Orta hat klavikula kırıklarında kullanılan üç farklı internal plak fiksatörün sonlu elemanlar yöntemiyle biyomekanik analizi
Biomechanical analysis of three different internal plate fixators for midshaft clavicle fractures using finite element method
Yazar: HACER KUDUZ
Danışman: DOÇ. DR. EMİN SÜNBÜLOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Bilgisayar destekli analiz = Computer aided analysis ; Bilgisayar destekli hesaplama = Computer aided calculation ; Biyomedikal mühendisliği = Biomedical engineering ; Biyomedikal uygulamalar = Biomedical applications ; Biyomekanik analiz = Biomechanical analysis ; Biyomekanik modelleme = Biomechanical modelling ; Biyoprotez = Bioprosthesis

Özet:
Vücudumuzda yatay yerleşimli en uzun kemik olan klavikula, direkt darbe ve açık el üzerine düşme gibi nedenlerle sıklıkla kırılan bir kemiktir. Klavikula kırıkları, genellikle kemiğin orta hattında oluşmaktadır. Günümüzde, bu kırıkların tedavisinde intramedüler çivi veya internal vida-plak ile fiksasyon metodu kullanılmaktadır. Klavikula kırıkları yaygın olarak konservatif yöntemlerle tedavi edilir fakat bu uygulama kırığın kaynamaması ya da yanlış kaynaması gibi fonksiyonel bozuklukları tedavi etmede yetersiz kalabilmektedir. İnternal plak-vida fiksasyonu, orta hat klavikula kırıklarının tedavisinde karşılabilecek bu noksanlıkları önlemede geniş olarak kabul edilmiş bir yöntemdir. Anterior ve superior plak fiksatörler, biyomekanik araştırmalarda ve cerrahi tedavide uzun süredir kullanılmaktadır. Bunun yanı sıra son zamanlarda kullanılmaya başlanan yeni anterosuperior plağın klasik tasarımlara göre gelişmiş biyomekanik davranış göstereceği düşünülmektedir. Fakat hekimler arasında, fizyolojik yükleme durumlarının hepsi için optimum biyomekanik performansı sağlayan plak tasarımı konusunda henüz net bir fikir birliğine varılamamıştır. 
Kırık hattının ve internal fiksatörlerin farklı yükleme durumları altında mekanik davranışlarını incelemek amacıyla biyomekanik testler ve bilgisayar yazılımı kullanılarak analizler yapılmaktadır. Kadavradan elde edilen kemiğin veya klavikulanın anatomik özelliklerini yansıtan yapay kemiğin (Sawbone) numune olarak kullanıldığı biyomekanik testlerin sonucu yüksek doğrulukta olmasına rağmen bu testler zaman alıcı ve maliyetlidir. Biyomekanik testlerin yanı sıra son yıllarda ortopedi alanında kabul görmüş Sonlu Elemanlar Yöntemini esas alan bilgisayar yazılımları da geçerli ve doğrulanmış bir model oluşturulduğu takdirde kemiğin farklı kuvvetler altındaki fiziksel koşullarını düşük bir hata payıyla gösterebilecek kabiliyettedir. 
Bu tez çalışmasında, üç boyutlu bilgisayar modellerini (CAD modeli) oluşturmak için İstanbul Teknik Üniversitesi Biyomekanik Laboratuarında daha önce deneysel biyomekanik testleri yapılan dördüncü nesil, sol klavikula yapay kemik numunesi ve özel sipariş üzerine üretilen (İlerimed, İstanbul) aynı kesit alanına sahip üç farklı tasarım olan anterior plak fiksatör (APF), anterosuperior plak fiksatör (ASPF) ve superior plak fiksatörün (SPF) orijinal  3B plak çizimleri kullanılmıştır. Üç boyutlu görüntüler CAD programı olan CATIA programında hacimsel katı model haline getirilmiştir. Daha sonra klavikula modeli orta hattında 5 mm'lik osteotomi hattı oluşturacak şekilde iki parçaya bölünmüştür. Klavikulanın anatomik bütünlüğünü sağlamak için cerrahide yerleştirilen pozisyonlarda internal plak fiksatörler yerleştirilip bu plaklar, uygun vida bağlantıları ile klavikulaya bağlanarak montaj işlemi tamamlanmıştır.
