İstatiksel Tasarım Yöntemi Kullanılarak İnsan Kalça Ekleminin Mekanik Davranışının Belirlenmesi

Abstract

Bu çalışmada protezli insan kalça ekleminin mekanik davranışı istatistik olarak tasarlanmış sonlu elemanlar yöntemi (SEY) kullanılarak incelenmiştir. Çalışma kapsamında Charnley ve Hipokrat isimli 2 farklı tip çimentolu protez tam kalça yenileme ameliyatının (THA) mekanik davranışını ve ameliyat sonrası kemik-protez adaptasyonunu tahmin etmek için kullanılmıştır. İki farklı yükleme durumu olarak noktasal ve yüzeysel kas ve kalça temas kuvvetleri yürüme ve merdiven çıkma hareketleri için çimentolu THA’lı kalça eklemine uygulanmıştır. Sonlu elemanlar modeli ve analizleri, bu hareket ve protezleri dikkate alan 23 faktöriyel tasarım metoduna göre oluşturulmuştur. Sonlu elemanlar analizlerinde kemiğin katmanları olan kortikal ve trabeküler kemiklerde, protezde ve protezi kemiğe bağlamada kullanılan çimentoda oluşan maksimum von Mises gerilme değerleri belirlenmiştir. Bu verilerin istatistik analizi varyans analiziyle gözlemlenen değerler üzerinde ana faktörlerin ilişkisini ve katkısını değerlendirmede kullanılmıştır. Bu istatistik çalışma sonucunda çimentolu THA uygulamasından sonra bileşenlerin maksimum von-Mises gerilmelerinin ana faktörler ve ikili etkilerin büyük çoğunluğunda önemli ölçüde farklılıklar gösterdiği tespit edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Biyomekanik, Kalça Eklemi, Kalça Protezi, Sonlu Elemanlar Yöntemi, Faktöriyel Tasarım, ANOVA

In the study, the mechanical behavior of human hip joint with prosthesis was investigated by using statistically designed finite element method. In the scope of the study, two different cemented prostheses types namely; Charnley and Hipokrat were used for predicting bone adaptation and mechanical behavior of cemented total hip reconstructions (THR). The concentrated or distributed muscle and hip contact forces were applied to the cemented THR during walking and climbing of stairs. The finite element modeling and analyses were then pursued according to 23 factorial design method using these prostheses and activities. The maximum von Mises stresses occurred on the components of the cemented THR having the cortical and trabecular layers of bones, prosthesis and cement mantle were determined in the finite element analysis. The statistical analysis of these data was then carried out using variance analysis method to evaluate the contribution and interaction of main factors on the observed values. It was identified from this statistical study that the maximum von Mises stresses of the cemented THR’s components showed significant differences for the majority of main factors and their two-factor interactions. Key Words: Biomechanics, Hip joint, Finite Element Method, Factorial Design, ANOVA