Designing and additive manufacturing of customizable, modular scaffold blocks for large bone defects
Büyük kemik kusurları için özelleştirilebilir, modüler doku iskele bloklarının tasarımı ve eklemeli imalatı
- Tez No: 643477
- Danışmanlar: PROF. DR. BAHATTİN KOÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Üretim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 69
Özet
Kemik hasar sonrası kendini yenileme konusunda mükemmel bir kapasiteye sahiptir, özellikle küçük kusurlar için. Fakat, büyük kemik kusurları için dış müdahaleye ihtiyaç vardır. Büyük kemik kusurları için en uygun dışarıdan yapılan müdahalelerden biri kemik doku iskelesidir. Fakat, nakledilen iskele, 3B gözenekli iç yapı ile yeterli biyomekanik destek sağlarken, hastanın kemiğinin benzersiz morfolojik özelliklerine de uymalıdır. Eklemeli imalat (Eİ) ile bu gereksinimleri karşılayan bir yapı üretmek mümkündür. Ancak mevcut özelleştirilmiş doku iskele tasarım yöntemi (tersine mühendislik tekniği), süreçte kullanılan yazılım ve makinelerden (2B tıbbi görüntü alma makineleri, tıbbi görüntü işleme yazılımları) ve yapı iskele tasarımının teknik ve cerrahi personelin ortak çalışması sonucunda üretiliyor olmasından dolayı zaman alıcı, yoğun uğraş gerektiren ve pahalı olan bir yöntemdir. Vakanın karmaşıklığına bağlı olarak, tasarım aşaması aylar sürebilmektedir. Ancak bazı durumlarda, yüksek enerjili yaralanmalar gibi, uygun müdahale mümkün olan en hızlı şekilde yapılmalıdır aksi halde hasta dayanılmaz ağrı, hastanede kalma süresinde uzama ve hatta uzuv kaybı gibi ciddi ve geri dönüşü olmayan sorunlarla karşılaşabilir. Bu tezde, önceden basılmış modüler bloklardan büyük kemik kusurlarının tedavisi için en uygun doku iskelesi oluşturmanın bir yöntemi tanıtılmıştır. Girdiler olarak uyluk kemiğinin morfolojik özelliklerini kullanan bir uyluk kemiği yüzey modelleme algoritması oluşturuldu. Bu algoritma ile röntgen görüntüleri gibi daha yaygın yöntemlerle elde edilen daha az sayıdaki 2B medikal görüntülerden gerekli ölçümler yapılarak hastanın femur modeli elde edilir. Modüler bloklar oluşturmak için başka bir parametrik algoritma oluşturuldu. Bu algoritmadaki parametreler istenildiği gibi değiştirilerek farklı topolojik özelliklere sahip modüller oluşturulabilir. Oluşturulan modüler blokların girdi olarak kullanıldığı ve sürekli malzeme ekstrüzyon Eİ prosesi için gerekli takım yolunun üretildiği bir algortima geliştirilmiştir. Bu algoritmadan çıktı olarak, modülleri üretmek için yeni, zikzaklı ve sarmal desendeki bir takım yolu G kod olarak elde edildi. Bu G kod dosyası, özel bir ekstrüzyon tabanlı 3B yazıcıyı kontrol etmek için kullanıldı. Son adım olarak, basılı modüllerin ne olduğu bilgisini de içeren bir sistem geliştirildi. Bu sistem, sahadaki klinik tedavi uzmanını, hastanın kusur bölgesini en iyi şekilde temsil edecek doku iskelesini oluşturmak için hangi basılı modülden kaç tane kullanması gerektiği konusunda bilgi verir. Klinisyen bu bilgilendirmeyi takip ederek uygun doku iskele bloklarını üst üste koyar ve birleştirerek oluşturduğu bu doku iskele yapısını intramedüller çivi yardımı ile vücuda yerleştirir. Bu çalışma, büyük kemik defektleri için daha az zaman, para ve çaba harcanarak yeni, hastaya özelleştirilmiş, en uygun doku iskelenin oluşturulmasında umut verici bir yaklaşımı temsil etmektedir.
Özet (Çeviri)
Bone has an excellent capacity to regenerate itself after damage, especially for minor defects. However, for large bone defects, external intervention is needed. One of the most suitable external treatments for large bone defects is bone scaffolds. However, the transplanted scaffold must conform to the unique morphological features of the patient's bone while providing adequate biomechanical support with the 3D porous inner structure. With additive manufacturing (AM), producing a structure that meets these requirements is possible. But the current customized scaffold design method (reverse engineering technique) is time-consuming, labor-intense and expensive due to the software and machinery used in the process (2D medical image acquisition machine, medical image processing software), and the joint work of technical and surgical staff to finalize the design of the scaffold. Depending on the complexity of the case, the design phase can take months. But in some cases, like high energy injuries, the proper treatment should be held in the fastest way possible. Otherwise, the patient may face severe and irreversible problems like unbearable pain, long hospitalized time, and even limb loss. In this thesis, a method of constructing a best fitting scaffold for the treatment of large bone defects from pre-printed modular blocks is introduced. A femur surface modeling algorithm using morphological features of the femur as input was created. With this algorithm, femur model of a patient is obtained with measuring the necessary measurements from the fewer number of 2D medical images obtained by more common methods such as x-ray images. To create modular blocks, another parametric algorithm was generated. Modules with different topological features can be created by changing the parameters in this algorithm as desired. Another algorithm has been developed where the created modular blocks are used as input and the tool path for the continuous extrusion AM is produced. As an output from this algorithm, a novel, zig-zag and spiral pattern to manufacture the modules was obtained as a G code file. As the last step, a system was developed that includes information on what the printed modules are. This system informs the clinician in the field about how many of which on-demand modules they could use to create a best fitting patient specific scaffold to represent the defect area of the patient. By following the instruction, the clinician puts the proper scaffold blocks on top of each other and implants the assembled scaffold structure on the body with the help of an intramedullary nail. This study represents a promising approach in the creation of a new customized best fitting scaffold with less time, money and effort for large bone defects.
Benzer Tezler
- Yaparak öğrenme ve dijital fabrikasyonun kesişimi: Kendi aracını tasarlamak
The intersection of learning by doing and digital fabrication: Designing your own tool
EKİN ÜNLÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEMA ALAÇAM
- Düşük erime sıcaklığına sahip metal alaşımları için üç boyutlu yazıcı tasarımı ve imalatı
Designing and manufacturing of a three dimensional printer for low melting temperature metal alloys
MUSTAFA KEMAL GÜLSEREN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiAkdeniz ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VOLKAN KOVAN
- Exploring the potential of additive manufacturing in large scale structures
Eklemeli üretim sistemlerinin potansiyelinin büyük ölçekli uygulamalarda incelenmesi
YEŞİM ÜNAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLEN ÇAĞDAŞ
- Development of an open-architecture process control system for the direct metal laser sintering (DMLS)
Başlık çevirisi yok
SYED SHAHİD MUSTAFA
Doktora
Türkçe
2021
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiBiyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU
- Designing and developing a digital light processing based stereolithography 3D printer
Dijital ışık işleme tabanlı stereolitografi 3B yazıcı tasarlama ve geliştirme
MOHAMMED SAHIB
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAtılım ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÜZİN TİRKEŞ
DR. ÖĞR. ÜYESİ SAMET AKAR