Sonlu elemanlar analiz modelini hazırlamak için montajı tamamlanan üç boyutlu kemik-plak-vida yapısının HyperMesh programında ağ yapısı (mesh) oluşturulmuştur. Modellerin malzeme, sınır şartları, analiz türü tanımlanmış ve temas bağlantıları yapılmıştır. Orta hat klavikula kırıkları tedavisinde kullanılan bu üç internal plak fiksatör modelinin basma, düz eğilme ve burulma yüklenme durumlarında sonlu elemanlar bilgisayar yazılımını kullanan ABAQUS programında yapısal statik analizi yapılmıştır. Bu yükleme durumları günlük hayatta klavikulanın en fazla maruz kaldığı durumlar olup literatürden elde edilen kuvvet ve moment değerleri bilgisayar simulasyonunda analiz parametresi olarak kullanılmıştır.
Sonlu elemanlar analizi yapılan bu implant tasarımlarının günlük hayatta tekrarlanan fizyolojik yükleme durumlarında, malzeme mekanik özellikleri bakımından emniyetli olduğunu değerlendirmek için klavikula, plak ve vidalardaki Von Mises gerilme dağılımları incelenmiştir. Klavikula üzerine yerleştirilen internal plak fiksatörlerin kırık bölgesinin stabilitesi üzerine etkisini değerlendirmek amacıyla klavikulanın distal ucunda meydana gelen yer değiştirmeler ölçülmüştür.
Analiz sonucu plakların orta iki vida deliği arasındaki bölgede belirlenen otuz noktadan elde edilen Von Mises gerilme değerlerine göre basma durumunda; gerilme değeri ASPF'ye göre düşük, APF'ye göre oldukça düşük olan plak olan SPF'dir. Plakların orta iki vida deliği arasındaki bölgede belirlenen otuz farklı noktadan alınan gerilme değerlerine bakılarak düz eğilme durumunda; gerilme değeri en küçük plak APF iken en yüksek gerilme gözlemlenen plak ASPF olmuştur. Burulma durumunda plaklardaki maksimum Von Mises gerilme değerlerine bakıldığında en fazla gerilmeye sahip plak SPF iken ASPF diğer iki tasarıma göre oldukça düşük gerilmeye sahiptir.
Sonlu elemanlar analizi sonucu, klavikulanın distal ucunun her üç düzlemdeki yer değiştirmeleri değerlendirildiğinde basma yüklemesinde en az yer değiştirme gösteren plak SPF iken APF, ASPF ile kıyaslandığında daha fazla yer değiştirmiştir. Düz eğilme yükleme durumunda klavikuladaki yer değiştirmelerin değerlendirilmesi sonucunda, en az yer değiştirme APF'de ölçülürken SPF'de nispeten daha fazla yer değiştirme ölçülmüş, ASPF'de ise diğer iki plak fiksatöre göre oldukça fazla yer değiştirme görülmüştür. Rotasyonel kuvvetlerin etkisinde, klavikulaya moment uygulanan düğüm noktasının açısal yer değiştirmesi incelendiğinde en az yer değiştirme ASPF'de görülmüştür. APF plağın açısal değiştirmesi, ASPF'ye yakınken her üç plak, açısal yer değiştirme bakımından kıyaslandığında en fazla açısal yer değiştirme APF plakta gözlenmiştir.
Dört farklı yükleme durumu sonrasında klavikula üzerindeki Von Mises gerilme değerleri incelendiğinde, her üç plağın kullanıldığı klavikula modellerinde oluşan maksimum gerilme 80 MPa olmuştur. Analizde kullanılan klavikula modeli, tamamen kortikal kemikten oluşmuştur ve kortikal kemiğin akma dayanımı 123 MPa'dır. Buna göre, her üç plak modelinin de kemikte kalıcı deformasyona neden olmadan işlev gördüğü ve biyomekanik olarak kullanılabilir olduğu sonucu çıkarılmıştır.
