Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi

Taherzadeh, Paniz; OZER, SEVIL; Kelleci, kübra

doi:10.17341/gazimmfd.1117009

Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi

Paniz TAHERZADEH, (İstanbul Yeni Yüzyıl Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Biyomedikal Mühendisliği Bölümü, İstanbul, Türkiye)

Kübra KELLECİ, (Beykoz Üniversitesi, Meslek Yüksekokulu, Tıbbi Hizmetler ve Teknikleri Bölümü, İstanbul, Türkiye)

SEVIL OZER (İstanbul Yeni Yüzyıl Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Biyomedikal Mühendisliği Bölümü, İstanbul, Türkiye)

Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi

9 3

Yıl: 2023 Cilt: 38 Sayı: 3 Sayfa Aralığı: 1945 - 1952 Metin Dili: Türkçe DOI: 10.17341/gazimmfd.1117009 İndeks Tarihi: 23-03-2023

Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi

Öz:

Bu çalışmada omurganın normal şekilde stabilize edilmesine yardımcı olabilecek yeni bir pedikül- vida tabanlı posterior dinamik stabilizasyon implantı, sonlu elemanlar metotu kullanılarak tasarlanmış ve sonlu elemanlar metotu ile biyomekanik etkileri tespit edilerek karşılaştırılmıştır. Standart sınırlarda hareket aralığını koruyan iki farklı implant ve cihaz bileşenleri SOLİDWORKS programıyla oluşturulup, hareket aralığını hesaplamak için ABAQUS CAD simülasyon programı ve MATLAB programı birlikte kullanılmıştır. Tüm cihazlarda, L4-L5 omurlarını birbirine bağlayan çubuk, vida, pim ve somun bileşenler yüksek spesifik dayanım, kırılma tokluğu, gibi avantajlı özellikleri nedeniyle titanium malzemesi seçilerek tasarlanmıştır. Lomber omurganın sağlam ve farklı implantlarla tedavi edilen modelleri, Bilgisayarlı tomografi (BT) verilerine göre fizyolojik yükleme koşulları altında simüle edilmiştir. Tasarlanan tüm cihazlar altı farklı yönde (sağ-sol eksenel dönüş, sağ-sol yanal bükme ve fleksiyon-uzama) hareket aralığı, bitişik seviye etkisi ve restorasyon yüzdeleri hesaplanmıştır. İmplant parçalarının tasarımında omurganın implant ile birlikte hareketinde kabul edilebilir değer olan %70 restorasyon yüzdesine, her yönde ulaşılmaya çalışılmıştır. Optimum verilerin elde edildiği cihaz ile Z ve Y yönünde daha fazla restorasyon sağladığı tespit edilmiştir. Restorasyon değerleri uzama için %33, fleksiyon için %53, yanal bükülme ve eksenel rotasyonlarda ise sırasıyla %68 ve %55 'dir. Bu simülasyon çalışması ile tasarlanan pedikül-vida implantların deneysel doğrulama ve klinik denemelerden sonra uygulanabilir olacağı söylenebilir.

Anahtar Kelime: Posterior dinamik stabilizasyon Lomber omurga Hareket aralığı restorasyon sonlu elemanlar methodu

Lumbar spine implant design with finite element method and determination of biomechanical effects

Öz:

In this study, a new posterior dynamic stabilization implant, which can help stabilize the spine normally, was designed using CAD commercial software programs and its biomechanical effects were determined and compared with the finite element (FE) method. Friction coefficient, material model, convergence analysis, loading and boundary conditions are defined for FE analysis. Two different implant and device components that maintain the range of motion within the standard limits were created with the SOLIDWORKS program, and ABAQUS CAD simulation program and MATLAB program were used together to calculate the range of motion. All implants are designed by choosing titanium material, the rod, screw, pin and nut components connecting the L4-L5 vertebrae. Lumbar spine models that are healthy and treated with two different implants were simulated under physiological conditions using scan data from computed tomography (CT). The range of motion, adjacent level effect and restoration percentages were calculated for all designed devices in six different directions. In the design of implant parts, 70% restoration percentage, which is an acceptable value in the movement of the spine with the implant, has been tried to be achieved in all directions. It has been determined that the device with the optimum data obtained provides more restoration in Z and Y directions. Restoration values are 33% for extantion, 53% for flexion, 55% and 68% for axial rotations and lateral bending, respectively. It can be said that pedicle-screw implants designed with this simulation study will be applicable after experimental validation and clinical trials.

