Gerçekçi yükleme koşullarında kalça eklemi simülatörü tasarımı ve doğrulamasına yönelik entegre yaklaşım

Fizyolojik kalça eklemi yüklemesinin doğru bir şekilde çoğaltılması, total kalça protezi implantlarının güvenilir değerlendirilmesi ve optimizasyonu için kritik öneme sahiptir. Bu tez, sonlu elemanlar modellemesi, topoloji optimizasyonu ve yorulma hassasiyet analizini, ISO 14242 standardına uygun olarak özel tasarlanmış bir kalça eklemi simülatörü üzerinde yapılan deneysel doğrulama ile entegre eden kapsamlı bir metodoloji sunmaktadır. Mekanik sistem; sıfır boşluklu Harmonic Drive ve planet dişli mekanizmaları, yüksek hassasiyetli altı serbestlik dereceli yük algılama platformu ve karmaşık çok eksenli hareket ve kuvvet profillerini hassas şekilde yeniden üreten adaptif kontrol stratejileri ile donatılmıştır. Bu çalışma, geleneksel ISO tabanlı testlerin ötesine geçerek, Rydell, Paul ve Duff-Barclay'den elde edilen in vivo günlük yaşam aktivitesi verilerini ISO 14242 standardı ile birleştirmekte ve yürüyüş döngüleri ile diğer fonksiyonel aktivitelerin doğru bir şekilde simüle edilmesini sağlamaktadır. Bu entegrasyon, standartlaştırılmış koşullar ile fizyolojik koşullar arasındaki kuvvet büyüklükleri ve yükleme desenlerindeki farklılıkları ortaya koymaktadır. Monte Carlo simülasyonları kullanılarak gerçekleştirilen stokastik yürüyüş yük vektörleri, mevcut standartlarda yer almayan nadir yüksek açılı veya yüksek büyüklüklü yükleme senaryoları altında simülatörün yapısal tepkisini değerlendirmiştir. Bu analizler, kuvvet uygulama mekanizmasında küçük takviyelerin yapılmasına ve rijitlik, aktüatör yükü ve hizmet ömrü gibi temel tasarım değişkenlerinin etkilerini inceleyen parametrik çalışmalara yön vermiştir. Elde edilen sonuçlar, optimize edilmiş kol tasarımlarının yapısal bütünlükten veya yorulma direncinden ödün vermeden ağırlıkta %55'e varan bir azalma sağladığını göstermektedir. Yüksek çözünürlüklü geri besleme ve sıfır boşluklu tahrik sistemini bir araya getiren hibrit kontrol mimarisi, hem deterministik hem de rastgele yük koşulları altında yürüyüş döngülerinin yüksek sadakatle çoğaltılmasını sağlamaktadır. Doğrulama deneyleri, sistemin hassas kuvvet takibi sağlama, aktüatör enerji tüketimini azaltma ve uzun dönemli aşınma ve yorulma testlerinde güvenilirlik sağlama yeteneğini doğrulamıştır. Geliştirilen platform, ISO 14242 uyumluluğunu sağlamanın yanı sıra fizyolojik gerçekliği yüksek genişletilmiş test senaryolarına da olanak tanıyarak, implant aşınması, yağlama dinamikleri ve veri odaklı öngörücü modelleme gibi ileri düzey araştırmalar için sağlam bir temel sunmaktadır.