BİYOMEKANİK ve ANATOMİDE UYGULAMALARI Turgut Tümer Ergin Tönük ODTÜ, Makina Mühendisliği Bölümü Anatomi Doktora Programlarına İlginin Artışı ve Nedenleri Ankara Üniversitesi 15 Mayıs, 2004 Ankara

Sunum Planı Mekanik ve Biyomekanik Biyomekanik Uygulamaları ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümü’nde Biyomekanik Araştırmaları

Mekanik: Biyomekanik: Cisimlerin kuvvet altındaki davranışlarını (hareket ve deformasyonlarını) inceleyen fizik bilim alanının bir dalı. Biyomekanik: Mekaniğin, özellikle insan vücudundaki biyolojik malzemelere ve sistemlere uygulanması. Mühendislik mekaniğini biyoloji, tıp ve fizyoloji alanlarıyla buluşturan bilim dalı.

Mekanik Akışkanlar Mekaniği Katı Cisimler Mekaniği Rijit Cisimlerin Mekaniği Sıvı ve Gaz Statiği Sıvı ve Gaz Dinamiği Şekil Değiştiren Cisimlerin Mekaniği Mechanics itself is a very broad topic. Here I will limit the discussion to the mechanics topics a mechanical engineer commonly deals with. Therefore, topics like quantum mechanics is out of the scope of our talk and I will limit myself to so-called classical (or Newtonian) mechanics. We may classify mechanics according to the type of body we are dealing with. The first distinction then can be solid mechanics and fluid mechanics. Fluid is a substance that can flow, therefore liquids and gasses are treated as fluids. The remaining, third common state of matter, solid is dealt in solid mechanics. Solid mechanics may further be divided into rigid body mechanics and deformable body mechanics. Fluid mechanics may further be divided as fluid statics which deals with stationary condition of fluids and fluid dynamics, dealing with fluids in motion. The classification further continues, which I will not go into the details. Statik Dinamik Kinematik Kinetik

Femur kırığı tedavisinde traksiyon

Yük kaldırmada L5/S1 eklem kuvveti

Tibia’daki gerilmeler a-a kesitinde iletilen yük: Vücut ağırlığının 4,5 katı a-a kesitindeki gerilme: Akma sınırı/2 ; Kırılma sınırı/3 Van Buskirk (1991): Tibia boyunca düzgün gerilme dağılımı !

Biyomekaniğin kullanıldığı alanlar (1/2) Tanı: Biyomekanik hastalık, yıpranma / yaşlanma kaza ve zorlamalar sonucunda, özellikle insan makinesinde oluşan işlevsel bozuklukları tanımlamak amacıyla, fizyolojik işlevleri izlemek ve bunlarla ilgili veri toplamak için kullanılmaktadır. Today biomechanics is used to understand why biological systems (and mainly human beings) have problems (especially mechanical problems) due to disease, due to getting older, due to normal use of an organ or due to accidents or abuse of an organ.

Biyomekaniğin kullanıldığı alanlar (2/2) Tedavi: Biyomekanik, canlı sistemlerin tedavi ve rehabilitasyonu amacıyla kullanılmaktadır. Yapay organlar ve destek cihazları: Biyomekanik, protez vb. yapay organların, ortez vb. destek cihazlarının tasarımı, imalatı ve ayarlanması için kullanılmaktadır. Temel Tıp ve Klinik Araştırma: Biyomekanik, hastalıklar hakkında yeni bilgi elde edilmesinde ve anatomik yapıların incelenmesi ve işlevlerinin tanımlanmasında bir araç olarak kullanılmaktadır. Today biomechanics is used to understand why biological systems (and mainly human beings) have problems (especially mechanical problems) due to disease, due to getting older, due to normal use of an organ or due to accidents or abuse of an organ.

