©2017 Published in 5th International Symposium on Innovative Technologies in Engineering and Science 29-30 September 2017 (ISITES2017 Baku - Azerbaijan)

*Corresponding author: Address: Modern hospital, Baku, Azerbaijan. E-mail address: Modern hospital, Baku,

Azerbaijan, Phone: +994125700303

Femur Boyun Kırıklarında Yeni Delikli İmplantın Stress Dağılımının Sonlu

Elemanlar Analizi İle İncelenmesi

*1Efgan Ceferov, 2Chingiz Alizade, 3Zafer Özer, 4,5Amirullah M. Mamedov, 4Ekmel Özbay 1Modern hospital, Baku, Azerbaijan

2Azerbaijan Scientific-Research Institute of Traumatology and Orthopedics

, Baku, Azerbaijan 3 Mersin Vocational High School, Mersin University, Mersin, Turkey

4 Nanotechnology Research Center (NANOTAM), Bilkent University, Ankara, Turkey 5International Scientific Center, Baku State University

Abstract Osteosynthesis of femoral neck fractures (FNF) is accompanied by a large percentage of various

complications. The aim of this research was to study biomechanical implications arising from the stress

and strain distributions by use of new device –perforated H-beam implant.

A reference 3D femur model has been developed using digital femur geometry. Stress and deformity

characteristics after the application of strength were determined by ANSYS, which entails the finite

element analysis (FEA) method. This method was used for both for perforated and non-perforated

implant models and compared following the application of constant strength. Three types of FNF were

realized according to Pauwell classification system.

We concluded that, the perforations in the implants make the distribution of strength and pressure

homogenous along the whole implant functioning as wave breaker to reduce the pressure on the bone.

This in its turn contributes to implant stability and minimization of bone destruction.

Key words: Finite element method, novel femur prosthesis, stress distribution

1. Giriş

Kalça kırığı, çeşitli tıbbi ve zihinsel hastalıkların yanı sıra osteoporozdan mustarip yaşlıların ana

kaygısıdır. Dünyada her yıl 8.9 milyondan fazla osteoporotik kırık görülür [1]. ABD'de bu

hastaların yıllık maliyeti yaklaşık olarak 10 milyar dolar olarak tahmin edilmektedir [2]. İsveç'te,

kalça kırıklarını takip eden ilk yıldaki tedavinin maliyeti yılda yaklaşık 420 milyon dolar olarak

hesaplanmıştır [3].

Bu hastalarda tedavinin amacı ağrıyı azaltmak ve hastanın travma öncesi aktif hayata geri

dönmesine yardımcı olmaktır. Bu amaca ulaşmak için yapılan çalışmalar ameliyatı gerektirebilir.

Günümüzde femur boyun kırıkları tedavisinde boyun aksına paralel yerleştirilen çok sayıda vida,

dinamik kalça vidası (Dinamic hip screw, DHS) ve Targon® sistemi tercih olunan intenal tespit

yöntemleridir. Ters üçgen pozisyonda yerleştirilmiş, paralel 3 adet kanüllü vida ile tespit yöntemi

en sık olarak kullanılmaktadır [4,5,6,7]. Literatürde bu tasarımların uygulama sonuçlarına ilişkin

sayısız karşılaştırmalı çalışma mevcuttur [8,9,10,11].

Cerrahlar genç ve yaşlı hastaların tedavisi için internal fiksasyon yöntemini tercih ederken, Garden

III tip parçalı femur kırığı olan 60 ve 80 yaşlarındaki hastaların tedavisinde optimal yaklaşım

yöntemi konusunda farklı görüşe sahiptirler.

E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1394

Cerrahlar aynı zamanda internal fiksasyon veya artroplasti için optimal implantlar konusunda

hemfikir değildir [12].

İnternal fiksasyon sonrası ortaya çıkan sonuç, farklı serilerden büyük oranda farklılık gösterir

ancak, sendroma bağlı olmayan veya avasküler nekroz nedeniyle% 20-30 daha fazla reoperasyon

oranı görülür [13,14,15,16].

