BİYOMEKANİK Dr. Ergin Tönük Orta Doğu Teknik Üniversitesi

... konulu sunumlar: "BİYOMEKANİK Dr. Ergin Tönük Orta Doğu Teknik Üniversitesi"— Sunum transkripti:

1 BİYOMEKANİK Dr. Ergin Tönük Orta Doğu Teknik Üniversitesi
Makina Mühendisliği Bölümü Biyomedikal Mühendisliği Disiplinlerarası Lisansüstü Programı BIOMATEN Biyomalzeme ve Doku Mühendisliği Mükemmeliyet Merkezi

2 Konuşmacı Hakkında ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümü Lisans Öğrencisi ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümü Yüksek Lisans Öğrencisi ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümü Doktora Öğrencisi ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümü Araştırma Görevlisi Marquette Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği Bölümü Misafir Öğretim Üyesi Marquette Üniversitesi Mühendislik Mekaniği Bölümü Yarı Zamanlı Öğretim Üyesi 1999 ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümü Öğretim Görevlisi ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümü Yardımcı Doçent 2001- ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümü Biyomekanik Laboratuarı Sorumlu Öğretim Üyesi 2002- ODTÜ Biyomedikal Mühendisliği Disiplinlerarası Lisansüstü Programı Öğretim Üyesi 2007- ODTÜ BIOMATEN Biyomalzeme ve Doku Mühendisliği Mükemmeliyet Merkezi Yönetim Kurulu Üyesi 2011- Makina ve İnovasyon Topluluğu

3 Konuşma Hakkında Mekanik ve Biyomekanik
Makina Mühendisliği Bölümündeki Bazı Biyomekanik Çalışmaları KISS Yürüme ve Hareket Analizi Sistemi Yumuşak Biyolojik DokuModelleme Çalışması Diğer Biyomekanik Çalışmaları ve İşbirlikleri Makina ve İnovasyon Topluluğu

4 (Klasik) Mekanik (1/2) Mekanik, cisimlerin kuvvetler altındaki davranışını inceleyen fiziksel bir bilim dalıdır. Cisimler kuvvetler altında hareket edebilir veya şekil değiştirebilir. Gerçek yaşamda genellikle hareket ve şekil değiştirme birlikte gerçekleşir. Makina ve İnovasyon Topluluğu

5 (Klasik) Mekanik (2/2) Şekil değiştirmeyen cisimlerin hareketini inceleyen bilim dalı dinamiktir. Şekil değiştiren cisimlerin davranışını inceleyen çok sayıda bilim dalı (elastisite, plastisite, viskoelastisite, akışkanlar mekaniği v.b). Olsa da tümü sürekli ortam mekaniği adlı daha büyük bir bilim dalının altında incelenir. Makina ve İnovasyon Topluluğu

6 (Klasik) Mekanik Yasaları (1/3)
Newton Yasaları: 1. 2. 3. Etki-tepki yasası Parçacık, cisim veya sürekli ortamda tüm kuvvetlerin eşit ve zıt yönlü bir tepkisi vardır. Makina ve İnovasyon Topluluğu

7 (Klasik) Mekanik Yasaları (2/3)
Termodinamik Yasaları: 1.Bir sistemin enerji düzeyi o sisteme ısı geçişi veya sistem üzerinde iş yapılmasıyla arttırılabilir. Kütle ve enerji yoktan var edilemeyeceği gibi yok da edilemez, ancak birbirlerine dönüştürülebilirler. 2. Madde ve enerjinin kalitesi zaman geçtikçe azalır. Bu azalış aynı zamanda zamanın yönüyle ilgili de bilgi verir. Makina ve İnovasyon Topluluğu

8 (Klasik) Mekanik Yasaları (3/3)
Sürekli Ortam Mekaniğinin Belitleri: 1. Sürekli bir ortamdan oluşan cisim, kuvvetlerin etkisi altında da sürekli ortam olmaya devam eder. 2. Gerilme (iç tepki kuvveti yoğunluğu) ve gerinme (şekil değiştirme ölçütü) her matematiksel noktada tanımlıdır. 3. Bir noktadaki gerilme aynı noktadaki gerinme ile aynı noktadaki gerinmenin tarihçesine bağlıdır (malzeme yasaları). Makina ve İnovasyon Topluluğu