Bu tez çalışması sonucunda plak, vida ve klavikulada meydana gelen Von Mises gerilmesi ve klavikulanın yer değiştirme sonuçlarından yola çıkarak, klavikulanın günlük hareketler sırasında sıklıkla maruz kaldığı rotasyonel kuvvetlerin etkisi altında ASPF tercih edilebilir, biyomekanik açıdan kullanışlı bir tasarımdır. Ağırlıklı olarak ikinci etkili olan eğilme kuvveti etkisi altında ise kırık uçları arasında yük geçişini sağlayan biyomekanik açıdan en uygun plak APF'dir. Diğer yükleme durumlarına göre nadir etkili olan basma zorlanmasına karşı en iyi dayanım gösteren plak ise SPF olarak bulunmuştur.

Abstract:
The clavicle bone is the only long bone in the human body that lies horizontally. Compared with other bones, the location of the clavicle is superficial and there are few muscles to provide protection to this bone; thus, clavicle fractures are very common in clinical practice and usually occur in the midshaft of the bone especially due to direct impact. Currently, internal plate fixation and intramedullary (IM) nail methods are used in the surgical treatment of these fractures. Most clavicle fractures had been treated conservatively but this practise may be inadequate to cured some functional impairments such as malunion, nonunion and instability. Open reduction internal fixation method has been generally accepted for treatment of midshaft clavicle fractures to prevent this functional impairments. Anterior and superior clavicle plates have been used in biomechanical and surgical researchs for a long time. In addition to this, it has been thought that the recently used novel anterosuperior clavicle plate will present enhanced biomechanical behaviour over conventional designs. However, there is no clear consensus among surgeons about a plate design that provides optimal biomechanical performance under all physiological loading cases. 
Experimental biomechanical tests and computer aided software are used to analyze the mechanical behaviors of clavicle plates and clavicle fractured zone under loading. Experimental biomechanical tests utilize specimens such as cadaver bone, artificial bone (Sawbone) that reflecting the anatomical characteristics of human bone. Although these test results has high accuracy, these tests are time consuming and overcosting. Beside biomechanical tests, computer software based on Finite Element Method have been used in the field of orthopedics, in recent years. These softwares are capable of displaying the physical behaviour of the bone under physiological forces with a low margin of error if a validated and verified model is established.
The aim of this thesis is to compare the biomechanical strength of the anterior, anterosuperior and superior fixation plates used in the treatment of comminuted midshaft clavicle fractures in terms of stress and strain using Finite Element Method. It will help the researchers and the clinicians alike for the better treatment of patients and future development of new fixation designs.
The biomechanical behaviours of three custom-made internal clavicle plate designs that has identical cross-sectional areas and lenghts but different design geometries were compared under multiple mechanical loading cases using Finite Element Method. Firstly, fourth generation left artificial clavicle specimen (Sawbones Europe, Malmö, Sweden) was used for three-dimensional (3D) clavicle model reconstruction. The custom-made plates (Ilerimed, Istanbul, Turkey) that has identical cross-sectional areas and three different design geometries which are anterior (APF), anterosuperior spiral (ASPF) and superior (SPF) plate fixator were also used for 3D model reconstruction. These plate fixator and artificial clavicle specimen were used for experimental biomechanical study in Istanbul Technical University Biomechanics Laboratory. To create the CAD model; original 3D plate drawings and the anatomic features of the artificial clavicles were utilized. This CAD model of clavicle and anterior (APF), anterosuperior spiral (ASPF) and superior (SPF) plate fixator imported to CATIA (Dassault Systémes SA., France) and to represent a midshaft fracture, a fracture gap of 5 mm is formed. Plate hole distance were assigned to the bone in the plate hole direction and there are six holes for each clavicle plate model. Axial directions of the holes were perpendicular to the surface of clavicle plates. The distance between the holes on both sides of the fractured ends is 50 mm and the distances of  the other consecutive holes are 15 mm. Six screws with 4.0 mm diameter and 30 mm length were inserted into the screw holes for each model. The screws were sorted from proximal to distal and termed starting with the first screw S1 and ending with the last screw S6.
