Birinci metatarsofalanks ekleminin birleştirilmesinde (füzyonunda) stapler ve açı oluşumlarının deneysel ve sonlu elemanlar yöntemiyle incelenmesi

Hallux rigidus, birinci metatarsofalanks (MTP) ekleminde görülen dejeneratif bir hastalıktır. Hareket esnasında ağrı ve hareket kısıtlılığı şeklinde kendini göstermektedir. Ayakta en sık rastlanılan ikinci patolojik durum olarak bilinmektedir. Kadınlarda daha sık rastlanılan bir hastalık olmakla birlikte, 50 yaş ve üstü insanların % 2-2,5'inde görülmektedir. Hastalığın kesin sebebi bilinmemekle birlikte, hastaların çoğunluğunda, pozitif aile geçmişi olduğu görülmektedir. Hallux rigidus 4 evreye ayrılmaktadır. İlk evrelerde semptomlar fazla olmamasına karşın, son evrelerde ağrı ve hareket kısıtlılığı artmaktadır. Hallux rigidus rahatsızlığında birkaç farklı tedavi yöntemi bulunmaktadır. Hastaneye başvuran hastalarda tedavi yöntemini, hastalığın evresi belirlemektedir. Hastalığın tanısında uygulanan palpasyonla osteofitler hissedilebilmekte ve dorsal eklemde hassasiyet bulunmaktadır. Hasta yere basar pozisyondayken, ayağın ön-arka, oblik ve yan grafilerine bakılarak hastalığın evresi tespit edilmektedir. Oblik grafide metatarsal kemikte düzleşme ve genişleme ve ön-arka, yan grafide metatarsal kemiğin düzleşmesi ve genişlemesi sonucu eklem aralığında azalma görülebilmektedir. Yandan bakıldığında metatarsal kemiğin başı ve proksimal falanksın tabanında osteofitlere rastlanabilmektedir. Hallux rigidus deformasyonunda iki tür tedavi yöntemi bulunmaktadır. İlk evrelerde hastalığın ilerlemesini durdurmak ve ağrıyı azaltmak amacıyla konservatif tedavi yöntemi önerilmektedir. Konservatif tedavide ortezler, aktivite modifikasyonları, analjezikler ve kortikosteroidler hastanın klinik evresine göre tercih edilebilmektedir. Konservatif tedavinin cevap vermediği veya ileri evre hallux rigidus rahatsızlıklarında ise cerrahi tedavi yöntemleri önerilmektedir. Cerrahi tedavi yöntemlerinde öncelikli amaç, ağrıyı azaltmak ve hastaya konforlu bir yürüme sağlamaktır. Bu uygulama estetik amaçlı olarak tercih edilmemektedir. Cerrahi tedavide cheilektomi, rezeksiyon artroplastisi, implant artroplastisi ve artrodez gibi birçok cerrahi tedavi yöntemi mevcuttur. Birinci MTP eklemi füzyonu (yani artrodez) sık kullanılan cerrahi yöntemler arasındadır. Bu yöntem, başparmak fonksiyonu kaybı ve kaynamama gibi nedenlerden dolayı genellikle, ileri evrelerde tercih edilmektedir. Birinci MTP eklemi füzyonunda implant olarak kirschner telleri (K- telleri), staplerler, plaklar ve vidalar tercih edilmektedir. Staplerlerin, boyutlarının küçük olması, diğer implantlara oranla uygulamasının kolay olması ve düşük yoğunluktaki kemiklerde kullanılabilme imkanına sahip olması gibi avantajları bulunmaktadır. Staplerler, son yıllarda birinci MTP eklemi füzyonunda sıklıkla tercih edilen bir yöntem haline gelmeye başlamıştır. Bu çalışmada, sonlu elemanlar yöntemi ile hallux rigidus rahatsızlığında birinci metatarsal ve proksimal falanks kemiklerinin füzyonunda, stapler kullanımı deneysel ve nümerik yöntemlerle incelenmiştir. Bu amaçla uygulamada, tek stapler ve iki stapler birlikte kullanılması durumları ve staplerlerin yerleştirme açılarının etkileri araştırılmıştır. Tek stapler kullanılması durumunda stapler, dorsal eksende, ikili stapler kullanım durumundaki kombinasyonlarda ise birinci staplere 30°, 60° ve 90° açı yapacak şekilde farklı kombinasyonlarda yerleştirilmiştir. Deneysel çalışmada, üç farklı malzemeden üretilmiş olan staplerler test edilmiştir. Bunlar süper elastik özellikte ve şekil hafızalı malzemeden üretilmiş olan NiTi stapler ve paslanmaz çelikten üretilmiş TLX33 ve TLX44 stapler'leridir. Deneysel çalışmada, staplerlerin kemikleri bir arada tutmak için dairesel kanal içerisine uyguladığı kuvveti ölçmek amacıyla bir kuvvet ölçüm cihazı ve staplerlerin kemik yerleşiminde kemiğe uyguladığı kuvveti belirlemek amacıyla bir deney düzeneği tasarlanmıştır. Bir çenesi sabit diğer çenesi hareketli olan deney düzeneği, staplerlerin bacaklarını açık hale (paralel hale) getirerek