9 Biyomekanik Mekanik ilkelerinin biyolojik sistemlere uygulanmasından ibarettir. Olanların ayrıntısının anlaşılması Belirli koşullar altında neler olabileceğinin kestirilmesi Bilgisayar modelleri kullanılarak gerçekleştirilmesi zor deneylerin sanal ortamda yapılması Makina ve İnovasyon Topluluğu

10 Biyomekanik, Tarihçe Aristotale (M. Ö. 384-322) Hayvanların hareketi
Leonardo Da Vinci ( ) Yürüme, oturma, uçma, yüzme v.b. Mekaniğinin modellenmesi Galileo ( ) Fizyolojik fonksiyonların matematik modellemesi William Harvey ( ) Biyo-akışkanlr mekaniği Alfonso Borelli ( ) Biyo-katı cisim mekaniği ve kasların kuvvet üretmesi Weber & Weber (1830) İnsan yürümesinin kadavrada (in vitro) incelenmesi Marey (1873) İnsan yürümesinin yerinde-canlı (in vivo) incelenmesi... Makina ve İnovasyon Topluluğu

11 Makina Mühendisliği Bölümünde Yürüttüğümüz Biyomekanik Çalışmaları
Makina ve İnovasyon Topluluğu

12 Kiss* Yürüyüş ve Hareket Analizi Sistemi
*Kiss: Kas İskelet Sistemi/ Kinematic Support System Makina ve İnovasyon Topluluğu

13 Kiss Yürüyüş ve Hareket Analizi Sistemi (1/8)
Prof. Dr. S. Turgut TÜMER Kiss Türkiye’deki ilk yürüyüş ve hareket analizi sistemidir. Hazır bileşenlerden ülkemiz olanaklarıyla geliştirilmiş ilk yürüyüş ve hareket analizi sistemidir. Hekimlere tanılama, tedavi planlama, tedavi değerlendirme konularında yardımcı olmak dışında yürüttüğümüz araştırmalar: Yeni yürüyüş inceleme protokolleri, Yürüyüş ve hareket inceleme için yeni mekanik modeller geliştirme, Değişik patolojilerin yürüyüşte neden olduğu mekanik değişiklikleri inceleme, Daha gelişmiş eklem modelleri geliştirme, Mevcut sistemin güncellenmesi. Makina ve İnovasyon Topluluğu

14 Kiss Yürüyüş ve Hareket Analizi Sistemi (2/8)
Hareket algılama (kinematik veri toplama) Kızılaltı geçirgen filtre takılmış PAL güvenlik kameraları Objektif çevresinde kızılaltı ışık kaynağı Makina ve İnovasyon Topluluğu

15 Kiss Yürüyüş ve Hareket Analizi Sistemi (3/8)
Hareket algılama (kinematik veri toplama) Objektifteki optik bozunmalara karşı doğrusallaştırma Makina ve İnovasyon Topluluğu

16 Kiss Yürüyüş ve Hareket Analizi Sistemi (4/8)
Hareket algılama (kinematik veri toplama) Kameraların kalibrasyonu Makina ve İnovasyon Topluluğu

17 Kiss Yürüyüş ve Hareket Analizi Sistemi (5/8)
Hareket algılama (kinematik veri toplama) Deneğin belirli anatomik noktalarına yapıştırılmış yansıtıcı işaretleyici noktaları Makina ve İnovasyon Topluluğu

18 Kiss Yürüyüş ve Hareket Analizi Sistemi (6/8)
Hareket algılama (kinematik veri toplama) İşaretleyici noktalarının bilgisayarda üç boyutlu yeniden yapılandırılması Makina ve İnovasyon Topluluğu

19 Kiss Yürüyüş ve Hareket Analizi Sistemi (7/8)
Kuvvet Ölçümü (Kinetik Veri Toplama) Altı eksenli kuvvet platformları aracılığıyla yer tepki kuvvetlerinin her iki ayak için ayrı ayrı ölçülmesi Makina ve İnovasyon Topluluğu

20 Kiss Yürüyüş ve Hareket Analizi Sistemi (8/8)
Yürüyüşün Her Anı için Model Üzerinde Hesaplamalar Anatomik eksenlerde eklem açıları Anatomik eksenlerde eklem tepki kuvvet ve momentleri Anatomik eksenlerde üretilen eklem güçleri Makina ve İnovasyon Topluluğu

