output parameters to validate the model. The analysis results were compared with literature studies, and if consistent, the model was accepted as a validated digital twin. For the reconstruction of the segmental defect created on the digital twin in the computer, a total of 21 medical devices representing 5 different groups were designed. The natural frequencies and mode shapes of the digital twin treated with these devices were determined and compared with those of the healthy digital twin. Using the modal analysis results of the healthy digital twin as a reference, the best personalized mandibular implant design was determined through design optimization, and its strength to functional loads was assessed using static analysis.