Anahtar Kelime: ABAQUS Lumbar spine posterior dynamic stabilization restoration finite element method

Belge Türü: Makale Makale Türü: Araştırma Makalesi Erişim Türü: Erişime Açık

1. Jain, P., Rana, M., Biswas, J. K., Khan, M. R., Biomechanics of spinal implants—a review, Biomedical Physics & Engineering Express, 6, 4, 042002, 2020.
2. Reisener, M. J., Pumberger, M., Shue, J., Girardi, F. P., Hughes, A. P., Trends in lumbar spinal fusion—a literature review. Journal of Spine Surgery, 6, 4, 752, 2020.
3. Akyoldas, G., Cevik, O. M., Suzer, T., Sasani, M., Oktenoglu, T., Ozer, A. F., Dynamic stabilization of the lumbar spine using the Dynesys® system. Turkish neurosurgery, 30, 2, 190-193, 2020.
4. Khalifa, A. H., Stübig, T., Meier, O., & Müller, C. W., Dynamic stabilization for degenerative diseases in the lumbar spine: 2 years results. Orthopedic Reviews, 10, 1, 2018.
5. Reyes-Sánchez, A., Zárate-Kalfópulos, B., Ramírez-Mora, I., Rosales- Olivarez, L. M., Alpizar-Aguirre, A., Sánchez-Bringas, G., Posterior dynamic stabilization of the lumbar spine with the Accuflex rod system as a stand-alone device: experience in 20 patients with 2-year follow- up, European Spine Journal, 19, 12, 2164-2170, 2010.
6. Li, Y. C., Feng, X. F., Pang, X. D., Tan, J., Peng, B. G., Lumbar disc rehydration in the bridged segment using the BioFlex dynamic stabilization system: A case report and literature review, World Journal of Clinical Cases, 8, 10, 1958, 2020.
7. Wilke, H. J., Heuer, F., Schmidt, H., Prospective design delineation and subsequent in vitro evaluation of a new posterior dynamic stabilization system. Spine, 34, 3, 255-261, 2009.
8. Stoffel, M., Behr, M., Reinke, A., Stüer, C., Ringel, F., Meyer, B., Pedicle screw-based dynamic stabilization of the thoracolumbar spine with the Cosmic®-system: a prospective observation. Acta neurochirurgica, 152, 5, 835-843, 2010.
9. Schmoelz W, Huber J.F., Nydegger, Dipl-Ing,L.Claes,and H. J.Wilke, Dynamic stabilization of the lumbar spine and its effects on adjacent segments: an in vitro experiment, Journal of Spinal Disorders and Techniques, 16, 4, 418–423, 2003.
10. Hoh, D. J., Hoh, B. L., Amar, A. P., Wang, M. Y., Shape memory alloys: metallurgy, biocompatibility, and biomechanics for neurosurgical applications. Operative Neurosurgery, 64, 5, 199-214, 2009.
11. Jain, P., Khan, M. R., Biomechanical study of lumbar spine (L2-L4) using hybrid stabilization device-a finite element analysis, International Journal of Manufacturing, Materials, and Mechanical Engineering, 10, 1, 20-32, 2020.
12. Oktenoglu, T., Erbulut, D. U., Kiapour, A., Ozer, A. F., Lazoglu, I., Kaner, T., Goel, V. K., Pedicle screw-based posterior dynamic stabilisation of the lumbar spine: in vitro cadaver investigation and a finite element study, Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 18, 11, 1252-1261, 2015.
13. DeVries, N. A., Shivanna, K. H., Tadepalli, S. C., Magnotta, V. A, Grosland, N. M., IA-FEMESH: anatomic models—a check of mesh accuracy and validity. The Iowa orthopaedic journal, 29, 48, 2009.
14. Biswas, J. K., Rana, M., Roy, S., Majumder, S., Karmakar, S. K., Roychowdhury, A., Effect of range of motion (ROM) for pedicle-screw fixation on lumbar spine with rigid and semi-rigid rod materials: A finite element study, In IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 402, 1, 012146, 2018.
15. Jain, P. Khan, M. R., Prediction of biomechanical behavior of lumbar vertebrae using a novel semi-rigid stabilization device, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine, 233 (8), 849-857, 2019.
16. Aycan M.F., Comparison of biomechanical properties of implant systems used in treatment of proximal femur fractures, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 34 (4), 811-818, 2019.
17. Ergene B., Simulation of the production of Inconel 718 and Ti6Al4V biomedical parts with different relative densities by selective laser melting (SLM) method, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 37 (1), 469-484, 2022
18. Aycan M., Investigation on manufacturability of bone plates used in humerus fractures by additive manufacturing method, Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 34 (4), 2007-2016, 2019
19. Moumene, M., & Harms, J., Is Posterior Dynamic Stabilization an Option to Avoid Adjacent Segment Decompensation, In Surgery for low back pain Springer, 207-211, 2010.
20. Galbusera, F., Bellini, C. M., Anasetti, F., Ciavarro, C., Lovi, A., Brayda-Bruno, M., Rigid and flexible spinal stabilization devices: a biomechanical comparison, Medical engineering & physics, 33 (4), 490-496, 2011.
21. Kang K.T., Koh Y.G., Son J., Biomechanical evaluation of pedicle screw fixation system in spinal adjacent levels using polyetheretherketone, carbon-fiberreinforced polyetheretherketone, and traditional titanium as rod materials, Compos Part B-Eng, 130, 248– 256, 2017.
22. Alapan, Y., Sezer, S., Demir, C., Kaner, T.,İnceoğlu, S., Load sharing in lumbar spinal segment as a function of location of center of rotation, Journal of Neurosurgery: Spine, 20 (5), 542-549, 2014.

