close

Enter

Log in using OpenID

Bilgisayar Destekli Tasarım ile İnsan Parçası Yapmak

embedDownload
makale
article
Bilgisayar Destekli Tasarım ile
İnsan Parçası Yapmak
Alper ERKEN
Biyoteknika Mühendislik, Medikal San.Tic.Ltd.Şti
[email protected]
Kişiye özel Vücut içi
implantların tasarımı bir
süredir artık ülkemizde
yapılabilmektedir. Özellikle
Motorlu taşıt kazaları,
endüstriyel kazalar,yüzde
bulunan kanserli bölgenin
alınması nedenleri ile
mandibula ve zigoma
(Temporal-Frontal-MaksillerSfenoid) bölgesinin doğal
yapısının bozulması,
fonksiyonunu kaybetmesi
neticesinde sorun yaşayan
hastalara, anatomileri ile
tam uyumlu “Maksilofasiyal
İmplant” tasarım ve imalatları
kişiye özel yapılabilmektedir.
Geliştirilen implantlar üst
çene, yanaklar,göz çukurları
ve şakak gibi günlük yaşamda
insan yüzünün en çok bakılan
ve dikkat çeken bölgesindeki
problemleri çözmekte, tam
anatomik ve biyouyumluluğu
ile tam bir osteoentegrasyon
sağlamaktadır.
2
Temmuz • Ağustos • Eylül 2014
V
ücut içinde bulunan organın, yüksek teknolojiye sahip görüntüleme
cihazları ile detaylı görüntüsünün çekilmesi, bu görüntünün bilgisayar destekli tasarım
yazılımlar ile çalışılabilir dataya
çevrilmesi, anatomik yapının ve
kemik özelliklerinin yanısıra, biyouyumlu malzemelerinde özelliklerinin göz önünde bulundurularak ilgili implantın varolan
problemi çözen, dokulara zar
vermeyecek şekilde tasarlanması
ve geliştirilmesi gerekmektedir.
bilgisayar destekli birleştirilmesi
çalışması yapılarak, mevcut kemik kaybı, -hasta eğer kanser
nedeniyle bu kaybı yaşamışsa
operasyon süresine kadar geçen süredeki kayıplar operasyon
sırasında alınacak bölge gibi
birtakım planlama ve operasyon
bilgileri ilgili doktor ve mühendisler tarafından tespit edilir.
*Tasarım öncesi tanı konulan ve
kemik uzvunun kaybedildiği anlaşılan hastanın detaylı tomogrofisi çekilir.
*Hastanın ağırlığı, yaşı ve biyomekanik hareketler göz önüne
alınması gereken hususlardır.
*Elde edilen kesit görüntülerinin
*Kemik yoğunluk ölçümleri, implantın ilişkide olacağı tüm kemikler için yapılır,
*Görüntü üzerinde, uzunluk,açı ve
alan ölçümleri yapılmaktadır.
makale
article
Medikal Model
Maksilofasiyal işlemlerde kritik iki
faktör, cerrah ve hasta iletişimi ile
implant hatlarının hatasız olarak
önceden belirlenebilmesidir. Hasta ile net iletişim kurabilmek, hastanın bilgilenmesi, tedavisine yönelik daha iyi karar alabilmesini
ve yerleştirilecek olan implantın
hastaya bire bir uyumu, hastanın
daha hızlı operasyona hazırlanması, daha hızlı iyileşmesi ve sonraki yaşamını daha rahat idame
ettirebilmesini sağlayacaktır. 3
Boyutlu fiziki modeller, hem cerrahlar hem de cerrahi hastaları
için değerli araçlardır.
- Implant hatlarının önceden belirlenmesi (Implant pre-contouring)
- Vida yörüngesinin belirlenmesi
(Screw trajectory)
- Vida seçimi ve yerleşimi (Screw
selection/location)
- Cerrahi aletlerin seçimi
- Teknik tatbikat
2 boyutlu tomografi ve MRI dataları ayrıştırılarak 3 boyutlu görüntüleme oluşturulur; bu data,
çok esnek bir arayüz ile hızlı prototiplemeyle 3 Boyutlu modellere
dönüştürülür.
