Kemik Adaptasyonunun Bilgisayar Ortamında Simüle Edilmesi

Abstract

Kemikler; herkesçe bilinen özelliklerinin yanı sıra büyüyen, gelişen, hasar durumunda kendini onaran ve bulunduğu ortama iç yapısını ve dış şeklini değiştirerek adapte olabilme özelliğine sahip canlı dokulardır. Yaşam boyunca devam eden bir süreç olan iç yapının adaptasyonu; kişinin bünyesel özelliklerine ve maruz kaldığı mekanik yüklere bağlıdır. Bu parametrelerden kemik adaptasyonunu en çok etkileyeni Wolff Yasaları olarakta bilinen kemiğin maruz kaldığı mekanik yüklere karşı gösterdiği davranıştır ve yalnızca bu davranışı içeren bir adaptasyon algoritmasının oluşturulması karşılaşılan çoğu durumu açıklamak için yeterli olmaktadır. Bu çalışmada adaptasyon sürecini simüle edebilmek için adaptif elastisite teorisi esaslarından yararlanışmıştır. Teoriye göre yüklemelerde veya sistemde anormal bir değişiklik olduğunda kemik uyarılacak ve yeniden denge durumuna gelebilmek için kendi iç yapısını yani trabeküler kemiğin dağılımını değiştirecektir. Bu teori esas alınarak geliştirilen adaptasyon algoritması sonlu elemanlar programına uygun şekilde monte edilmiştir. Bu algoritmanın şu ana kadar incelenenlere göre en büyük avantajı yükleme gibi saniyeler bazında gerçekleşen bir olay ile adaptasyon gibi günler bazında gerçekleşen bir sürecin iki ayrı fazda ele alınmasını sağlayan yapısıdır. Validasyon için femur kemiğinin yürüme sırasında, diş implantının çevresindeki çene kemiğinin ise çiğneme etkisinde yoğunluk dağılımının zaman içindeki değişimine bakılmış, literatür ile uyuşan sonuçlar gözlemlenmiştir. Gerekli validasyonlardan sonra, L3 segmentini içeren lumbar modeli hazırlanmış ve segmente uygulanmış vida çevresinde bulunan kortikal ve trabeküler yapıdaki kemiklerde günlük yüklemeler sırasında oluşabilecek yapım ve yıkım süreci incelenmiştir. Klinikle örtüşen sonuçlara ulaşılmıştır.

Beside the well known functions, bones are capable of growing, repairing itself in a case of fracture and changing its internal structure and external shape constantly to adapt the environment. The lifelong remodeling process modified by a lot of parameter such as; sex, age, race, hormonal, physilogical conditions and mechanical activities. The most influental one is the response of bone to mechanical loading conditions which is also known as Wolff s Law and developing an algorithm based on mechanical activities is sufficient enough for most of the cases. In this study, a model that based on adaptive elasticity theory is proposed which claims that when a change of load or abnormal state occurs, bone is stimulated to adapt its mass to regain the equilibrium state. So driving force of remodeling is the difference between homeostatic state and actual state. The developed remodeling algorithm is implemented to a finite element software program properly. The most important advantage of the algorithm is its structure which decouples the loading cycles (short term events which occur in order of seconds) and the remodeling process (long term events which occur in order of days). Algorithm has been validated against density distribution of proximal femur during gait cycle and density distribution of implant induced mandibula during mastication. Good agreement has been observed with the results available in the literature. After validations, new method is applied to investigate bone remodeling around lumbar pedicle screw and results are found to be consistent with clinical observations.