In order to prepare the Finite Element model, three dimensional mesh structure was created in Hypermesh (Altair Engineering Inc., Canada). To facilitate the locking mechanism between bone-screw and screw-plate interfaces, screw threads were removed. The boundary conditions between bone-screw and screw-plate interfaces were assigned as frictional contact and its friction coefficients were defined 0.36 and 0.38, respectively. To avoid bone plate penetration into the clavicle, especially, around the fractured site, a frictionless contact behavior was defined for the contact pair. 
The material properties for each solid component in the finite element models. Titanium alloy (Ti6Al5V) material was used for plates and screws and the clavicle model was considered entirely cortical bone because of its anatomically stiff structure. By completely constraining the proximal end of the clavicle,  four loading cases were respectively applied at the distal end of the clavicle for determining the multiple biomechanical behavior of three clavicle plate models: an 100 N cantilever bending load (downward); an 100 N compressive load (axial direction); an 1 N.m torsion load (counter clockwise) and 1 N.m torsion load (clockwise). The tetrahedral elements (C3D4) were used all plate models and performance of FEM analysis determined according to convergence tests of total strain energy. All pre-processing steps were executed Hypermesh (Altair Engineering Inc., Canada).
By considering biomechanical stability and implant safety, the Von Mises stress (equivalent stress) was used to display the stress in the clavicle plate and plate-screw unit by means of the ABAQUS (Dassault Systémes, France).  It was also compared by analyzing the displacements of distal end of clavicle in different loading cases. 
For all simulated model in various loading cases, stress concentrations on the clavicle plates were observed. According to the measurements taken from 30 points on each plate model, the Von Mises stress values are evaluated. For each three clavicle plates, the highest stress on the plates was observed in the transition zone where bone fracture occurred. Because the structural continuity of the clavicle is distorted by the fracture, transfer of the entire load in this zone to that proximal side of clavicle is provided by only clavicle plate. Therefore, in the defect zone where the cross-sectional area of the bone and plate structure is the smallest, the force per unit surface, that is stress, is higher than the other parts of the plate. Under cantilever bending load, the biomechanical strength of the APF design is considerably higher than that of the ASPF. The compressive force acts in the direction of the long axis of the clavicle, especially in midshaft clavicle fractures which are commonly encountered as a result of falling directly on the shoulder. Under compressive load, Von Mises stress values of SPF is significantly lower than that of APF and ASPF. The clavicle has been shown to rotate approximately 40˚-50˚ during active forward elevation of the arm and is exposed torsional forces. Torsional simulation studies was realized two loading cases in forward and backward rotational direction, along clavicle long axis. According to stress analysis in torsion loading case, Von Mises stress values of SPF is higher than that of APF and ASPF. 
Each of multiple loading situations applied to the clavicle causes the nodes of the FEM model of the clavicle to be displaced. To estimate this, we measured the magnitude and three components of displacement vector. Under cantilever bending loading, anterior clavicle plate is the most stable due to minimum displacement while anterosuperior clavicle plate has the lowest stability because of the maximum displacement, in terms of biomechanical behavior. In case of compression loading, in the implementation in which the superior clavicle plate is used, the relative displacement to the measuring points is considerably less. Under rotational forces, anterosuperior clavicle plate is found biomechanically highly stable because of minimum displacement of distal end of clavicle when it compared the other plate fixator models used.
The  maximum Von Mises stress in the clavicle models of all three plates was 80 MPa when the stress values on the clavicle were examined after three different loading cases. The yield strength of the clavicle cortical bone is 123 MPa. Accordingly, it is concluded that all three plate models operated without occuring plastic deformation in the clavicle and could be used biomechanically.
In conclusion, in the treatment of midshaft clavicle fractures using open reduction internal plate fixation method, the plate provides better biomechanical strength than other plates under compression load. In case of cantilever bending, the anterior plate help to regulate ideally biomechanical function of the clavicle since the plate has the least stress value compared to the other plates. Under rotational forces, biomechanical strength of the anterosuperior plate fixator is significiantly higher than anterior plate fixator and relatively higher than superior plate fixator. Since the amount of physiologic rotational forces on the clavicle is not known, clinical relevance of this difference between the anterosuperior and anterior plate fixators needs to be investigated with further clinical studies and finite element studies about bone biomechanics. However, biomechanical advantage of the anterosuperior plate fixator can be a reason for its preference.