Kırık hattı yeniden konumlandırarak dikkatlice sabitlenmeli ve ağırlığı taşıyana kadar

desteklenmelidir. Bununla birlikte, kırık hattında yerinden olma riski de göz önüne alınmalıdır. Femur boyun kırıklarında, yer değiştirmeden ve kalçanın muhtemel avasküler nekrozundan

kaçınmak için operasyonel tedavi tercih edilir.

Paslanmaz çelik, kobalt ve titanyum gibi yeni malzemeler sadece dayanıklı değil, aynı zamanda

kemiğe destek vermek için gerekli güç ve esnekliğe sahiptir.

Geçen yüzyıla kadar doktorlar kemiğe destek vermek için vücudun dışından alçıya alma ve atel

kullanımını desteklediler (harici fiksasyon). Fakat steril cerrahinin gelişimi ile enfeksiyon riskini

azalması, doktorların doğrudan kemikle çalışabilmesini ve vücuda implant yerleştirebilmesini

sağladı. En sık görülen dahili fiksasyon, kemiği doğrudan desteklemek için vücut içinde kullanılan

teller, plakalar, çubuklar, pimler, çiviler ve vidalardır.

Öte yandan, sonlu elemanlar analizinin (SEA) femur kırıklarındaki implantların analizi için yararlı

bir araç olduğu iyi bilinmektedir. Böyle bir çalışma, form ve fonksiyon arasındaki ilişkiyi anlamaya

yardımcı olmakla kalmaz, aynı zamanda cerrahın çalışmaları boyunca önemli bir girdi olmasını

sağlar.

Bu çalışmada analiz için, traverse düzleminde femur boyun kırığı düşünülmüştür. Bu nedenle, bu

çalışmanın hedefleri şöyledir:

1. Dahili tip fiksatörlerin yeni bir tipini olan H-kiriş kesitli delinmiş ve perfore edilmemiş

sabitleyicileri incelemek.

2. H-kiriş kesitli fiksatör-implantının fiziko-mekanik davranışını sonlu elemanlar yöntemi

kullanarak araştırmak.

3. İmplant grubundaki çeşitli stres, şekil değiştirme ve yer değiştirmeleri incelemektir.

2. Yöntem

İmplanttaki gerilme ve şekil değiştirme durumunun hesaplamaları sonlu elemanlar yöntemi ile

gerçekleştirilmiştir. Şekil 4 ve 5 te gösterilen yeni geliştirilmiş kalça protezinin modellenen femur

kemiğindeki, şekil 1 deki Pauwel's classification system (PCS) tip1, tip 2 ve tip 3 kırıklarda

gösterdiği mekanik davranışlar araştırılmıştır.

E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1395

a) b) c)

Şekil 1. Pauwel's classification system (PCS) kalça kemiği kırığı türleri, a) Tip 1, b) Tip 2 c) Tip 3

Bu çalışmada cerrahi titanyum protezin femura montajı yapılarak, yürüme sırasında normal

kilodaki bir insanın ağırlığının 5 katı kadar dikey kuvvet uygulanarak, ortaya çıkan sonuçlar sonlu

elemanlar metodu ile değerlendirilmiştir.

Anatomik femur kemiği üç boyutlu sonlu elemanlar modeli (3B-SEA) kullanılarak araştırıldı.

Modelleme için 2 boyutlu femur kemiğinin ölçüleri CAD yazılımına aktarıldı. Femur kemiğinin

referans modelinde kullanılan keypointler CAD ortamındaki iki boyutlu dijital resimden elde

edildi. 3 Boyutlu model oluşturulurken aşağıdan yukarıya modelleme yaklaşımı ile keypoinler

splinelar ile birleştirildi, splinelar kullanılarak alanlar, alanlar kullanılarak hacimler oluşturuldu.

3B model oluşturma aşamaları Şekil 2 de görülmektedir.

Şekil 2. 3 boyutlu modelleme

Yükleme ve sınır koşulları kullanılarak ANSYS sonlu elemanlar yazılımı ile femur kemiği

üzerindeki stress-strain dağılımı elde edildi.

