İnsan diz mekanizmasının bilgisayar destekli üç boyutlu modellenmesi ve kinematik analizi

Abstract

Bu çalışmada, insan diz mekanizmasını oluşturan biyolojik yapıların modellemesi yapılarak, diz eklemini oluşturan kemiklerin yapısal hasarları durumunda meydana gelen gerilme ve deformasyon dağılımları araştırılmıştır. Bunun yanı sıra çapraz bağların, yan bağların ve yürüme döngüsünün kinematik analizi tamamlanmıştır. Diz ekleminin, normal (referans) modeli, koksa vara, valga deformiteli (hasarlı) modelleri ve fibula kırıklı tibia-fibula-talus modeli Bilgisayarlı Tomografi ve Manyetik Rezonans görüntülerinden üç boyutlu (3B) olarak modellenmiştir. 3B gerek referans gerekse deformiteli modellerde, kemik, menüsküs ve kıkırdak yapılarında ortaya çıkan gerilme ve deformasyon dağılımları birbirleriyle kıyaslanarak değerlendirilmiştir. Buna ilave olarak, yüksek tibial osteotomi operasyonunun benzetimi, farklı kama açı değerlerinin kıyaslanması ve tibia hasar durumunun belirlenmesi için 3B modeller kullanılmıştır. Referans model kabul edilen sağlıklı bir diz eklemi modelin deformiteli modellere göre daha az gerilme dağılımı ve daha uygun deformasyon davranışı gösterdiği sonucuna ulaşılmış ve deformiteli gurupların menüsküs ve kıkırdak gibi yapısal elemanlarının gerilme ve deformasyon davranışı referans modele göre değerlendirilmiştir. Bununla beraber, abdüktör kas kuvvetinin diz eklemi kemiklerinde gerilme azaltıcı olduğu için, bu kuvvet bilgisayar destekli çözümlemelerde tanımlanmıştır. Tüm sonuçlara göre genel olarak, tüm cerrahi müdahalelerin referans model eksenlerine göre tamamlanması gerekmektedir. Bu çalışma ile ayrıca, BT ve MR görüntülerinden elde edilen 3B modellerin kemik ve kemik dışı yapılarının gerilme ve deformasyon davranışını belirlemek için uygun bir araç olduğu sonucu da ortaya çıkmaktadır.

In this study, the biological structures consisting of human knee joint are modeled and the stress and deformation distributions of knee bones having structural deformities are calculated. In addition, the kinematic analyses of crucial, lateral and medial ligaments, human walking cycle are done. Computer aided 3D modeling of normal (reference) knee joint along with coxa vara and valga deformities and tibia-fibula-talus with fibula fractured are performed using Computerized Tomography (CT) and Magnetic Resonance (MR) images. In these 3D computerized modeling, the components of knee joint including non deformed and deformed of cartilages, ligaments, meniscus are considered. After these modeling process, the stress and deformation distributions of coxa vara and valga and fibula fractured models are compared corresponding with non-deformed reference (normal) models. Additionally, simulation of high tibial osteotomy operation having different wedge angle are performed and compared with reference models. Stress distribution of ligaments and meniscus are also calculated. In the computerized simulations, abductor muscle forces along with body weight are also used for the loading conditions. The material properties of these structure accepted commonly are used from the literatures.