Biyomekaniğin kısa tarihçesi Aristo (M.Ö. 384-322) Hayvan lokomosyonu Leonardo Da Vinci (1452-1519) Yürüme, zıplama, ayakta durma, oturma vb. aktivitelerin biyomekaniği. Galileo (1564-1643) Fizyolojik işlevlerin matematiksel analizi. William Harvey (1578-1657) Biyolojik akışkanların (sıvıların) mekaniği. Alfonso Borelli (1608-1679) Biyolojik katı cisimlerin mekaniği, kas gerilmesi. Weber & Weber (1830) Kadavralarda insan yürüyüşünün zamanlaması. Marey (1873) In-vivo yürüyüş analizi..... When we check the history of biomechnics, contrary to common belief, it is a rather old branch of science. The first known biomechanics stidies were done by Aristotale in the fourth century before Christ. He analyzed locomotion in animals. In late fifteenth and early sixteenth century Da Vinci analyzed mechanics of various activities like standing, walking, sitting, jumping, etc. Later Galileo performed mathematical analysis of some physological functions. Around the same era, Harvey worked on fluid mechanics and Borelli on solid mechanics of biological systems. The biomechanics research and applications then started to accelerate.

Günümüzde biyomekanik uygulamaları (1/2): Lokomosyon (yürüme, koşma, ...) Organlarda kuvvet-hareket ilişkisi Yük kaldırma, tırmanma, fırlatma gibi aktivitelerin modelleme ve simülasyonu İnsan eklemlerinin modellenmesi (ayak bileği, diz, dirsek, kalça, omurga, omuz, ...) Spor biyomekaniği ve fiziksel performans Kas mekaniği

Günümüzde biyomekanik uygulamaları (2/2): Protez, ortez ve implantlar Neuro-muscular kontrol (postür analizi gibi) Tanı ve tedavi için yöntem ve cihazlar Kırık (kemik), ruptür (tendon, bağ) Hücre çoğalması Doku mühendisliği Dolaşım sisteminde kan akışı Akciğerde hava akımı

ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümünde Biyomekanik Araştırmalar - 1 Yük kaldırma, zıplama, tekerlekli sandalye ile hızlanma aktivitelerinin modellenmesi Spor biyomekaniği (okçuluk, futbolda kafa vuruşu, voleybolda zıplama) Eklem modellemesi (diz, omuz) Yürüyüş analizi

Diz Ekleminin Dinamik Modeli

Omuz İçin Kinematik Model (Geometrik hareket sınırları – Joint sinus cone ) Dempster (1965): Kadavra Çalışması

Yürüyüş Analizi – Biyomekanik parametreler Zaman-uzaklık parametreleri: Kadans, hız, adım uzunluğu, iki-adım uzunluğu, yürüyüş çevriminin zamanlaması,... Yer tepki kuvvetleri Eklem açıları (ayak bileği, diz, kalça) Eklem momentleri Eklem güçleri Pelvis hareketi Enerji harcanımı (mekanik / metabolik) EMG kayıtları

ODTÜ Yürüyüş Analizi Sistemi - KISS Hareket ölçümü İşaret noktaları 6 IR video kamera Kuvvet ölçümü 2 Kuvvet platformu Yardımcı ekipman Kalibrasyon, linearizasyon Modele dayalı hesaplamalar EMG

Yürüyüş Deneyi

KISS Protokolü: İşaret (referans) noktaları

Biyomekanik modelleme

(49 yaşında erkek, Sağ topuk kırığı, Konservatif tedavi Örnek: Topuk kırığı Kırık Normal Eklem momenti Eklem gücü (49 yaşında erkek, Sağ topuk kırığı, Konservatif tedavi

ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümünde Biyomekanik Araştırmalar - 2 Yumuşak doku mekanik özellikleri Dental implantlar Tıbbi görüntülemeden yüzey modelleme Fibula hareketinin araştırılması

