Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi

Paniz Taherzadeh; Kübra Kelleci; Sevil Özer

doi:10.17341/gazimmfd.1117009

Research Article

Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi

Year 2023, Volume: 38 Issue: 3, 1945 - 1952, 06.01.2023

Paniz Taherzadeh Kübra Kelleci Sevil Özer

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1117009

Abstract

Bu çalışmada omurganın normal şekilde stabilize edilmesine yardımcı olabilecek yeni bir pedikül- vida tabanlı posterior dinamik stabilizasyon implantı, sonlu elemanlar metotu kullanılarak tasarlanmış ve sonlu elemanlar metotu ile biyomekanik etkileri tespit edilerek karşılaştırılmıştır.
Standart sınırlarda hareket aralığını koruyan iki farklı implant ve cihaz bileşenleri SOLİDWORKS programıyla oluşturulup, hareket aralığını hesaplamak için ABAQUS CAD simülasyon programı ve MATLAB programı birlikte kullanılmıştır. Tüm cihazlarda, L4-L5 omurlarını birbirine bağlayan çubuk, vida, pim ve somun bileşenler yüksek spesifik dayanım, kırılma tokluğu, gibi avantajlı özellikleri nedeniyle titanium malzemesi seçilerek tasarlanmıştır. Lomber omurganın sağlam ve farklı implantlarla tedavi edilen modelleri, Bilgisayarlı tomografi (BT) verilerine göre fizyolojik yükleme koşulları altında simüle edilmiştir. Tasarlanan tüm cihazlar altı farklı yönde (sağ-sol eksenel dönüş, sağ-sol yanal bükme ve fleksiyon-uzama) hareket aralığı, bitişik seviye etkisi ve restorasyon yüzdeleri hesaplanmıştır. İmplant parçalarının tasarımında omurganın implant ile birlikte hareketinde kabul edilebilir değer olan %70 restorasyon yüzdesine, her yönde ulaşılmaya çalışılmıştır.
Optimum verilerin elde edildiği cihaz ile Z ve Y yönünde daha fazla restorasyon sağladığı tespit edilmiştir. Restorasyon değerleri uzama için %33, fleksiyon için %53, yanal bükülme ve eksenel rotasyonlarda ise sırasıyla %68 ve %55 'dir. Bu simülasyon çalışması ile tasarlanan pedikül-vida implantların deneysel doğrulama ve klinik denemelerden sonra uygulanabilir olacağı söylenebilir.

Keywords

Posterior dinamik stabilizasyon, Lomber omurga, Hareket aralığı, restorasyon, sonlu elemanlar methodu