kuvvet sensörü yardımı ile kanal içerisinde 3 farklı bölgede oluşan kuvvet değerlerini ölçülmek amacıyla kullanılmıştır. Sıcaklığa duyarlı olan ve şekil hafızalı malzemeden üretilmiş olan NiTi staplerin uyguladığı sıkıştırma kuvvetini belirlemek amacıyla, oda sıcaklığında (25°C) ve vücut sıcaklığında (37°C) kuvvet ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Oda sıcaklığında ölçüm alındığında, en fazla sıkıştırma kuvveti TLX44 staplerde ölçülürken en az sıkıştırma kuvveti NiTi staplerde ölçülmüştür. Ortam sıcaklığı vücut sıcaklığına (37°C) getirildiğinde en fazla sıkıştırma kuvveti NiTi staplerde oluşurken en düşük sıkıştırma kuvveti TLX33 staplerde görülmüştür. Süper elastik özelliğe sahip olan NiTi staplerde sıcaklığın artması ile kanal içerisine uygulanan kuvvetin arttığı görülmüştür. TLX33 ve TLX44 staplerlerin sıcaklığa bağlı sıkıştırma kuvvetinde herhangi bir değişiklik görülmemiştir. Kemik modelleri tasarlanırken literatür verileri dikkate alınarak, birinci metatarsal kemik ve proksimal falanks kemik uzunlukları sırası ile 60 mm ve 35 mm, kalınlıkları ise 10 mm olarak belirlenmiştir. Tek stapler kullanımı ve ikili stapler kombinasyonlarında stapler yerleşim mesafeleri belirlenirken, dorsal eksene 0° ile yerleştirilen staplerler birinci metatarsal kemiği ve proksimal falanks kemiğinden eklem birleşim noktasına olan uzaklıkları 10 mm olacak şekilde tasarlanmıştır. İkili stapler kombinasyonlarında stapler yerleşim mesafeleri belirlenirken 30°, 60° ve 90° stapler yerleştirme açılarında, proksimal falanks kemiğinden eklem birleşim noktasına 7 mm uzaklıkta ve metatarsal kemikten eklem birleşim noktasına13 mm uzaklıkta olacak şekilde tasarlanmıştır. Ayrıca, kemik modelleri oluşturulurken anatomik açılanmaya uygun olsun diye metatarsal kemik ile proksimal falanks kemik arasındaki hallux açısı (HA), 13° ve dorsifleksiyon açısı (DFA), 25°, 30° ve 35° olacak şekilde 3 farklı kemik modeli oluşturulmuştur. Bu 3 farklı kemik modeli kendi içinde stapler yerleşim açısına göre dorsal eksende 0° tek stapler kombinasyonu ve dorsal eksene 30°, 60° ve 90° açı yapacak şekilde iki stapler yerleşim kombinasyonu olmak üzere 4 farklı şekilde tasarlanmıştır. Toplamda 12 farklı kemik modeli tasarlanmış ve stapler yerleşim kombinasyonlarının mekanik dayanıma etkileri incelenmiştir. Kemik modelleri, FDM tipi 3D yazıcıda PLA malzeme kullanılarak % 20 doluluk oranında üretilmiştir. Dolgu deseni olarak kemik içyapısına benzerliğinden dolayı Gyroid deseni seçilmiştir. Farklı stapler yerleştirme açıları öngürülerek üretilen kemik modelleri, laboratuvar ortamında test edilmiş ve tasarlanan kemik modellerinin sonlu elemanlar yöntemi ile analizi (ANSYS Workbench yazılımında) yapılmıştır. Kemiklerin Young Modulu (E) 20000 Mpa ve Poisson oranı 0,3 olarak tanımlanmıştır. Gerçek durumda stapler ayakları boyunca değişken bir kuvvet etki etmektedir. En büyük kuvvet staplerin ayaklarının uç noktasında etki etmektedir. Analizlerde de bu gerçek durumu simüle edebilmek için stapler ayaklarına doğrusal olarak değişecek şekilde kuvvet tanımlanmıştır. Yapılan testler ve analizler sonucunda en yüksek sıkıştırma kuvveti NiTi staplerde ölçülmüştür. İkili stapler kombinasyonlarının tekli staplerlere göre daha yüksek sıkıştırma kuvveti uyguladığı görülmüştür. İkili stapler kombinasyonlarında en yüksek sıkıştırma kuvveti 0°-30° stapler kombinasyonunda, en düşük sıkıştırma kuvveti ise 0°-90° stapler kombinasyonunda görülmüştür. Sonuç olarak, stapler yerleşim açılarının azalması durumunda deformasyonun arttığı tespit edilmiştir. Fakat, çalışmada kullanılan en düşük stapler kombinasyon açıları 0°-30°'dir ve bu kombinasyonun kemik yapısına zarar verecek büyüklükte olmadığı görülmüştür. Stapler yerleşim açıları arttıkça maksimum gerilmenin ve buna bağlı olarak sıkıştırma kuvvetinin azaldığı tespit edilmiştir. Stapler yerleşim açılarının azalması durumunda ise, gerilmenin arttığı ve buna bağlı olarak birleştirme bölgesinde oluşan sıkıştırma kuvvetinin arttırdığı ve daha fazla sabitleme sağladığı sonucuna varılmıştır.