Tasarım
• Kemik yapısına ve kemik kaybı yaşanan yerlere uygun tasarımlar, elde edilen 3D datalar
referans alınarak yapılır. Bu tasarımlar elde edilen nokta bulutu, yüzeyleri elde etme ve uygun
yerlerden referans düzlemler ve
eğriler geçirilerek yapılabileceği gibi, esnek çalışmaya izin
veren sistemlerle de yapılabilir.
Biyolojik uyumluluğa ek olarak,
implantın dayanıklı olması en
önemli temel gerekliliktir.
• Örneğin bir kemik implantının, yumuşak doku kalınlığının
az olduğu kırık bölgelerinde,
yumuşak dokuları kemikten fazla uzaklaştırması, bu dokularda
hasara neden olabilir ve komplikasyonlar gelişebilir.
• İmplant, yüksek mekanik
dayanım ve yorulma direnci
sağlamak üzere tasarlanacak
olursa, çok fazla rijit olabilir,
bu da kemiğin fizyolojik yükleri yeterince karşılayamamasına
neden olarak, kemiğin zayıf
şekillenmesine neden olabilir.
İmplantasyonun yapılabilmesi
ve implant malzemesinin seçim
kriterinde, kemiğinde mekanik
ve fiziksel özelliklerinin iyi an-
laşılması gerekir. İmplant malzeme ve onu çevreleyen doku
arasında daima mekanik ve biyolojik bir etkileşim mevcuttur.
İmplant- kemik arasındaki mukavemet, bu etkileşime bağlıdır.
• Sabitlemede kullanılacak
vida ve implantın rijitlikleri birbirine göre ve kemiğe göre belli
bir oran dahilinde değilse, vida
dişleri kemikten sıyrılabilir veya
vida kırılabilir.
İnsan anatomisine en uygun
şekilde tasarlanan implant ve
protezlerin, kullanım süresince
üzerine gelecek yüklere dayanıklı olması, kemikle ve kullanılan vidalarla olan etkileşimlerinin öngörülmesi, yorulma ve
aşınma durumlarının implant ve
protez ömrü üzerindeki etkilerinin hesaplanması önemli bir
konudur.
Vücut içi implant ve protezler,
insan vücudunun çok değişken
koşullara sahip ortamlarında
kullanılmak durumundadır. Bir
kalça eklemindeki ortalama yük
vücut ağırlığının üç katına kadar çıkabilir, sıçrama gibi faaliyetler sırasında ise bu değer vücut ağırlığının 10 katı olabilir.
Vücudumuzdaki bu gerilmeler
ayakta durma, çiğneme, oturma ve koşma gibi faaliyetler sırasında sürekli tekrarlanır.
Elastisite modülü, akma gerilmesi ve maksimum gerilme,
malzemenin mekanik dizaynını
belirleyici üç parametredir. Bu
üç parametre rijitliğin, deforme
olabilirliğin ve mukavemetin ölçülmesinde kullanılır.
Temmuz • Ağustos • Eylül 2014
3
makale
article
Kemiğin mekaniksel
özellikleri
Kemik makro düzeyde kortikal (veya kompakt) ve kanselloz
(veya trabeküler) olmak üzere iki
bölüme ayrılır. Bu iki yapı yoğunluk ve porozitelerinden ayrılabilir.
Yoğunluktaki küçük değişimler,
mukavemet ve elastisite modülü
değerlerinde büyük değişimlere
neden olur. Yoğunluktaki değişimler ayrıca yaşlanmaya, hastalığa ve kemiği kullanma ya da
kullanmamaya bağlıdır. Kemiğin
mekanik özellikleri incelenirken
daha çok kortikal kemik referans
olarak alınmaktadır ve kanselloz
kemik daha az dikkate alınmaktadır. Kanselloz kemiğe ait değerler kortikal kemiğe ait olanlara
göre oldukça düsüktür. Örneğin
kortikal kemiğin elastisite modülü
17 GPa iken, kanselloz kemiğinki
75,5 MPa’dır.
