Simulasi pengaruh rangsangan mekanik terhadap kerapatan tulang akibat perubahan usia berbasis Finite Element Method (FEM)

INDONESIA: Osteoporosis dapat dikatakan sebagai silent disease, karena penyakit ini tidak memiliki gejala yang spesifik tapi menimbulkan dampak serius bagi penderita. Berkurangnya kerapatan pada tulang dikenal sebagai osteoporosis yang terjadi karena adanya gangguan pada proses remodeling tulang. Faktor-faktor yang mempengaruhi proses remodeling tulang diantaranya hormon estrogen dan aktivitas fisik (rangsangan mekanik). Oleh sebab itu, dalam penelitian ini akan mensimulasikan pengaruh rangsangan mekanik terhadap kerapatan tulang femur akibat perubahan usia. Metode dalam penelitian ini terdapat empat tahapan yaitu membuat konstruksi tulang femur dalam bentuk elemen segitiga dan segiempat. Kemudian menginput sifat tulang berdasarkan usia (modulus Young dan rasio Poisson). Setelah itu perhitungan stress, strain dan rate strain dengan finite element method (FEM). Kemudian perhitungan kerapatan tulang menggunakan persamaan kinematika dari V. Klika dan F. Marsik dengan metode Runge Kutta orde-4. Kerapatan tulang paling tinggi akibat perbedaan usia dimiliki oleh tulang femur pada usia 25 tahun yaitu 1.1551 gr/cm2. Hasil simulasi pengaruh usia terhadap kerapatan tulang dibandingkan dengan hasil eksperimen dan menunjukkan ketepatan rata-rata adalah 96.67%. Kerapatan tulang akibat rangsangan mekanik paling tinggi adalah 1.7053 gr/cm2, hasil ini dimiliki oleh tulang yang diberi gaya 2999.25 N (aktivitas berlari). Berdasarkan hasil simulasi tersebut, dapat disimpulkan bahwa kerapatan tulang akan berkurang seiring bertambahnya usia. Rangsangan mekanik mampu meningkatkan kerapatan tulang sehingga dapat memperlambat proses pengeroposan mineral tulang. Dalam hal ini, elemen segitiga merepresentasikan hasil yang lebih baik dibandingkan elemen segiempat. ENGLISH: Osteoporosis can be said as a silent disease because the disease has no specific symptoms but cause serious consequences for the patient. The reduced density of the bone is known as osteoporosis that occurs due to a disturbance in the process of bone remodeling. Factors that affect the bone remodeling process including estrogen and physical activity (mechanical stimuli). Therefore, in this study simulates the effect of mechanical stimuli on bone density of the femur due to changes in age. The method in this research, firstly make the construction of femur in the form of triangular and quadrilateral element. Then input the properties of bone by age (Young's modulus and Poisson's ratio). After that, calculate of stress, strain and rate strain with the finite element method (FEM). Then calculation of bone density using kinematic equation of V. Klika & F. Marsik with Runge Kutta method of 4th. The highest bone density were found in 25 years old femur bone which was 1.1551 g/cm2. When the simulation results are compared with the experimental results, obtained an average accuracy value of 96.67%. The highest bone density due to mechanical stimulation is 1.7053 g/cm2, when the bone is applied with force 2999.25 N (running activities). Based on simulation results, we can concluded that bone density will decrease with age. Mechanical stimuli can improve the bone density and can slow down the process of mineral loss in bone. Based in case, simulation using triangular element represent better result than using quadrilateral element. ARABIC: إن مرض هشاشة العظام يعبر بالمرض الصامت، لأن هذا المرض ليس له أعراض محددة ولكن له تأثير خطير على المصابين. الكثافة المنخفضة للعظام تعرف باسم هشاشة العظام، التي تحدث بسبب انقطاع في عملية إعادة تشكيل العظام. كانت العوامل التي تؤثر على عملية إعادة تشكيل العظام منها الهرمون الاستروجين والنشاط البدني (التحفيز الميكانيكي). لذلك، سيحاكي هذا البحث تأثير التحفيز الميكلنيكي على كثافة عظام الفخذ بسبب تغير السن. الطريقة في هذا البحث تتكون من أربع مراحل وهي بناء عظم الفخذ في شكل العناصر الثلاثية والرباعية. ثم إدخال خصائص العظام على أساس العمر (معامل يونغ ونسبة بواسون). بعد ذلك حساب الإجهاد والإعياء ومعدل الإجهاد باستخدام طريقة العناصر المحددة. ثم حساب كثافة العظام باستخدام المعادلات الديناميكية الحرارية منV. KlikaوF. Marsikمع طريقة Runge Kutta من الدرجة الرابعة. كثافة العظام أعلى بسبب اختلاف السن من عظم الفخذ في سن 25عاما وهي 1.1551 غرام/سم2. نتائج محاكاة تأثير السن على كثافة العظام مقارنة بالنتائج التجريبية وإظهار متوسط دقة 96.67 في المائة. كثافة العظام بسبب التحفيز الميكانيكي الأعلى هي 1.7053 غرام/سم2، وتمتلك هذه النتيجة العظم بالنظر إلى قوة 2999.25N(نشاط الركض). بناء على نتائج المحاكاة يمكن استنتاج أن كثافة العظام ستنخفض مع تقدم السن. إن التحفيز الميكانيكي يؤدي إلى زيادة كثافة العظام بحيث يمكن أن يبطئ عملية فقدان المعادن في العظام. في هذا الحال، يمثل العنصر المثلث نتيجة أفضل من العنصر الرباعي