APA	Taherzadeh P, Kelleci k, OZER S (2023). Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi. , 1945 - 1952. 10.17341/gazimmfd.1117009
Chicago	Taherzadeh Paniz,Kelleci kübra,OZER SEVIL Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi. (2023): 1945 - 1952. 10.17341/gazimmfd.1117009
MLA	Taherzadeh Paniz,Kelleci kübra,OZER SEVIL Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi. , 2023, ss.1945 - 1952. 10.17341/gazimmfd.1117009
AMA	Taherzadeh P,Kelleci k,OZER S Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi. . 2023; 1945 - 1952. 10.17341/gazimmfd.1117009
Vancouver	Taherzadeh P,Kelleci k,OZER S Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi. . 2023; 1945 - 1952. 10.17341/gazimmfd.1117009
IEEE	Taherzadeh P,Kelleci k,OZER S "Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi." , ss.1945 - 1952, 2023. 10.17341/gazimmfd.1117009
ISNAD	Taherzadeh, Paniz vd. "Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi". (2023), 1945-1952. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1117009

APA	Taherzadeh P, Kelleci k, OZER S (2023). Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 38(3), 1945 - 1952. 10.17341/gazimmfd.1117009
Chicago	Taherzadeh Paniz,Kelleci kübra,OZER SEVIL Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 38, no.3 (2023): 1945 - 1952. 10.17341/gazimmfd.1117009
MLA	Taherzadeh Paniz,Kelleci kübra,OZER SEVIL Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, vol.38, no.3, 2023, ss.1945 - 1952. 10.17341/gazimmfd.1117009
AMA	Taherzadeh P,Kelleci k,OZER S Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2023; 38(3): 1945 - 1952. 10.17341/gazimmfd.1117009
Vancouver	Taherzadeh P,Kelleci k,OZER S Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi. 2023; 38(3): 1945 - 1952. 10.17341/gazimmfd.1117009
IEEE	Taherzadeh P,Kelleci k,OZER S "Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi." Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 38, ss.1945 - 1952, 2023. 10.17341/gazimmfd.1117009
ISNAD	Taherzadeh, Paniz vd. "Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi". Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 38/3 (2023), 1945-1952. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1117009