Finite element model development of the human lumbar spine and dynamic stabilization device analysis

Sonlu eleman metodu diğer alanlarda örneğin elektronik ve termodinamik bilimlerde olduğu gibi makine mühendisliği alanında da güvenilir bir analiz aracıdır. Biyomekanik alanında sonlu eleman modellerinin kullanımı bilgisayara dayalı kaynakların daha iyi kullanılabilirliği ile geçtiğimiz yirmi yıl içinde büyük bir ölçüde özellikle omurga biyomekaniği alanında artış göstermiştir. Aslında, omurga sonlu eleman modelinin gelişimi omurga bölümlerinin karmaşık geometri yapısından dolayı külfetli ve basit olmayan bir iştir. Sonlu eleman modelleri kas ve iskelet sistemlerinin davranışlarını yaklaşık olarak bütün fizyolojik ve anatomik özelliklerle birlikte hazırlamak için kullanılmaktadır. Bu tezin başlıca amacı insana ait bel ve torakal omurga bölgelerinin gerçeğe yakın sonlu eleman modellerini geliştirmektir. Bel omurlarına (lomber bölgesine) ait sonlu eleman modelleri özellikle klinik tedavi uzmanlarının yanı sıra akademisyenler için de önemlidir. Çünkü bel ağrısı omurganın en sık görülen rahatsızlığını teşkil eder. Bu tezde omurga kemikleri ve diskleri arasında entegre ara yüz oluşturmak amacıyla özgün bir yöntem sunulmuştur. Bel ve torakal omurlarının gerçek geometrisi bilgisayarlı tomografi verilerinden elde edilmiştir. Boğum noktalarını omur kemiklerinin üzerine ve omur kemikleri arası disklerin yüzeyleri üzerine yerleştirmek amacıyla çok hücreli metot kullanılmıştır ve disk ve kemiklerin birleştirilmesi için altı yüzlü eleman kullanılmıştır. Bağ dokunun benzerini yapmak üzere iki boğum noktasını birleştirmek amacıyla çizgi şeklinde bir tür eleman olan "truss elemanı" kullanılmıştır. Omurların eklem yüzeylerinin birleştiği yerler tek yönlü ara elemanları ile tasarlanmıştır. Literatür verileri kullanılarak omurgayı oluşturan elamanlara göre madde özellikleri saptanmıştır. Net kuvvetler L1 vertebrasının üzerindeki tek noktaya uygulanmıştır. Her modeldeki son vertebranın alt kısmı bütün yönlerde bağlandı. Sonlu eleman modelinin ön görülen hareket tepkisi, bütün hareket eksenlerindeki yayımlanmış laboratuvar çalışmalarıyla ile karşılaştırıldı ve sonuçların benzer olduğu saptandı. Geçerliliği kabul edilmiş sonlu eleman modeli bel omurlarının biyomedikal parametreleri üzerinde çalışmak amacıyla intakt ve aletli durumlarda kullanılmıştır. Aletlerin çeşitli tasarımları torakal ve bel omurga modellerine uygulanmıştır. Aletlerin bel ve torakal omurgalarının kinematik parametreleri üzerindeki etkileri; hareket aralığı ve kinetik gibi, disk içi basıncı, omurların eklem yüzeylerinin birleştiği yerlerdeki ağırlık ve bağ doku gerginliği gibi; incelenmiştir. Arka (posterior) dinamik stabilizasyonu, füzyon, omurların çıkıntıları arasında bulunan (interspinöz) füzyon ve pedikül gibi özellikleri içeren bel omurga bölgesi aletleri yaylı bir çubuk ile sıkıştırılır. Tasarım değişiklikleri, aletli modellerin biyomekanik davranışlarının intakt modellerin davranışlarıyla karşılaştırılmasından sonra önerilmiştir.