21 Yumuşak Biyolojik Doku Modelleme Çalışmaları
Makina ve İnovasyon Topluluğu

22 Şekil Değiştirebilir Katı Mekaniği
Makina mühendisliğinde yapıların yük altındaki davranışını kestirebilmek için uzun zamandır başarı ile kullanılan modelleme yazılımlarına sahibiz. Makina ve İnovasyon Topluluğu

23 Şekil Değiştirebilir Biyomalzeme Mekaniği
Anılan yazılımlar biyomalzemelerin karmaşık iç yapısı ve değişik mekanik davranışı nedeniyle ne yazık ki biyomekanik alanında makina, inşaat veya elektrik mühendisliğinde gösterdiği başarı düzeyine ulaşamamıştır. Makina ve İnovasyon Topluluğu

24 Deformable Solid Biomechanics
For conventional engineering materials, to identify the material properties one may perform extensive material tests. For many common engineering materials these mechanical properties are already tabulated. Makina ve İnovasyon Topluluğu

25 Deformable Solid Biomechanics
For biological materials, performing material tests is more complicated due to: Large physiological strains commonly encountered Nonlinear and non-elastic material behavior Maintaining physiological conditions and homeostasis during experiments Pronounced directional behavior (anisotropy) Makina ve İnovasyon Topluluğu

26 Deformable Solid Biomechanics
Result: Improperly identified or over-simplified material models used in the powerful tool of engineering Non-realistic and non-predictive computer models Finite element or boundary element techniques found limited use in soft tissue biomechanics! Makina ve İnovasyon Topluluğu

27 Problem: Malzeme Modeli
Makina ve İnovasyon Topluluğu

28 İndentör Deneyleri Yerinde-canlı (in vivo) Kolay Girişimci değil
Çeşitli Değişik hızlarda devirli yükleme Değişik hızlarda gevşeme Değişik hızlarda sünme Eliptik uçlarla düzlemsel eşyönsüzlüğün belirlenebilmesi Makina ve İnovasyon Topluluğu

29 İndentör Deneyleri Deney sonuçları ayrıntılı son-işleme gerektirir
Deney koşulları üzerindeki denetim sınırlıdır Makina ve İnovasyon Topluluğu

30 In-Vivo Soft Tissue Testing System
For accurate computer modeling of soft tissue mechanical behavior we need to perform “material testing” on living soft tissues. We have developed a soft tissue indenter to perform tests on soft tissues in vivo. Makina ve İnovasyon Topluluğu

31 Yumuşak Doku Deney Sistemi: İndentör
2003 Gülhane Sakeri Tıp Akademisi Makina ve İnovasyon Topluluğu

32 Deney Birimi Deney Ucu Yük Hücresi Adım Motor
Makina ve İnovasyon Topluluğu

33 Switching Power Supply
Indenter Test System  Data Acquisition Card 220 V~ Switching Power Supply 12 V DC Step Motor Driver Card 15 V DC V/F Converter 0-5 V DC 0~5 V DC 1~1000 Hz USB Step Motor Loadcell Control Box Test Unit Centronix Connector Portable Computer Non-Rotational Bearing Enable& Direction Force Soft Tissue Interface Makina ve İnovasyon Topluluğu

34 Switching Power Supply
 Data Acquisition Card 220 V~ Switching Power Supply 12 V DC Step Motor Driver Card 15 V DC V/F Converter 0-5 V DC 0~5 V DC 1~1000 Hz USB Step Motor Loadcell Control Box Test Unit Centronix Connector Portable Computer Non-Rotational Bearing Enable& Direction Force Soft Tissue Interface Indenter Test System Makina ve İnovasyon Topluluğu

35 Deney Sonucu Alışma Etkisi Makina ve İnovasyon Topluluğu

36 Deney Sonucu F d Makina ve İnovasyon Topluluğu

37 Deney Sonucu Malzeme Modeli
? Evrik Sonlu Elemanlar Modeli Makina ve İnovasyon Topluluğu

38 Evrik Sonlu Elemanlar Modeli
Geometri biliniyor Sınır koşulları biliniyor Malzeme yasası ve ilgili sayısal sabitler bilinmiyor Sistem yanıtı biliniyor Makina ve İnovasyon Topluluğu

39 Evrik Sonlu Elemanlar Modeli
Modeli oluştur Sınır koşullarını uygula Uygun malzeme yasasını seç, sayısal sabitleri tahmin et Sanal dokunun yanıtını analiz sonucu elde et ve deneysel sonuç ile karşılaştır Sanal dokunun sayısal sabitlerini, sanal deney sonucunu gerçek deney sonucuna yaklaşacak biçimde güncelle Makina ve İnovasyon Topluluğu