References

1. Jain, P., Rana, M., Biswas, J. K., & Khan, M. R. (2020). Biomechanics of spinal implants—a review. Biomedical Physics & Engineering Express, 6(4), 042002.
2. Reisener, M. J., Pumberger, M., Shue, J., Girardi, F. P., & Hughes, A. P. (2020). Trends in lumbar spinal fusion—a literature review. Journal of Spine Surgery, 6(4), 752.
3. Akyoldas, G., Cevik, O. M., Suzer, T., Sasani, M., Oktenoglu, T., & Ozer, A. F. (2020). Dynamic stabilization of the lumbar spine using the Dynesys® system. Turkish neurosurgery, 30(2), 190-193.
4. Khalifa, A. H., Stübig, T., Meier, O., & Müller, C. W. (2018). Dynamic stabilization for degenerative diseases in the lumbar spine: 2 years results. Orthopedic Reviews, 10(1).
5. Reyes-Sánchez, A., Zárate-Kalfópulos, B., Ramírez-Mora, I., Rosales-Olivarez, L. M., Alpizar-Aguirre, A., & Sánchez-Bringas, G. (2010). Posterior dynamic stabilization of the lumbar spine with the Accuflex rod system as a stand-alone device: experience in 20 patients with 2-year follow-up. European Spine Journal, 19(12), 2164-2170.
6. Li, Y. C., Feng, X. F., Pang, X. D., Tan, J., & Peng, B. G. (2020). Lumbar disc rehydration in the bridged segment using the BioFlex dynamic stabilization system: A case report and literature review. World Journal of Clinical Cases, 8(10), 1958.
7. Wilke, H. J., Heuer, F., & Schmidt, H. (2009). Prospective design delineation and subsequent in vitro evaluation of a new posterior dynamic stabilization system. Spine, 34(3), 255-261.
8. Stoffel, M., Behr, M., Reinke, A., Stüer, C., Ringel, F., & Meyer, B. (2010). Pedicle screw-based dynamic stabilization of the thoracolumbar spine with the Cosmic®-system: a prospective observation. Acta neurochirurgica, 152(5), 835-843.
9. Schmoelz W, Huber J.F.,.Nydegger, Dipl-Ing,L.Claes,and H. J.Wilke, “Dynamic stabilization of the lumbar spine and its effects on adjacent segments: an in vitro experiment,” Journal of Spinal Disorders and Techniques, vol. 16, no. 4, pp. 418–423, 2003.
10. Hoh, D. J., Hoh, B. L., Amar, A. P., & Wang, M. Y. (2009). Shape memory alloys: metallurgy, biocompatibility, and biomechanics for neurosurgical applications. Operative Neurosurgery, 64(suppl_5), ons199-ons214.
11. Jain, P., & Khan, M. R. (2020). Biomechanical study of lumbar spine (L2-L4) using hybrid stabilization device-a finite element analysis. International Journal of Manufacturing, Materials, and Mechanical Engineering (IJMMME), 10(1), 20-32.
12. Oktenoglu, T., Erbulut, D. U., Kiapour, A., Ozer, A. F., Lazoglu, I., Kaner, T., ... & Goel, V. K. (2015). Pedicle screw-based posterior dynamic stabilisation of the lumbar spine: in vitro cadaver investigation and a finite element study. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 18(11), 1252-1261.
13. DeVries, N. A., Shivanna, K. H., Tadepalli, S. C., Magnotta, V. A., & Grosland, N. M. (2009). IA-FEMESH: anatomic FE models—a check of mesh accuracy and validity. The Iowa orthopaedic journal, 29, 48.
14. Jayanta Kr. Biswas, Masud Rana, Sandipan Roy, Santanu Majumder , Santanu Kr. Karmakar , Amit Roychowdhury,’’ Effect of range of motion (ROM) for pedicle-screw fixation on lumbar spine with rigid and semi-rigid rod materials’’, IOP Conf, 2018
15. Moumene, M., & Harms, J. (2010). Is Posterior Dynamic Stabilization an Option to Avoid Adjacent Segment Decompensation?. In Surgery for low back pain (pp. 207-211). Springer, Berlin, Heidelberg.
16. Galbusera, F., Bellini, C. M., Anasetti, F., Ciavarro, C., Lovi, A., & Brayda-Bruno, M. (2011). Rigid and flexible spinal stabilization devices: a biomechanical comparison. Medical engineering & physics, 33(4), 490-496.
17. Kang KT, Koh YG, Son J, et al. Biomechanical evaluation of pedicle screw fixation system in spinal adjacent levels using polyetheretherketone, carbon-fiberreinforced polyetheretherketone, and traditional titanium as rod materials. Compos Part B-Eng 2017; 130: 248–256.
18. Alapan Y, Sezer S, Demir C, et al. Load sharing in lumbar spinal segment as a function of location of center of rotation. J Neurosurg Spine 2014; 20(5): 542–549.

