Biomechanics of acetabular fractures with low energy trauma via finite element modeling and analysis

Abstract

İskelet sistemi vücudun hareketi, mineral deposu, yumuşak dokuların korunması gibi pek çok görevini üstlenmiştir. Bu yapının hasar görmesi insan hayatını olumsuz etkilemektedir. İnsan vücudunda meydana gelen kırıklar, temel olarak kemik yapısına ve etrafındaki dokulara zarar verir. Bu nedenle kırıkların nasıl oluştuğunu ve kırık mekanizmasını anlamak gerekir. Ayrıca kırık mekaniği karmaşıktır ve araştırmaya değerdir. Fakat kemiğin etrafı damar ve kaslar ile örtülü olduğu için incelemek zordur. İnsan hayatta iken kemiklerin mekanik testlerini üzerinde gerçekleştirmek mümkün değildir. Diğer yandan bu deneyler ancak kadavra üzerinde, alınan izinler ile gerçekleştirilebilir. Kadavrayı bulmak ve gerekli etik izinleri almak oldukça zahmetli bir iştir. Pratik bir çözüm olarak biyomekanik modeller, bilgisayar teknolojilerinin avantajları nedeniyle altenatif olmuşlardır. Bilgisayar modellerinde simülasyonlardan faydalanılmıştır. Validasyon, model sonuçlarını deneysel test sonuçları ile kıyaslanarak yapılır. Analizleri gerçekleştirmek için öncelikle ilgi alanının 3D görüntüsü gereklidir. Teknolojinin gelişmesiyle beraber radyolojik görüntüleme yöntemleri gelişmiş ve kemiğin herhangi bir operasyon olmadan görüntülenmesi sağlanmıştır. CT, MR gibi cihazlar, herhangi bir işlem olmaksızın insanın morfolojisini görüntüleme olanağı sunar. Bu cihazlar hastalık teşhisinin yanı sıra birçok yararlı bilgi sağlar. Günümüz teknolojisinin görüntüleme teknikleri, insan kemiğinin malzeme özellikleri, insan vücudunun bilgisayar ortamındaki davranışını taklit edecek şekilde modelin gerçekliğini artırmak için kullanılabilir. Osteoporoz, kemik mineral yoğunluğunun azalması sonucu oluşan kemiklerin kırılgan olduğu bir tür kemik hastalığıdır. Bu çalışmada osteoporozlu yaşlılarda daha çok görülen asetabular kemik kırılmasının sonlu elemanlar analizi incelenmesi amaçlanmıştır. Bunun için yaşlı ve genç olmak üzere iki hastanın CT görüntüsü elde edilmiş ve 3 boyutlu modeli sonlu elemanlar modelinden (SEM) faydalanarak çıkartılmıştır. Bu modelde femur, kıkırdak ve asetabular yer almıştır. Oluşturulan modellerin CT değerlerinden faydalanarak malzeme özellikleri belirlenmiş ve sonlu elemanlar analizi için programa aktarılmıştır. Model anizotropik malzeme özellikleri kullanılarak tasarlanmıştır. Kemikler arasında ilişkilerin ve sınır şartlarının belirlenmesinden sonra, femur trochanter majorüne yanal düşme kırılması yaratacak kadar kuvvet uygulanmıştır. Gerilim ve gerinim değerleri ANSYS'de 4-noded tetrahedral mesh kullanılarak hesaplandı. Sağlıklı bireyin sağ ve sol modellerinin von Mises değerleri, sırasıyla 467 MPa ve 301 MPa ve bu değerler kırık taşıyan hastada ise sırasıyla 174 MPa ve 142 MPa olarak bulunmuştur. Kırık taşıyan bireyde elde edilen sonuçlara göre von Mises değeri kıkırdak modelinde 141.59 MPa ve kıkırdak olmayan modelde 142.25 MPa olarak bulunmuştur. Geliştirmiş olduğumuz modelde, fark ihmal edilebilecek kadar küçük olduğundan, her model için ayrı bir kıkırdak modeli oluşturulmamıştır.

The skeletal system undertakes many tasks such as the movement of the body, mineral storage, and protection of soft tissues. Damage to this structure affects human life negatively. Fractures that occur in the human body is damage to mainly to the bone structure and associated surrounding tissues. Therefore, it is necessary to understand how the fractures are formed and the fracture mechanism. Furthermore, the mechanism of fracture is complicated and worthy of investigation. However, the examination of the bone is difficult because it is a structure covered with tissues like veins and muscles. It is not possible to perform mechanical tests of the bones over a living body. On the other hand, these experiments might be carried out on cadavers with permits received. Finding the cadaver and obtaining the necessary permissions is a very demanding task due to ethical regulations.As a more practical solution, biomechanical models have been alternative due to the advantages in computer technologies. Computer built models are utilized for simulating the effects over biomechanical mechanism in silico. The validations and verifications are performed to compare the results with the experimental test results. To perform computational analyzes, first of all, the 3D image of the region of interest is required. With the development of technology, radiological imaging methods have been developed and imaging of the bone without any surgery has been provided. Devices such as Computed Tomography (CT), Magnetic Resonance Imaging (MRI) offer the possibility to view morphology of the human without any operation. These devices provide much useful information as well as disease diagnosis. With the help of the devices, the material properties of the human bone could be determined for a realistic model to mimic the behaviour of the human body in a computer environment.Osteoporosis is a type of bone disease in which the bones formed as a result of decreased bone mineral density are fragile. In this study, it is aimed to analyze the acetabular fractures, which are more commonly encountered in the elderly with osteoporosis. As a methodology, CT images of two subjects; an elderly and a youngster, were obtained and a 3D model was created utilizing Finite Element Modeling (FEM) technique. In this model, femur, acetabular and as well as articular cartilage were included. Material properties were determined by using the CT values of the created models and transferred to the software for analysis. For material modelling, anisotropic features were extracted. After establishing the contact area and the boundary conditions between the bones, the force was applied to create a sideways fall fracture to the femur trochanter major in the model. Stress-strain values were calculated by using 4-noded tetrahedral meshing in ANSYS. The von Mises values of the left and right models of the healthy subject were 467 MPa and 301 MPa, respectively, and these values were 174 MPa and 142 MPa, respectively, in the patient who had a fracture. According to the results, the von Mises value was 141.59 MPa in the cartilage model and 142.25 MPa without cartilage model in the patient. As the difference is small enough to be neglected, no separate cartilage model is formed for each model.