Bu çalışmada normal kilodaki bir insanın yürüme hareketi sırasında oluşan ve ağırlığının 5 katına

kadar olan 4000 N kuvvet, 4 farklı noktaya 1000N olarak uygulanmıştır. Yürüyüş sırasında

basmanın tek bacak üzerinde oluşu esas alınmış ve uyluk kemiği kondil kısmından sabitlenmiştir.

E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1396

Femur baş küresine kalça ekleminden aktarılan yük mekanik eksen doğrultusunda uygulanmıştır.

Protez yerleştirilmiş modellerdeki toplam eleman ve düğüm sayıları Tablo 1 deki gibidir. Femur

üzerine etkiyen kuvvet ve sınır şartları Şekil 3’de gösterilmiştir. Analizde kullanılan malzeme

özellikleri literatürden alınmıştır [17]. SEA için kalça kemiği gibi düzensiz yapıları meshlere

bölmek için uygun olan 3B 10-node tetrahedral yapıdaki Solid92 elemanı kullanılmıştır.

Şekil 3. Uygulanan kuvvet ve sınır koşulları

Şekil 4. Deliksiz protez (Model 1)

Şekil 5. Delikli protez (Model2)

E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1397

Tablo 1. Sonlu Elemanlar Analizde kullanılan modellerin eleman ve düğüm sayıları

Eleman sayısı Düğüm sayısı

Tip 1 (Model 1) 67141 94381

Tip 2 (Model 1) 71592 97715

Tip 3 (Model 1) 100954 137006

Tip 1 (Model 2) 136230 186452

Tip 2 (Model 2) 74900 109912

Tip 3 (Model 2) 162737 230258

3. Sonuçlar ve Tartışma

a) b) c)

Şekil 6. Model 1 protezin kullanıldığı a) PCS tip 1 kırıkta b) PCS tip 2 kırıkta c) PCS tip 3 kırıkta oluşan Von Mises

gerilmeleri.

Şekil 6 a’da görüldüğü gibi maksimum Von Mises gerilmesi protezin kırık bölgesinde oluşmuştur.

Bu gerilme değeri 210.673 MPa’ dır. Kortikal kemik üzerindeki maksimum gerilmenin 70.63 MPa,

trabeküler kemik üzerindeki maksimum gerilmenin 23.949 MPa civarında olduğu görülmektedir.

Şekil 6 b’de maksimum Von Mises gerilmesi protezin kırık bölgesinde oluşmuştur. Bu gerilme

değeri 278.53 MPa dır. Kortikal kemik üzerindeki maksimum gerilmenin 90.094 MPa, trabeküler

kemik üzerindeki maksimum gerilmenin 31.281 MPa civarında olduğu görülmektedir.

Şekil 6 c’de maksimum Von Mises gerilmesi protezin kırık bölgesinde oluşmuştur. Bu gerilme

değeri 285.339 MPa dır. Kortikal kemik üzerindeki maksimum gerilmenin 95.377 MPa, trabeküler

kemik üzerindeki maksimum gerilmenin 32.056 MPa civarında olduğu görülmektedir.

Elde edilen maksimum gerilme değerleri tablo 2 de görülmektedir.

E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1398

a) b) c)

Şekil 7. Model 2 protezin kullanıldığı a) PCS tip 1 kırıkta b) PCS tip 2 kırıkta c) PCS tip 3 kırıkta oluşan Von Mises

gerilmeleri.

Şekil 7 a’da görüldüğü gibi maksimum Von Mises gerilmesi protezin kırık bölgesinde oluşmuştur.

Bu gerilme değeri 209.821 MPa dır. Kortikal kemik üzerindeki maksimum gerilmenin 70.392

MPa, trabeküler kemik üzerindeki maksimum gerilmenin 23.915 MPa civarında olduğu

görülmektedir.

Şekil 7 b’de maksimum Von Mises gerilmesi protezin kırık bölgesinde oluşmuştur. Bu gerilme

değeri 300.996 MPa dır. Kortikal kemik üzerindeki maksimum gerilmenin 67.117 MPa, trabeküler

kemik üzerindeki maksimum gerilmenin 33.705 MPa civarında olduğu görülmektedir.

