Araştırma
Biyomekanik Laboratuvarı Araştırma Faaliyetleri ve Olanakları
Biyomekanik laboratuvarı Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi 1. katta H1-74 numaralı laboratuvarda hizmetlerine devam etmektedir. Laboratuvar bünyesinde hem eğitim hem de araştırma faaliyetleri sürmektedir. Multidisipliner bir alan olması sebebiyle biyomedikal mühendisleri, makine mühendisleri, doktorlar, fizik tedavi uzmanları ve spor bilimleri gibi alanlarda çalışan kişiler ile ilgili ortak çalışmalar yürütülmektedir. Başta İzmir Katip Çelebi Üniversite hastanesi ve diş hekimliği fakültesi olmak üzere, ağız, yüz ve çene cerrahisi, çocuk cerrahisi, genel cerrahi, kalp ve damar cerrahisi, ortopedi ve travmatoloji, radyoloji, spor hekimliği, ortodonti, pedodonti, protetik diş tedavisi ve restoratif diş tedavisi uzmanlarıyla ortak çalışmalar mevcuttur. Birçok test ve uygulama gerçekleştirilmekle beraber laboratuvarın sahip olduğu olanaklar şu şekilde sıralanmaktadır;
1. Hesaplamalı Biyomekanik Uygulamaları: Laboratuvar bünyesindeki tecrübeli personel ve iş istasyonları sayesinde 3B olarak çeşitli simülasyonlar gerçekleştirilmektedir. CT, MRI, DVT ve CBCT gibi görüntüleme yöntemlerinden elde edilen DICOM görüntü dosyaları 3B olarak işlenerek sonlu elemanlar analizi (SEA) gibi çeşitli simülasyon uygulamaları için hazır hale getirilmektedir. Detaylı mesh oluşturma, yüzey temizleme, artefact düzeltme ve segmentasyon yöntemleriyle hazırlanan modeller SEA yazılımlarına aktarılmaktadır. Deformasyonlar, stres dağılımları, principal stresler ve strain gibi hesaplamalar gerçekleştirilmektedir. Bunun yanında ağ yakınsaması (mesh convergence) ile validasyonlar sağlanmaktadır. Gerçekleştirilen çalışmalardan örnekler şu şekildedir;
Şekil 1. Sonlu elemanlar analizi için CT'den segmentasyonları tamamlanmış hastaya özgü 3B modeller
2. Statik Testler: Laboratuvar bünyesinde bulunan Shimadzu AG-IC test makinesiyle çeşitli testler gerçekleştirilmektedir. 10 kN ve 500 N'luk load cell kapasiteleriyle hem mukavemeti yüksek hem de hassas malzemelerin testleri gerçekleştirilmektedir. Cihaz aksesuarlarından extensometer ile hassas deformasyon takibi mümkündür.
Şekil 2. Shimadzu AG-IC statik test cihazı
2.1. Basma Testi: Anatomik modeller, yeni malzemeler ve çeşitli implant/protez gibi malzemelerin basma testleri gerçekleştirilmektedir. Cihaz ile sonuçlarda yaklaşık ±%0,5 hassaslık elde edilmektedir. Test hızı 0,0005 ile 1000 mm/dakika arasında değişmektedir. Gerçekleştirilen çalışmalardan bir örnek şu şekildedir;
Şekil 2.1. Yapay kemikler üzerine uygulanan bir fiksasyon tekniğinin basma testi
2.2. Çekme Testi: ASTM veya ISO standardlarına göre istenilen şekilde çekme testleri gerçekleştirilmektedir. Tırtıklı ve yapışkan tutamaçlar sayesinde malzemenin test esnasında kayması önlenmektedir. Gerçekleştirilen çalışmalardan bir örnek şu şekildedir;
Şekil 2.2. Serklaj telinin çekme testi uygulaması
2.3. Üç/Dört noktadan Eğme Testi: Cihazın sahip olduğu aksesuarlar ile birçok test gerçekleştirilmektedir. Bunların yanında soyulma ve sıyrılma testleri de gerçekleştirilmektedir. Bu aksesuarlara ek olarak çalışmaya özgü olarak özel test ekipmanları da tasarlanıp sanayide üretilmektedir. Aksesuarlar Şekil 2.3'te gösterilmiştir.
Şekil 2.3. Shimadzu statik test cihazının aksesuarları ve projeye özgü özel tasarlanmış test ekipmanları
2.4. Döngüsel (Cycle) Testler: Malzemelerin yorulma testine benzer şekilde yaklaşık 1000 döngü ile belirli şartlar altında yukarıdaki testler gerçekleştirilebilmektedir. Ayrıca ön yük uygulama, belirlenen yük değerlerinde kuvvet uygulama gibi birçok farklı test seçeneği mevcuttur.
