Simulasi pengaruh rangsangan mekanik terhadap batas elastisitas tulang berbasis Finite Element Methods (FEM)

INDONESIA:

Osteoporosis merupakan suatu penyakit pada tulang yang ditandai dengan menurunnya kepadatan tulang sehingga tulang menjadi keropos dan menjadi rentan untuk patah. Penurunan kepadatan tulang ini terjadi akibat proses demineralisasi pada tulang setelah melewati puncak massa tulang dan terjadi pada rentang usia 25-30 tahun. Oleh sebab itu, maka dalam penelitian ini dilakukan untuk mensimulasikan persebaran stress, strain, rate strain dan batas elastisitas tulang akibat pengaruh rangsangan mekanik. Terdapat lima tahapan dalam penelitian ini yaitu membuat konstruksi tulang femur dengan FEM dalam bentuk elemen segitiga. Kemudian perhitungan stress, strain dan rate strain pada fase reversal. Kemudian perhitungan kerapatan tulang menggunakan persamaan termodinamika dari V.Klika dan F.Marsik dan dilanjutkan perhitungan batas elastisitas tulang dengan metode PSO. Hasil penelitian menunjukkan peningkatan nilai stress, strain dan rate strain akibat pemberian rangsangan mekanik. Persebaran nilai stress, strain dan rate strain pada tulang femur meningkat seiring bertambahnya rangsangan mekanik (gaya) yang diterima oleh tulang. Nilai stress, strain dan rate strain tertinggi pada hasil simulasi ini berturut-turut 3.4410 x105 Pa, 0.0188 dan 0.9443 s-1 yang terjadi pada titik batang kanan saat aktivitas berlari. Perubahan rangsangan mekanik mengakibatkan perubahan pada batas elastisitas tulang. Semakin besar gaya yang diberikan maka batas elastisitas yang dihasilkan juga semakin tinggi. Nilai ultimate stress tertinggi dihasilkan saat aktivitas berlari, yaitu 205.42 MPa untuk batang kanan dan 114.61 MPa pada batang kiri. Dengan demikian, rangsangan mekanik memberikan efek positif pada proses remodeling tulang, yang ditandai dengan peningkatan nilai stress, strain, rate strain serta nilai ultimate stress. Sehingga, proses formasi pada tulang akan lebih dominan dan laju pengeroposan tulang dapat ditekan.

ENGLISH:

Osteoporosis is a disease of the bones that is characterized by decreased bone density, so that, bones become porous and become susceptible to fractures. This decrease in bone density occurs due to the process of demineralization in the bone after passing through the peak of bone mass. This disease occurs in the age range of 25-30 years. Therefore, this study will simulate the distribution of stress, strain, rate strain, and bone elasticity limit due to the influence of mechanical stimuli. There are five stages in this study, firstly constructing the femur with FEM in the form of triangular. Then, the calculation of stress, strain and rate strain in the reversal phase. Then, the calculation of bone density using the thermodynamic equation of V.Kika and F.Marsik and continued calculation of the bone elasticity limit using PSO methods. The results showed an increase in stress, strain and strain rate due to mechanical stimulation. The value of stress, strain and rate strains in the femur increases with increasing mechanical stimulation (force) received by the bone. The highest stress, strain and strain rate values in the simulation results were 3.4410 x105 Pa, 0.0188 and 0.9443 s-1, which occurred at the right trunk point when running. Changes in mechanical stimuli cause changes in bone elasticity limits. The greater the force applied, the resulting elasticity limit is also higher. The highest ultimate stress value is during running activity, which is 205.42 MPa for the right trunk and 114.61 MPa for the left trunk. Thus, mechanical stimulation has a positive effect on the process of bone remodeling, which is characterized by an increase in stress, strain, rate strain, and ultimate stress value. Thus, the formation process in the bones will be more dominant and the rate of bone loss can be suppressed.

ARABIC:

مرض هشاشة العظام هو واحد من الامراض في العظام الذى يتعلق بانخفاض كثافة العظام الذى يصبح العظام مسامية ويصبح عرضة للكسور. يحدث هذا نقص كثافة العظام بسبب عملية إزالة المعادن في العظم بعد عبورها ذروة كتلة العظم ويحدث في الفئة العمرية 25-30 سنوات. لذلك، في هذا البحث هو لمحاكاة انتشار الإجهاد، السلالة، معدل الإجهاد وحدود مرونة العظام بسبب تأثير التحفيز الميكانيكي. هناك خمس مراحل في هذا البحث التى تقوم ببناء عظم الفخذ مع FEM في شكل عناصر مثلثة. ثم حساب الإجهاد والسلالة ومعدل الإجهاد في مرحلة الانعكاس. ثم حساب كثافة العظام هو باستخدام المعادلة الديناميكية الحرارية من ف.كليكا و ف.مرسيك واستمر حساب حد مرونة العظام مع طريقة PSO دلت النتائج البحث على زيادة في الإجهاد والسلالة ومعدل الإجهاد بسبب التحفيز الميكانيكي. يزداد توزيع الإجهاد والضغط ومعدل الضغط في عظم الفخذ مع زيادة التحفيز الميكانيكي (القوة) الذي يتلقاه العظم. أعلى قيم الضغط والإجهاد و معدل الضغط في نتائج المحاكاة هو 3.4410 x105 Pa، 0.0188 و0.9443 s-1 على التوالي، التي حدثت عند نقطة الجذع اليمنى عند الجري. التغييرات في التحفيز الميكانيكي تؤدي إلى تغييرات في حد مرونة العظام. كلما زادت القوة التي تمارسها ، كلما زاد حد المرونة الناتج. حصل أعلى قيمة الإجهاد النهائي عند النشاط الجاري، يعنى 205.42 MPa (ميجا باسكال) للجذع الأيمن و 114.61 MPa ميجا باسكال للجذع الأيسر. وبالتالي، فإن التحفيز الميكانيكي له تأثير إيجابي على عملية إعادة تشكيل العظام التي تتميز بزيادة في الإجهاد ، والضغط، و معدل الضغط وقيمة الإجهاد النهائي. وبالتالي، فإن عملية تشكيل العظام ستكون أكثر هيمنة وتمكن أن تخفض معدل فقدان العظام