Year 2023, Volume: 38 Issue: 3, 1945 - 1952, 06.01.2023

Paniz Taherzadeh Kübra Kelleci Sevil Özer

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1117009

Abstract

References

1. Jain, P., Rana, M., Biswas, J. K., & Khan, M. R. (2020). Biomechanics of spinal implants—a review. Biomedical Physics & Engineering Express, 6(4), 042002.
2. Reisener, M. J., Pumberger, M., Shue, J., Girardi, F. P., & Hughes, A. P. (2020). Trends in lumbar spinal fusion—a literature review. Journal of Spine Surgery, 6(4), 752.
3. Akyoldas, G., Cevik, O. M., Suzer, T., Sasani, M., Oktenoglu, T., & Ozer, A. F. (2020). Dynamic stabilization of the lumbar spine using the Dynesys® system. Turkish neurosurgery, 30(2), 190-193.
4. Khalifa, A. H., Stübig, T., Meier, O., & Müller, C. W. (2018). Dynamic stabilization for degenerative diseases in the lumbar spine: 2 years results. Orthopedic Reviews, 10(1).
5. Reyes-Sánchez, A., Zárate-Kalfópulos, B., Ramírez-Mora, I., Rosales-Olivarez, L. M., Alpizar-Aguirre, A., & Sánchez-Bringas, G. (2010). Posterior dynamic stabilization of the lumbar spine with the Accuflex rod system as a stand-alone device: experience in 20 patients with 2-year follow-up. European Spine Journal, 19(12), 2164-2170.
6. Li, Y. C., Feng, X. F., Pang, X. D., Tan, J., & Peng, B. G. (2020). Lumbar disc rehydration in the bridged segment using the BioFlex dynamic stabilization system: A case report and literature review. World Journal of Clinical Cases, 8(10), 1958.
7. Wilke, H. J., Heuer, F., & Schmidt, H. (2009). Prospective design delineation and subsequent in vitro evaluation of a new posterior dynamic stabilization system. Spine, 34(3), 255-261.
8. Stoffel, M., Behr, M., Reinke, A., Stüer, C., Ringel, F., & Meyer, B. (2010). Pedicle screw-based dynamic stabilization of the thoracolumbar spine with the Cosmic®-system: a prospective observation. Acta neurochirurgica, 152(5), 835-843.
9. Schmoelz W, Huber J.F.,.Nydegger, Dipl-Ing,L.Claes,and H. J.Wilke, “Dynamic stabilization of the lumbar spine and its effects on adjacent segments: an in vitro experiment,” Journal of Spinal Disorders and Techniques, vol. 16, no. 4, pp. 418–423, 2003.
10. Hoh, D. J., Hoh, B. L., Amar, A. P., & Wang, M. Y. (2009). Shape memory alloys: metallurgy, biocompatibility, and biomechanics for neurosurgical applications. Operative Neurosurgery, 64(suppl_5), ons199-ons214.
11. Jain, P., & Khan, M. R. (2020). Biomechanical study of lumbar spine (L2-L4) using hybrid stabilization device-a finite element analysis. International Journal of Manufacturing, Materials, and Mechanical Engineering (IJMMME), 10(1), 20-32.
12. Oktenoglu, T., Erbulut, D. U., Kiapour, A., Ozer, A. F., Lazoglu, I., Kaner, T., ... & Goel, V. K. (2015). Pedicle screw-based posterior dynamic stabilisation of the lumbar spine: in vitro cadaver investigation and a finite element study. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering, 18(11), 1252-1261.
13. DeVries, N. A., Shivanna, K. H., Tadepalli, S. C., Magnotta, V. A., & Grosland, N. M. (2009). IA-FEMESH: anatomic FE models—a check of mesh accuracy and validity. The Iowa orthopaedic journal, 29, 48.
14. Jayanta Kr. Biswas, Masud Rana, Sandipan Roy, Santanu Majumder , Santanu Kr. Karmakar , Amit Roychowdhury,’’ Effect of range of motion (ROM) for pedicle-screw fixation on lumbar spine with rigid and semi-rigid rod materials’’, IOP Conf, 2018
15. Moumene, M., & Harms, J. (2010). Is Posterior Dynamic Stabilization an Option to Avoid Adjacent Segment Decompensation?. In Surgery for low back pain (pp. 207-211). Springer, Berlin, Heidelberg.
16. Galbusera, F., Bellini, C. M., Anasetti, F., Ciavarro, C., Lovi, A., & Brayda-Bruno, M. (2011). Rigid and flexible spinal stabilization devices: a biomechanical comparison. Medical engineering & physics, 33(4), 490-496.
17. Kang KT, Koh YG, Son J, et al. Biomechanical evaluation of pedicle screw fixation system in spinal adjacent levels using polyetheretherketone, carbon-fiberreinforced polyetheretherketone, and traditional titanium as rod materials. Compos Part B-Eng 2017; 130: 248–256.
18. Alapan Y, Sezer S, Demir C, et al. Load sharing in lumbar spinal segment as a function of location of center of rotation. J Neurosurg Spine 2014; 20(5): 542–549.

There are 18 citations in total.

Details

Primary Language	Turkish
Subjects	Engineering
Journal Section	Makaleler
Authors	Paniz Taherzadeh 0000-0002-7134-7285 Kübra Kelleci 0000-0002-9409-2254 Sevil Özer 0000-0002-0186-763X
Publication Date	January 6, 2023
Submission Date	May 15, 2022
Acceptance Date	September 17, 2022
Published in Issue	Year 2023 Volume: 38 Issue: 3

Cite

APA	Taherzadeh, P., Kelleci, K., & Özer, S. (2023). Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 38(3), 1945-1952. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1117009
AMA	Taherzadeh P, Kelleci K, Özer S. Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi. GUMMFD. January 2023;38(3):1945-1952. doi:10.17341/gazimmfd.1117009
Chicago	Taherzadeh, Paniz, Kübra Kelleci, and Sevil Özer. “Sonlu Elemanlar yöntemi Ile Lomber Spine Implant tasarımı Ve Biyomekanik Etkilerin Belirlenmesi”. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 38, no. 3 (January 2023): 1945-52. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1117009.
EndNote	Taherzadeh P, Kelleci K, Özer S (January 1, 2023) Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 38 3 1945–1952.
IEEE	P. Taherzadeh, K. Kelleci, and S. Özer, “Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi”, GUMMFD, vol. 38, no. 3, pp. 1945–1952, 2023, doi: 10.17341/gazimmfd.1117009.
ISNAD	Taherzadeh, Paniz et al. “Sonlu Elemanlar yöntemi Ile Lomber Spine Implant tasarımı Ve Biyomekanik Etkilerin Belirlenmesi”. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 38/3 (January 2023), 1945-1952. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1117009.
JAMA	Taherzadeh P, Kelleci K, Özer S. Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi. GUMMFD. 2023;38:1945–1952.
MLA	Taherzadeh, Paniz et al. “Sonlu Elemanlar yöntemi Ile Lomber Spine Implant tasarımı Ve Biyomekanik Etkilerin Belirlenmesi”. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, vol. 38, no. 3, 2023, pp. 1945-52, doi:10.17341/gazimmfd.1117009.
Vancouver	Taherzadeh P, Kelleci K, Özer S. Sonlu elemanlar yöntemi ile lomber spine implant tasarımı ve biyomekanik etkilerin belirlenmesi. GUMMFD. 2023;38(3):1945-52.

Article Files

Full Text