Şekil 7 c’de maksimum Von Mises gerilmesi protezin kırık bölgesinde oluşmuştur. Bu gerilme

değeri 521.324 MPa dır, Bu gerilme protez üzerinde kırık bölgesindeki proteze ait delilerden

birinde görülmüş olup protez genelinde en yüksek gerilme 405.52 MPa dır. Kortikal kemik

üzerindeki maksimum gerilmenin 116.012 MPa, trabeküler kemik üzerindeki maksimum

gerilmenin 58.111 MPa civarında olduğu görülmektedir. Elde edilen maksimum gerilme değerleri

tablo 3 de görülmektedir.

Tablo 2 Model 1 protezdeki stres dağılımı

Maksimum Von Mises Stres [MPa]

Tip1 Tip2 Tip3

Protez 210.673 278.53 285.339

Trabeküler Kemik 23.949 31.281 32.056

Kortikal Kemik 70.630 90.094 95.377

Tablo 3 Model 2 protezdeki stres dağılımı

Maksimum Von Mises Stres [MPa]

Tip1 Tip2 Tip3

Protez 209.821 300.996 521.324

Trabeküler Kemik 23.915 33.705 58.111

Kortikal Kemik 70.392 67.117 116.012

E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1399

Alınan sonuçlara göre, kırık tipinin 1-den 3-e doğru artmasına paralel olarak her iki modelde

(deliksiz ve delikli) oluşan gerilimin miktarı artmıştır. Modelden asılı olmayarak açının artmasıyla

kortikal ve trabeküler kemik modelleri üzerinde olan maksimal gerilme de artmaktadır. Sadece

model 2/tip 2 kırık tiplerinde kortikal kemik üzerine gelen maksimal gerilmede değişiklik

gözlenmektedir (tablo. 2,3).

Model 1-in tüm kırık tiplerinde tarbeküler kemik bölgesine düşen maksimal Von Mises

gerilmesinin kortikal kemik üzerine düşen gerilme miktarı ortalama 1/3 oranında gözlenmiştir.

Model 2 / tip 1 kırık tipinde de 1/3 oranı devam etmektedir. Ancak model 2 / tip 2 ve tip 3 kırık

tiplerinde ise trabeküler ve kortikal kemik dokumalarının maksimal gerilmesi 1/2 oranında

izlenilmiştir. Alınan bu sonuçlar implantlarda deliklerin olması ile trabeküler kemik modellere

düşen kuvvetin daha da arttığını gösterir veya trabeküler kemik modellerde düşen yükün daha çok

yayıldığının işaretini veriyor.

Model 1-in tüm kırık tiplerinde alınan maksimal Von Mises gerilme rakamları karşılaştırıldığında

kırık tiplerinin artması ile rakamsal değişikliklerin belirli uyum içinde (tip 2/tip 1 1,3; tip3/tip 2

ise 1,1 oranında) ve biri-birilerine paralel arttığı gözlemlenmiştir. Ancak Model 2-nin tip 2 ve 3

kırık tiplerinde ise daha yüksek oranda artmalar izlenilir. Ayrıca delikli implant modelinde

trabeküler ve kortikal kemik doku üzerinde oluşan gerilme miktarı tip 2 ile tip 3 arasında aynı

oranda (1,7 oranda) hesaplanmıştır.

Model 1 ve 2 örneklerinde, tip 3 kırıkları karşılaştırıldığında implant ve trabeküler kemik dokusu

üzerinde gerilme rakamlarında en büyük oranda artma hesaplanmıştır (implant üzerinde 521,324 /

285,339; tarbeküler doku üzerinde 58,111/32,056). Her iki durumda göreceli olarak 1,8 kat artma

vardır. Sonuçta, Pauwels tip 3 kırıklarında kırık bölgesinde implant ve trabeküler kemik alanına

düşen kuvvetin azaldığı görülmüştür.

Tartışma

Sonlu elemanlar yöntemi kalça kemiğinin karmaşık geometrisi, yürümenin farklı şekillerinde

fizyoloji kuvvetin paylaşılmasını ve farklı kırık tiplerinde kullanılan implantlar üzerine gelen yük

dağılımını açıklayan kolay ve güvenli yöntemdir [18]. Ayrıca, bu nümerik yöntemle femurun

mekaniki davranışını tahmin ederek yeni implantların veya implantlardaki faklı tasarımların

gerçekleştirilmesini en ucuz ve minimum zamanla gerçekleştirmek mümkündür [19].