40 Evrik Sonlu Elemanlar Modeli
Makina ve İnovasyon Topluluğu

41 Evrik Sonlu Elemanlar Modeli
Makina ve İnovasyon Topluluğu

42 Inverse Finite Element Method
Makina ve İnovasyon Topluluğu

43 Inverse Finite Element Method
Makina ve İnovasyon Topluluğu

44 Inverse Finite Element Method
Makina ve İnovasyon Topluluğu

45 Elastik Malzeme Modeli
James-Green Simpson hiperelastik malzeme modeli (eksenel simetrik model için güncellenmiş*): W: Gerinim enerjisi yoğunluğu I: Green-Lagrange büyük gerinme tensörünün birinci değişmezi * TÖNÜK, E., SILVER-THORN, M. B., “Nonlinear Elastic Material Property Estimation of Lower Extremity Residual Limb Tissues”. IEEE, Transactions on Rehabilitation Engineering Vol 11, No 1, pp , March 2003 Makina ve İnovasyon Topluluğu

46 Inelastik Malzeme Modeli
James-Green-Simpson malzeme modelinin viskoelastik uzantısı*: W0: Elastik gerinme enerjisi yoğunluğu t1 ve t2 kısa ve uzun dönem gevşeme zaman sabitleri d1 ve d2 kısa ve uzun dönem gevşeme oranları * TÖNÜK, E., SILVER-THORN, M. B., Nonlinear Viscoelastic Material Property Estimation of Lower Extremity Residual Limb Tissues, ASME Journal of Biomechanical Engineering v. 126, pp , April 2004. Makina ve İnovasyon Topluluğu

47 Evrik Sonlu Elemanlar Yöntemi - Gevşeme
Makina ve İnovasyon Topluluğu

48 Evrik Sonlu Elemanlar Yöntemi - Sünme
Makina ve İnovasyon Topluluğu

49 Düzlemsel Eşyönsüzlüğün Kestirilmesi*
PETEKKAYA, A. T., TÖNÜK, E., Yumuşak Biyolojik Dokuların Düzlemsel Eşyönsüz Mekanik Davranışının Bireye ve Noktaya Özel Belirlenmesi için Elipsoid Uçlarla Yerinde Canlı (İn Vivo) İndentör Deneyleri, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 26, Sayı 1, Sayfa: 63-72, Mart 2011 Makina ve İnovasyon Topluluğu

50 Ongoing Research Experimental Procedure Material Model
Renovation of present indenter device Verification of indenter test protocols Effect of indenter tip geometry Ways to obtain cleaner data Material Model Different strain energy functions Different inelastic material models Makina ve İnovasyon Topluluğu

51 Goal Accurate finite element models of mechanical interaction of soft tissue with its environment Makina ve İnovasyon Topluluğu

52 Diş İmplantları İmplant Biyomekaniği
Çene kemiği-implant etkileşimi ve kemiğin mekanik yüke göre yeniden yapılanması Dişlerde bulunan periodontal ligamana benzer bir yapının diş implantlarında da oluşturulması Makina ve İnovasyon Topluluğu

53 Pasif El Bileği Modeli Wrist Joint Modeling
Static Wrist Model with 52 Ligaments Surgery Planning Inclusion of Muscles Makina ve İnovasyon Topluluğu

54 Other Research and Collaborations (3/6)
Shoulder Arthroscopic Surgery Tests Different Anchor Types and Locations Different Suture Techniques Testing Mobilization Makina ve İnovasyon Topluluğu

55 Other Research and Collaborations (4/6)
Jaw Surgery Healing Tests Mechanical results of application of different agents to healing jaw bone after lengthening/shortening Makina ve İnovasyon Topluluğu

56 Other Research and Collaborations (5/6)
Effect of de-nerving muscles immediately after birth and at maturity on its mechanical properties Makina ve İnovasyon Topluluğu

57 Other Research and Collaborations (6/6)
Anatomic collaboration with Ankara University Medical School Department of Anatomy Anatomical support for biomechanics studies Mechanical support for anatomic studies Makina ve İnovasyon Topluluğu

58 Sabuncupınar, 18 November 2006
Photo: Ergin Tönük, Sabuncupınar, 18 November 2006 Thank You! Makina ve İnovasyon Topluluğu