Mandibula krıklarında kullanılan miniplak-vida sisteminin sonlu elemanlar metodu ile üç boyutlu stres analizleri

Abstract

ÖZET Günümüzde çene cerrahisinin kullanımına sunulmuş geometrik dizaynları ve materyal özellikleri farklı pek çok miniplak-vida sistemi vardır. Mandibula kırıklarında bu miniplak-vidaların hangisinin, ne sayıda ve hangi lokasyonlarda yerleştirilmesiyle ideal stabilizasyonun biyomekanik olarak sağlanabildiği konusunda belirsizlikler vardır. Bu çalışma mandibula kırıklarında kullanılan miniplak- vida sistemi ile mandibula biyomekaniğinde görülen yukarıdaki belirsizlikleri araş tırmak amacıyla planlandı. Araştırmada 3 boyutlu sonlu elemanlar metotu kullanıldı. Analizler, üzerinde miniplak-vida ile bağlanmış basit bir kırık bulunan korpus mandibulaya ait kemik parçasının 3 boyutlu matematik modeli üzerinde yapıldı. Kemik, vida, plak, kırık materyalleri yapı, geometri ve sayı olarak değiştirildi. 4 ana grup altında 25 parametreyi araştırmak amacıyla 40 ayrı model oluşturuldu. Her bir model 1972 solid elemandan ve 2795 nod'dan oluşuyordu. Bu çalışmayı desteklemesi ve mandibulanın biyomekaniğini araştırılması amacıyla da 100 solid elemana ve 180 nod'a sahip basit matematik modeller hazırlandı. Modellere sınır koşulları, materyal özellikleri ve yükleme şartları tarif edildikten sonra FEA LUSAS Sonlu Elemanlar yazım programının 10. ve 11. versiyonları kullanılarak 486 DX2 mikroişlemciye sahip 1GB HD, 66MHz, 32MB RAM bulunan bir bilgisayarda iki kez gerilme analizleri yapıldı. Her bir analiz için 12 gerilme bulgusu tespit edildi. Bunlar içinden, üzerinde tüm gerilmelerin bileşeni olması nedeniyle maksimum Von-mises değerleri kullanıldı. Gruplar arası farklılıklar varyans analizi yapılarak değerlendirildi.Mandibula biyomekaniğinin araştırılması sonucunda, ısırma yükünün posteriora yönlendirilmesiyle mandibulanın üst ve alt kenarlarında alışılmamış basma-çekme gerilme bölgeleri gözlendi. Bu sonuçlarla açı kırıklarında tek bir plağın yerleştirilmesi durumunda ilave stabilizasyon ön lemlerinin alınmasının zorunlu olduğu belirlendi. Ayrıca mandibulaya gerçek biyomekanik özelliğini veren yapının kortikal kemik tabakası olduğunun gözlenmesi dikkat çekiciydi. Kemik-vida-kırık-plak etkileşim analiz sonuçlarında, kortikal kemiğin kalite ve kantitesinin istatiksel olarak stabilizasyonu etkiliyen en önemli parametrelerden biri olarak tespit edildi(p<0.05). İstatiksel olarak anlamlı bir diğer önemli parametre ise kullanılan miniplak ve vidanın materyal özelliği idi (p<0.01). Plak ve vidanın elastik modülü arttıkça daha iyi sta bilizasyon sağlandığı belirlendi. Ancak çok rijit plak ve vida kullanıldığında rezorbsiyon ve osteopöröz oluşturabilecek stres-sbielding de denen vida et rafına aşırı gerilmelerin toplandığı bir fenomen gözlendi. 1., 2. ve 4. vidaların yerleştirildiği 3 vidalı hatta 1. ve 4. vidaların yerleştirildiği 2 vidalı plakların ilave önlemlerle stabilizasyonu bozmadığı tespit edildi. Tüm analizlerde aşırı yük taşıyan yani rezorbsiyon riski bulunan vidalar tespit edildi. Elde edilen bütün bulguların klinik uygulamalar açısından değerlendirmeside yapıldı.

68 SUMMARY At present, several miniplate- screw systems with different geometric designs and material characteristics are available in the field of oral and maxillo-facial surgery. In mandibular fractures however the type, number and locations of the screws used to achieve biomechanically ideal sta bilization has not been definitely demonstrated. Present study was undertaken to clear such ambiguities regarding mi- niplate-screw systems and mandibular biomechanics in mandible fractures. In this study three-dimensional finite element method was used. The investigations were carried out on a 3-D mathematical model of simple man dibular corpus fracture which was stabilized with a miniplate-screw system. The structure, number and the geometry of plate, screw, bone and fracture materials were changed. 50 different models were prepared to examine 25 parameters under 4 main groups. Each model consisted of 1972 solid ele ments and 2795 nodes. Basic models with 100 solid elements and 180 nodes were also prepared to investigate the mandibular biomechanics and to sup port the main part of the study. The boundary conditions, material properties and load cases were int roduced to the models. A FEA LUSAS finite element soft ware (version 10 and 11) was used in a 486DX2 computer (1GB HD, 66MHz, 32MB RAM) to carry out stress analysis at two different intervals. For each analysis 12 stress findings were determined. Among those, maximum Von-mises were used since they comprise the remaining values. ANOVA was used to evaluate the statistical differences between groups. The investigations on mandibular biomechanics indicated ext raordinary compression-tension areas in upper and lower edge of the man dible when masticatory load was directed posteriorly. It would appear from this study that it is pertinent to take additional stabilization measures69 when only a single plate was used in angular fractures. Another interesting feature was to observe that it was the cortical bone which reflected the bi- omechanical properties of the mandible. Bone-screw-fracture-plate interaction analysis revealed the quality and quantity of the cortical bone as one of the most significant determinant in stability (p<0.05). The material property of the miniplate and screw was also statistically significant (p<0.01). The stabilization was improved as the elasticity module of plate and screw was increased. However when rigid plate and screw were utilized, excessive stress was observed around the screws. This phenomenon is also called stress-shielding effect and may cause osteoporosis and resorption. In 4-hole plates when only screw no 1, 2, 4 and 1, 4 was used, with the aid of additional measures the stabilization was not jeopardized. In all analysis overloaded screws with potential resorption risks were determined. Clinical implications of all the findings were also carried out.