Bilgisayar ortamında, tasarlanan protez ve implantlar için SEA ile stres analizi yapmak ve hata

tahmininde bulunmak daha kolaydır. SEA başlangıçta uçak endüstrisi için geliştirildi, zamanla tıpta

geliştirilen protezlerin analizinde de kullanılmaya başlanıldı. 3B-SEA, implantların biyometrik

özelliklerini daha iyi anlamamızı sağlar, bu şekilde implant biyomekanik fonksiyonlarının

tasarımında ve kullanılan malzemenin iyileştirilmesinde tasarımcıya yardımcı olur.

Çalışmamızda femur boyun kırıkları osteosintezi için tasarlanan yeni implantın üzerindeki

deliklerle kemik doku ve implant çevresinde yük dağılımı araştırmak için sonlu elemanlar yöntemi

kullanılmıştır. Bu yöntemle ilk defa deliklerin uyluk boynunun kırık bölgesinde implant stabilitesi

etkisi araştırılmıştır.

Delikli ve deliksiz implant modellerinde alınan bulgular karşılaştırıldığında farklı ve ilginç

E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1400

sonuçlar alınmıştır. Delikli implant modellerinde yüklenmeden sonra kırık hattına düşen yüke bağlı

olarak implant üzerinde daha çok gerilme izlenilmiştir. Bu gerilme beraberinde trabekülar doku

bölgelerine de etki etmektedir. İmplant üzerindeki deliklerin varlığı uygulanan yükü homojen

dağıtarak kırık bölgesinde trabeküler doku ve implant üzerinde gerilmede maksimal artıma neden

olmuştur.

Delikler küveti azalttığı için deliklerin sayıları arttıkça kemik doku birim alanına düşen gerilme

miktarı artmakta, küvet ise azalmaktadır. Araştırmada alınan sonuçlar implantlarda deliklerin

varlığında implant ve trabekülar kemik alanlarına düşen yük miktarının azaldığını göstermiştir.

Analiz sonuçları göstermiştir ki, implant üzerindeki delikler dalgakıran fonksiyonu görerek tüm

kuvvet ve basıncın implant boyunca homogen dağılmasını sağlar ve aynı zamanda kemik doku

üzerinde basıncı azaltır. Kemik dokunun 3–4.cü haftalarda deliklerin içine büyüdüğünü ve delikleri

doldurduğunu düşünürsek, zamanla implant stabilitesinin artmasını ve kemik doku kaybının

minimalize olduğunu söylemek olasıdır. Araştırma sonucu yeni implantın travmatoloji ve ortopedi

alanında gelecek prespektivlererini araştırmağa ve yeni platformlarda tartışma zemini

yaratmaktadır.

Kaynaklar

[1.] Strom O, Borgstrom F, Kanis JA, Compston J, Cooper C, McCloskey EV, Jonsson.

Osteoporosis:burden, health care provision and opportunities in the EU:are portprepared in

collaboration with the International Osteoporosis Foundation (IOF) and the European

Federation of Pharmaceutical Industry Associations (EFPIA). Arch. Osteoporos, 2011,

6,59–155.

[2.] ACTA CHIRURGIAE ORTHOPAEDICAE ET TRAUMATOLOGIAE ČECHOSL., 73,

2006, p. 45–59 Fractures of the Femoral Neck: A Rewiew and Personal Statement ERNST

L.F.B. RAAYMAKERS

[3.] Borqvist L, Lindelöw G, Thorngren KG. Costs of hip fracture. Rehabilitation of 180

patients in primary health care. Acta orthop. scand. 1991, 62:39–48.

[4.] Lagerby M, Asplund S, Ringqvist I. Cannulated screws for fixation of femoral neck

fractures. No difference between Uppsala screws and Richards screws in a randomized

prospective study of 268 cases. Acta Orthop Scand. 1998, 69(4):387-91.

