Mechanobiological modeling of vertebral growth and wedge angle formation in a functional spinal unit
Fonksiyonel omurga biriminde omur büyümesi ve kama açısı oluşumunun mekanobiyolojik modellenmesi
- Tez No: 1001600
- Danışmanlar: PROF. DR. ERCAN GÜRSES
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Omurga büyümesi karmaşık mekanobiyolojik etkileşimler tarafından yönetilir ve bu süreçlerde meydana gelen bozulmalar, adölesan idiyopatik skolyoz (AIS) gibi ilerleyici deformitelere yol açabilir. Büyüme düzeninin dogru bir şekilde modellenmesi, omurga gelişiminin anlaşılması ve hasta özeline uyarlanmış tedavi stratejilerinin desteklenmesi açısından kritik öneme sahiptir. Bu çalışma, Hueter–Volkmann yasası ile kontrol edilen büyüme süreçlerini modellemek için yeni bir sonlu eleman çerçevesi sunmaktadır. Söz konusu yasa, sıkıştırma gerilmelerinin büyümeyi baskıladıgını ifade eder. Önerilen formülasyon, literatürde yaygın olarak kullanılan kademeli büyüme yaklaşımından farklı olarak, büyüme bileşenini toplam şekil degiştirme gradyeninin çarpımsal ayrıştırılması yoluyla doğrudan büyüme denklemlerine gömen bir ayrıştırma temelli yaklaşım kullanır. Bu yöntem, mekanik deformasyonu ve büyümeyi tam Lagrangian uzayında eşzamanlı olarak çözmekte ve böylece yinelemeli büyüme yönü güncellemesi ihtiyacını ortadan kaldırmaktadır. Böylece sayısal kararlılık artırılmakta, büyük deformasyonlar altında dayanıklılık korunmakta ve hesaplama maliyeti azaltılmaktadır. Önerilen modelin degerlendirilmesi, Fonksiyonel Spinal Birimi (FSU) modeli kullanılarak gerçekleştirilmiştir. FSU'daki vertebra gövdelerinin kama açıları, literatürde yaygın olarak kullanılan ve büyümenin gerilme ile termal genleşme adımlarının ardışık olarak çözüldügü yöntemle karşılaştırılmış; her iki yaklaşımın sonuçlarının tutarlı olduğu gösterilmiştir. Bununla birlikte, önerilen yöntem kama açısı tahmininde yüksek dogruluk sağlarken daha düzgün deformasyon alanları üretmiş, ağ bozulmasını azaltmış ve sayısal kararlılıgı belirgin biçimde iyileştirmiştir. Ayrıca yaklaşık bir mertebe daha yüksek hesaplama verimliligi sunarak uzun süreli omurga büyümesi simülasyonları için yenilikçi ve güvenilir bir çerçeve ortaya koymuştur. Bu yönleriyle yöntem, klinik karar destek uygulamaları ve mekanobiyolojik araştırmalar için önemli bir potansiyel taşımaktadır.
Özet (Çeviri)
Spinal growth is governed by complex mechanobiological interactions, and disturbances in these processes can lead to progressive deformities such as adolescent idiopathic scoliosis (AIS). Accurate computational modeling of growth regulation is therefore essential for improving our understanding of spinal development and supporting patient-specific treatment strategies. This study introduces a novel finite element framework to model growth processes controlled by the Hueter-Volkmann law, which links compressive stress to localized growth suppression. The proposed formulation adopts a decomposition based approach, in which the growth part of the deformation gradient is embedded directly into the constitutive equations through a multiplicative decomposition of the total deformation gradient. The model simultaneously solves for mechanical deformation and growth in a fully Lagrangian configuration, eliminating iterative growth direction updates. This design enhances numerical stability, maintains robustness under large deformations, and reduces computational effort. A comparison study is conducted using a Functional Spinal Unit (FSU) model. The wedge angles of the vertebral bodies in FSU are compared with those from a widely used method in the literature, where growth is simulated through a staggered scheme, with stress and thermal expansion solved sequentially. The results of the two approaches are found to be consistent. The proposed method demonstrated accurate wedge angle prediction, smoother deformation fields, reduced mesh distortion, and, in addition, offered nearly an order of magnitude higher computational efficiency, thus providing a novel, robust and efficient framework for long-term spinal growth simulations with significant potential for clinical decision-making and mechanobiological research.
Benzer Tezler
- Holographic cell stiffness mapping using acoustic stimulation
Akustik stimülasyon kullanarak hücre sertliğinin holografik yöntemle haritalanması
RAHMETULLAH VAROL
Doktora
İngilizce
2026
Mekatronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜSEYİN ÜVET
- Hedefli kanser tedavisine yönelik kil katkılı nanopartikül üretimi ve modellenmesi
Production and modeling of clay additive nanoparticle for targeted cancer treatment
DENİZ KARATAŞ
Doktora
Türkçe
2017
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiCevher Hazırlama Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET SABRİ ÇELİK
DOÇ. DR. ADEM TEKİN
- In vıtro hipertansiyon modellenmesinde kullanılacak atardamar biyoreaktörü tasarlanması ve üretimi
Design and production of an artery bioreactor for in vitro hypertension model
M. MERT ÇELTİKOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
BiyoteknolojiEge ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYLİN ŞENDEMİR
- Mechano-biology based optimal design and fabrication of multi-functional bone scaffolds
Mekanobiyoloji tabanlı optimal tasarım ve çok fonksiyonlu kemik iskelelerinin üretimi
MERVENAZ ŞAHİN
Doktora
İngilizce
2025
BiyomühendislikSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLLÜ KIZILTAŞ ŞENDUR
- A topology optimized model based on the level-set method for porous bone scaffolds
Gözenekli kemik doku iskelesi için level set yöntemine dayalı topoloji optimizasyonu
BAHAR IMANLOU
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiSabancı ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLLÜ KIZILTAŞ ŞENDUR