Canlı Yumuşak Dokuların Malzeme Özelliklerinin Araştırılması (Gülhane Askeri Tıp Akademisi Ortopedi ve Travmatoloji Anabilim Dalı ve Protez-Ortez Laboratuarı ile) Diz altı amputasyon cerrahisi geçirmiş gönüllü bireylerin amputasyon güdüğü- protez soketi mekanik etkileşimini daha iyi anlayabilmek için kas-iskelet sistemi ile protez soketi arasındaki tek arayüzü oluşturan yumuşak dokuların karmaşık mekanik malzeme özellikleri hakkında daha ayrıntılı bilgi edinmek için yumuşak doku deneyleri yapacak bir cihaz tasarlanmış ve üretilmiştir. Aynı cihaz ile in vivo veya in vitro yumuşak doku deneyleri yapılabilir. Another research conducted in our department is so-called soft tissue identification. This research is focused on below knee (or so-called trans tibial) amputees. The soft tissue of the residual limp is the mechanical interface that carries the body weight during ambulation. In a healthy person, the soft tissue of the foot forms this interface, and is resistant to weight bearing. However the soft tissue of the residual limb is not “designed” for this purpose and does not perform in weight carrying as good as foot soft tissue. This causes problems in amputees. Therefore, with Gülhane Military Medical Academy, we started an investigation on residual limb soft tissues. Our goals are to understand the mechanical behavior of residual limb soft tissues, to construct a residual limb model on computer and finally design better prosthesis.

Dental İmplantlar Değişik tipte implantların kemikle etkileşiminin bilgisayar ortamında modellenmesi ...by using these estimated material coefficients we simulate the loading condition of the whole residual limb with different prostheses and walking conditions to see the areas of stress concentration (which causes discomfort) etc. on a computer model.

Tıbbi Görüntüleme Tekniklerinden Üç Boyutlu Model Oluşturma Bilgisayarlı tomografi, manyetik rezonans gibi tıbbi görüntüleme yöntemlerinden üç boyutlu katı model oluşturulması ...by using these estimated material coefficients we simulate the loading condition of the whole residual limb with different prostheses and walking conditions to see the areas of stress concentration (which causes discomfort) etc. on a computer model.

Alt Ekstremite Deformitelerinin Belirlenmesi ve Fibulanın Dinamik Fonksiyonlarının Araştırılması (Dr. Muhittin Ülker Acil Yardım ve Travmatoloji Hastanesi, Ankara Üniversitesi Anatomi Anabilim Dalı) Taze kadavralarda ayak bileği hareketi ile fibulanın tibiaya göre bağıl hareketinin araştırılması için bir aparat tasarımı, üretimi ve kullanımı Another research we have started recently is with Dr. Muhittin Ülker Acil Yardım and Travmatoloji Hospital or more commonly known as “Trafik Hastanesi” is about determination of lower extremity (i.e. legs) deformities. These two pictures are three dimensional reconstruction of the bones just below the knee joint. The blue bone, which is larger is so-called tibia and the yellow bone which is smaller is so-called fibula. Since these bones do not have regular geometries like machine elements we first try to establish a measuerement technique. Then we make measurements on healthy individuals and individuals with clinical sympoms to determine the “normal” and “deformed”. Further we will try to determine the relation between the clinical symptoms and the measured deformities. After locating the mechanical problems (i.e. deformities in the bones) treatment planning may be done. Further, the gait patterns of “deformed” patients before and after the treatment may be evaluated.

Alt Ekstremite Deformitelerinin Belirlenmesi ve Fibulanın Dinamik Fonksiyonlarının Araştırılması (Dr. Muhittin Ülker Acil Yardım ve Travmatoloji Hastanesi, Ankara Üniversitesi Anatomi Anabilim Dalı) Bu çalışmalar sırasında daha önce dokümante edilmemiş meniskofibular ligaman “keşfedildi”. Another research we have started recently is with Dr. Muhittin Ülker Acil Yardım and Travmatoloji Hospital or more commonly known as “Trafik Hastanesi” is about determination of lower extremity (i.e. legs) deformities. These two pictures are three dimensional reconstruction of the bones just below the knee joint. The blue bone, which is larger is so-called tibia and the yellow bone which is smaller is so-called fibula. Since these bones do not have regular geometries like machine elements we first try to establish a measuerement technique. Then we make measurements on healthy individuals and individuals with clinical sympoms to determine the “normal” and “deformed”. Further we will try to determine the relation between the clinical symptoms and the measured deformities. After locating the mechanical problems (i.e. deformities in the bones) treatment planning may be done. Further, the gait patterns of “deformed” patients before and after the treatment may be evaluated.

dinlediğiniz için teşekkürler