3. 3D Model Üretimi: FDM baskı teknolojisine sahip Ultimaker 2+ Extended ve Mass Portal olmak üzere iki farklı 3D yazıcı bulunmaktadır. Tasarlanan mekanizmalar, parçalar PLA, ABS, vb. filamentler aracılığıyla basılmaktadır. Özellikle çeşitli biçimlerde tasarlanan fiksasyon plakalarının mukavemet testleri açısından oldukça kolaylık sağlamaktadır. Bunun yanında Binder Jetting teknolojisine dayanan toz sinterleme ile baskı gerçekleştiren Projet160 3D baskı cihazı da laboratuvarda yer almaktadır. Bu cihaz sayesinde kişiye özgü 3D model üretiminde sıklıkla kullanılmaktadır. CT veya MRI gibi görüntü yöntemlerinden bölütlenen modeller bu yazıcıya aktarılarak kompleks yapıdaki geometrileri en ince ayrıntısına kadar üretebilmektedir. Gerçekleştirilen çalışmalardan örnekler şu şekildedir;
Şekil 3. 3D yazıcılar ve CT'den elde edilmiş femur başı modellerinin 3D baskıları
4. 3B Tarama: HDI Advance 3D tarayıcı ile tersine mühendislik uygulamaları gerçekleştirilmektedir. Çeşitli parçaların yüzeyleri tarama için elverişli hale getirildikten sonra tarama ile 3B modelleri FlexScan yazılımıyla üretilmektedir. Bu modeller üzerinden eğitim, araştırma veya tasarım değişiklikleri yapılmaktadır.
Şekil 4. 3D tarayıcı ile kafatası modelinin eğitim amaçlı 3D modeli üretimi
5. Giyilebilir Hareket Yakalama: Rokoko SmartSuit Pro giyilebilir hareket yakalama teknolojisi ile tüm eklem noktalarından konum, ivme, hız verileri toplanabilmektedir. Özellikle yürüyüş analizi, spor biyomekaniği ve yaralanma mekaniği gibi alanlarda sıklıkla kullanılmaktadır. Objektif ölçümler sayesinde sporculara dönük yararlı feedback mekanizması sağlamaktadır. Hareket verileri OpenSim, Anybody ve BoB gibi yazılımlara aktarılarak moment, kuvvet, eklem açıları ve kaslar hakkında detaylı çıktılar üretilebilmektedir.
Şekil 5. Giyilebilir hareket yakalama teknolojisi sensör lokasyonları, elbisenin denek üzerindeki görünümü ve BoB yazılımında hareketin incelenmesi
6. Optoelektronik Hareket Yakalama: Optitrack marka kameralı hareket yakalama sistemi sayesinde daha hassas ve istenilen noktalara yerleştirilen marker ile hareket takibi yapılabilmektedir.
7. Sertlik Ölçüm Cihazı (Shoremetre / Durometre): Malzemelerin sertlik ölçümünde kullanılan bir sistemdir. Polimer, elastomerler gibi birçok malzemenin sertliğin ölçümünde kullanılmaktadır.
Şekil 7. Durometre cihazları
8. Torkmetre: Dönme momenti ya da kuvvet momentinin hesaplanması gereken uygulamalarda kullanılmaktadır. Farklı hassaslık birimindeki bu cihazlar ile uygulamaya bağlı olarak özelleştirilebilmektedir. Özellikle robotik uygulamalarda motor tork hesabının eklemlere özgü olarak hesaplanmasında yararlanılmaktadır.
Şekil 8. Torkmetre cihazları
9. Kuvvet / Gerinim Ölçer (Force Gauge, Strain Gauge): Bir nesne üzerine uygulanan kuvveti ölçmek için kullanılmaktadır. Gerinim ölçer ile malzeme üzerinde meydana gelen gerilmeler noktasal olarak ölçülebilmektedir.
Şekil 9. Kuvvet ölçerler (Force Gauge)
10. Veri Toplama Sistemleri: National Instruments dijital ve analog veri toplama sistemleri sayesinde çeşitli sensörlerden veya transducerlerden veriler toplanabilmekte ve LabVIEW yazılımı ile işlenebilmektedir. Bunun yanında BIOPAC sistemi sayesinde EMG, EEG, EKG, nabız, SPO2 vb. tıbbi verilerin 4 kanala kadar toplanması gerçekleştirilmektedir.
Şekil 10. National Instruments DAQ cihazı ve BIOPAC cihazı
11. Mekanik Atölye: Çalışmalar için gerekli tüm mekanik el aletleri laboratuvar bünyesinde kullanılmaktadır.
Şekil 11. Mekanik atölye ve çeşitli elektronik el aletleri
12. Anatomik Modeller: Eğitimler ve çeşitli ortopedik biyomekanik çalışmalar için yapay kemik modelleri kullanılmaktadır.
Şekil 12. Anatomik modeller
13. Yazılımlar: Teknik çizimlerde kullanılmak üzere SolidWorks, 3D yazıcıların uygulaması olarak Simplify3D, verileri işlemek için MATLAB, sonlu elemanlar analizi için ANSYS, hareket analizleri için Kinovea - BoB - OpenSim - Blender, 3D tarama için FlexScan, 3D model üretiminde MIMICS - 3-Matic - Geomagic Design, istatiksel analiz için IBM SPSS kullanılmaktadır.
Biyomekanik Laboratuvarından Görseller
