Finite Element Analysis-Based Pre-operative Planning Applications of Tooth, Tibia, and Femur Bones

Ameliyat öncesi planlama veya eğitimde, zorlu cerrahi operasyonları kolaylaştırmak için 3D modelleme ve kişiye özgü kemik modeli kullanılabilir. Bu prosedür, 3D baskı ve simülasyonların gelişmesi nedeniyle daha etkili ve uygulanabilir hale geldi. Bunun yanında, sonlu elemanlar analizi (SEA) mekanik analiz sonuçlarına yakınsayarak kemik modellerinin ve çeşitli tıbbi ekipmanların oluşturulmasını daha hızlı ve daha güvenilir hale getirebilir. Fakat, simülasyonların ve mekanik testlerin modeller üzerindeki etkisi hala tartışmalıdır. Bu sebeple bu çalışmada femur başı ve medial malleol olmak üzere iki farklı kırığı içeren analiz 3B baskılı ve yapay kemikler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bununla beraber ortodontik tedavide ankraj kontrolü için kullanılan minividalar, en verimli uygulama yöntemleri belirlemek için simüle edilmiştir. Çalışma, gerekli tüm farklı araçlar, izlenecek yöntem ve ortaya çıkabilecek sorunlar hakkında önemli ayrıntılara girmektedir. İnteraktif tıbbi görüntüleme kontrol sistem yazılımı kullanılarak, bir hastanın alt karın bölgesinin BT taraması ve başka bir hastanın kafasının DVT taraması 3 boyutlu görüntülere dönüştürüldü. Femur, mandibula ve dişler Mimics kullanılarak bölümlere ayrıldı. Femur modelleri 3B yazıcı kullanılarak üretildi, ayrıca SEA yazılımına aktarıldı. Basma testleri, femurlar üzerinde kırık oluşana kadar uygulandı. Medial malleolus (MM) için kompozit tibia kemikleri üzerine iki farklı plak yerleştirilerek test tekrarlandı. Bunun yanında farklı minivida baş tasarımları ve uzunlukları oluşturulmuş ve farklı yerleştirme senaryoları için mandibula ve kemik bloğu üzerinde simülasyonlar tamamlanmıştır. Basma testi ve simülasyonlar arasındaki korelasyon, stres, gerinim, yer değiştirme ve başarısızlık yükü sonuçlarına göre istatistiksel olarak değerlendirildi. Deneysel analizin ve BT taramasına dayalı SEA'nın, modellerin öngördüğü gibi hem gerilim dağılımları hem de gerinim değerleri için uyumlu olduğunu sonuçlar göstermektedir (R2 =0.99). MM çalışmasında iki plak arasında önemli farklılıklar tespit edilmiştir. Minivida çalışmasında ise minimum ve maksimum gerilmeler sırasıyla 6 mm ve 10 mm uzunluklarda 18,61 MPa ve 37,11 MPa olarak hesaplanmıştır. Yerleştirme açılarına göre en düşük gerilme 60°'de, en yüksek gerilme -15°'de görülmüştür. Minivida tasarımlarında, braket başı 5,67 MPa ile en düşük von Mises gerilimini oluşturmuştur. Diğer yandan, düğme başı 22,4 MPa ile en yüksek von Mises gerilimine sahipti. Öngörülen süreç akışı ve tüm araçlar, klinik ortamlarda ameliyat öncesi planlama için ve ayrıca biyomedikal mühendisliği alanında bir eğitim aracı olarak kullanılabilir. Buna ek olarak daha uzun minivida kullanımının mandibula üzerindeki stresi arttırdığı belirlendi. Minividanın birincil stabilitesi için düşük gerilim ihtiyacı önemli olduğundan, bu çalışma braket başlı mini vidanın en uygun kafa tasarımı olduğunu göstermiştir.