Kortikal kemik yoğun bir maddedir ve maksimum 1,8 g/cm3
yoğunluğa sahiptir, bağıl yoğunluğu ise 0,7-0,95 arasında değişir. Kanselloz (trabeküler) kemik
trabeküle denen kısa çubuk seklinde kemik maddesinden oluşur
ve süngerimsi bir görünüşü vardır. Kanselloz kemik ise daha çok
kortikal kemiğin iç yüzeyinde ve
uzun kemiklerin uç kısımlarında
bulunur. Her iki kemikte temelde
aynı maddeden meydana gelir.
Bileşenlerin düzensiz fakat optimize olmuş aranjman ve oryantasyonu kemik malzemesini heterojen ve anizotropik yapar.
İskelet sistemi iç organları koruyan, sağlam bir kinematik link
oluşturan, kaslara yapışma yeri
4
Temmuz • Ağustos • Eylül 2014
sağlayan ve bu sayede vücut hareketlerini destekleyen bir yapıdır. Kemiğin biyomekaniği de bu
kompleks görevleri yapabilmesi
için özelleşmiştir. Kemik kendini
tamir edebilen, internal yapısını
ve konfigürasyonunu değişen mekanik ihtiyaçlara göre ayarlayabilen bir dokudur. Uzun süre devam
eden aşırı yüklenme ya da az yüklenme mutlaka kemik densitesini
değistirir. Demir ile karşılaştırıldığında kemik 3 kat hafif, 10 kat
esnektir. Kollajen içerik burulma,
mineral içerik ise basmaya karşı dirençten sorumludur. Burada
iki önemli terim mukavemet ve
rijitliktir.(Ref. Ebru Işık Gökçek,
Y.Lisans tezi, “Ortopedik implant
ve protez tasarımı için biyomalzemelerin mekaniksel özelliklerinin
araştırılması”)
Mühendisler, kişiye özel tasarımları yaparken, sonlu elemanlar
yöntemlerini kullanarak, çalışma
modeli oluşturulmuş vakaların,
bilgisayar destekli analizlerini
yapmaktadırlar.Çıkan sonuçların
değerlendirilmesi ile tasarımlara
yön verilmektedir.
Keza vaka analizlerinde en zor
durumlar için biyomekanik laboratuvar testleri zaten yapılmaktadır, bu test değerleri ile analiz
sonuçları karşılaştırılmakta ve
uygunluk raporları çıkarılarak tasarım dosyalarına eklenmektedir.
Maksimum mukavemeti geçen
gerilmelerle oluşan kırılma hatalarına ek olarak, malzemeler
yorulma ile de hata verebilir.
Yorulma kırılmaları, implantların
mekanik hatalarının en büyük
kaynaklarından birisi olarak gösterilir. Sonlu elemanlar yöntemini
kullanan nonlineer analiz yazılımları ile yorulma hesaplamaları
yapılabilmekte ve tasarımlara yön
verilebilmektedir.
Üretim
Malzeme ve imalat teknoloji geliştirmelerin geldiği son noktada
titanyum (Ti)alaşım tozları, yüksek teknoloji ile katman katman
birleştirilerek, gözenekli ve yoğun
yapıda kompleks geometrileri
oluşturabilmektedir.Ti6Al4V 1100
ºC-1350 ºC sıcaklık arasında
gaz ortamında sinterlenmektedir.
Sinterleme ile, tane temas noktalarının büyümesi sonucu özgül
yüzey alanının küçülmesine, gözenek hacminin azalması veya
küreselleşmesi, yapıda oluşabilecek atom boşlukları, dislokasyon
gibi kristal hataların azaltılması
sağlanmaktadır.
Author
Document
Category
Uncategorized
Views
0
File Size
370 KB
Tags
1/--pages
Report inappropriate content