Bilgisayar ortamında kemik mikro yapısının modellenmesi ve analizi

Abstract

Bu çalışmada öncelikle gözenekli kemiğe ait mekanik özelliklerin belirlenmesi hedeflenmiştir. Daha sonra gözenekli kemik ile benzer mekanik özellikleri gösterecek tekrarlı birim eleman modelleri geliştirilmeye çalışılmıştır. Gözenekli kemiğe ait üç boyutlu modelin oluşturulmasında üst kol kemiğinin mikro-CT tarayıcılar vasıtasıyla elde edilen tomogrofi görüntüleri kullanılmıştır. Bu görüntüler bilgisayar ortamına alınmış, elde edilen kesit eğrileri yardımıyla Unigraphics programında üç boyutlu katı model oluşturulmuştur. Bu model Unigraphics programında sonlu elemanlara ayrılmış daha sonra bu elemanlar ANSYS’e aktarılmıştır. Ayrıca geliştirilen dört adet tekrarlı birim eleman modelleri ANSYS’de modellenmiş ve sonlu elemanlara ayrılmıştır. Burada uygun sınır şartları ile analiz yapılmış, gerilme ve tepki kuvvetleri tespit edilmiş, diğer mekanik özellikler bu verilere göre hesaplanmıştır. Yapılan analizlerde mikro-CT görüntüleri kullanılarak oluşturulan modelin X, Y ve Z eksenleri doğrultusundaki elastisite modülleri birbirinden farklı değerler olarak bulunmuştur. Bunun nedeni modelin her doğrultuda farklı rijitliğe sahip olmasından kaynaklanmaktadır. Geliştiren tekrarlı birim eleman modellerinden model1, mikro-CT görüntülerinden oluşturulan model ile benzer özellikler ortaya koymuştur. Gözenekli kemiğin yapısı canlıdan canlıya, kemikten kemiğe ve kemiğin farklı bölgelerine bağlı olarak değişkenlik göstermesinden dolayı gözenekli kemiğe ait mekanik özellikleri belirlerken, aynı bölgeden çok sayıda kemik numunesi alınıp bunların mikro-CT yöntemiyle modellerinin oluşturulması, analiz edilmesi ve mekanik özelliklere ait ortalama değerlerin tespit edilmesi gerekmektedir. Gözenekli kemik yapısının mekanik özelliklerine ilişkin değerlerin bulunması sonucunda incelenecek kemiğin farklı bölgeleri farklı mekanik özellikleri dikkate alınarak modellenebilecek ve yapılacak analizler daha gerçekçi sonuçlar verecektir.

The purpose of this study is twofold. First, to determine the mechanical properties of cancellous bone. Second, to develop repeatable microstructure cells which have approximately same mechanical properties as cancellous bone. Micro-CT images which have taken from humerus were used to develop three dimensional model of cancellous bone. Three dimensional model was modelled in Unigraphics NX3 CAD software by using section curves of micro-CT images. The finite elements were generated also in Unigraphics then elements transferred into ANSYS. Also four repeatable microstructure cells were developed. Repeatable microstructure cells and their finite elements were generated in ANSYS. Several finite elements analysis were performed by using micro-CT model and four repeatable microstructure cells. In analysis reaction forces and streeses were observed and other mechanical properties of micro-CT model and four repeatable microstructure cells were computed using reaction forces. Results of micro-CT model have different young’s modulus in the X,Y and Z directions. The reason of these results is micro-CT model has different density in the different directions. The results of second repeatable microstructure cells were close to micro-CT model’s results. For accordance result when determinating mechanical properties of cancellous bone, lots of micro-CT models have to be analize and average results of analysis have to be determine. Repeatable microstructure cells have to be develop up to these results.