[5.] CCH Khoo Cannulated Screw Fixation For Femoral Neck Fractures: A 5-year Experience

In A Single Institution. Malays Orthop J. 2014 Jul; 8(2): 14–21. PMCID: PMC4181088

[6.] Osarumwense D, Tissingh E, Wartenberg K, Aggarwal S, Ismail F, Orakwe S, and Khan

F. The Targon FN System for the Management of Intracapsular Neck of Femur Fractures:

Minimum 2-Year Experience and Outcome in an Independent Hospital Clin Orthop Surg.

2015, 7(1): 22–28.

[7.] Boraiah S, Paul O, Gardner MJ, Parker RJ, Barker JU, Helfet D, Lorich D. Outcomes of

length-stable fixation of femoral neck fractures. Arch Orthop Trauma Surg. 2010

Dec;130(12):1523-31.

E. CEFEROV et al./ ISITES2017 Baku - Azerbaijan 1401

[8.] Shields E, Kates SL. Revision rates and cumulative financial burden in patients treated with

hemiarthroplasty compared to cannulated screws after femoral neck fractures. Epub 2014

Oct 22.

[9.] Gjertsen JE, Vinje T, Engesaeter LB, Lie SA, Havelin LI, Furnes O, Fevang JM. Internal

screw fixation compared with bipolar hemiarthroplasty for treatment of displaced femoral

neck fractures in elderly patients. J Bone Joint Surg Am. 2010 Mar;92(3):619-28.

[10.] Wild M, Jungbluth P, Thelen S, Laffrée Q, Gehrmann S, Betsch M, Windolf J, Hakimi

M. The dynamics of proximal femoral nails: a clinical comparison between PFNA and

Targon PF Orthopedics. 2010 Aug 11;33(8).

[11.] Xu M, Zhang L, Mao Z, Wang H, Chen H, Guo Y, Tao S, Zhang Q, Liang X, Tang P

Comparison of effectiveness of three operations in treatment of displaced femoral neck

fractures in the elderly patients. Zhongguo Xiu Fu Chong Jian Wai Ke Za Zhi. 2010

Dec;24(12):1419-23.

[12.] Bhandari M, Devereaux PJ, Tornetta P, Swiontkowski MF, Berry DJ, Haidukewych G,

Schemitsch EH, Hanson BP, Koval K, Dirschl D, Leece P, Keel M, Petrisor B, Heetveld

M, Guyatt GH. Operative management of displaced femoral neck fractures in elderly

patients. An international survey. J Bone Joint Surg Am. 2005 Sep, 87(9):2122-30.

[13.] Strömqvist B, Hansson LI, Nilsson LT, Thorngren KG: Hookpin fixation in femoral

neck fractures. A two-year follow-up study of 300 cases. Clin Orthop 1987, 218:58–62.

[14.] Rehnberg L, Olerud C. Fixation of femoral neck fractures. Comparison of the Uppsala

and von Bahr screws. Acta Orthop Scand 1989, 60(5):579–854.

[15.] Lu-Yao GL, Keller RB, Littenberg B, Wennberg WE: Outcomes after displaced

fractures of the femoral neck. A meta-analysis of one-hundred and six published reports. J

Bone Joint Surg 1994, 76-A:15–25.

[16.] Mattsson P, Larsson S. Stability Of Internally Fixed Femoral Neck Fractures

Augmented With Resorbable Cement A prospective randomized study using

radiostereometry, Scandinavian Journal of Surgery, 2003, V. 92, P 215-219

[17.] Atik F, Özkan A, Uygur İ, İnsan Uyluk Kemiği ve Kalça Protezinin Gerilme ve

Deplasman Davranışının Kıyaslanması, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü

Dergisi, 16 (3), 2012.

[18.] Voo L., Armand M., Kleinberger M. Stress fracture risk analysis of the human femur

based on Computational Biomechanics // Johns Hopkins APL Technical Digest., 2004,

vol.25, p.223-30.

[19.] Bougherara H., Bureau M.N., Yahia, L. Bone remodeling in a new biomimetic polymer-

composite hip stem // J Biomed Mat Res Part A, 2010, vol.92, N1, p.164-174