25802

مدلسازي اجزاي محدود پروتز مفصل ران به منظور بررسي تاثير بيومواد كامپوزيتي بر كاهش سپر تنشي

كارشناسي ارشد

مهندسي پزشكي-بيومكانيك

98-1400

1400/8/30

سياوش كاظمي راد

مهندسي مكانيك

تعويض كامل مفصل ران (THR) يكي از رايج ‌ترين و مقرون به صرفه ترين فرآيند¬هاي جراحي در جهان رتبه بندي شده¬است. برخي از اين عمليات‌ها بايد به دلايل مختلفي بعد از مدت زماني مجددا انجام شوند كه اين موارد عمل بازبيني مفصل ران ناميده مي‌شوند. عوامل متعددي از جمله بيومواد مورد استفاده در طراحي، بهينه سازي طراحي، موقعيت پروتز و ويژگي‌هاي بيمار وجود دارند كه به يكپارچگي پروتز كمك بسيار مي‌كنند. هدف از انجام اين پروژه، توسعه و بهبود جايگزيني مفصل مصنوعي ران با استفاده از ويژگي‌هاي بيومواد ارتقاء يافته براي رسيدن به پايداري و دوام بيشتر است. پديده سپر تنشي از مهم ترين و شناخته شده ترين عوامل شكست در پروتز¬هاي ران مي¬باشد. نيروهايي كه در طول فعاليت انسان به پروتز وارد مي شود تنش¬هاي پويايي را در زمان متفاوت ايجاد مي¬كند و ممكن است باعث پديده سپر تنشي در سيستم پروتز-استخوان شود. بنابراين، كاهش اثر سپر تنشي از اهميت بسيار بالايي در اين سيستم برخوردار است. اين پروژه با هدف شبيه سازي آناليز اجزاي محدود ، مقايسه اي را براي ارزيابي انتقال نيرو بين پروتز و استخوان ارائه مي¬دهد كه اين كار را با استفاده از فلز تيتانيوم، پليمر PEEK و كامپوزيت carbon/PEEK براي پروتز¬هاي مفصل ران انجام داده است. همچنين در اين پروژه از تصاوير توموگرافي (CT) استخوان ران يك بيمار حقيقي بهره برده شده¬است تا بتوان خواص استخوان اعم از چگالي و مدول الاستيسيته را با روابطي درست وارد نرم افزار نموده و مورد تحليل قرار دهد. به همين منظور مدل¬هاي سه بعدي اجزاي محدود پروتز¬ ران از جنس تيتانيوم، PEEK، carbon/PEEK و استخوان ران براي اين آناليز ايجاد¬شده و نشان مي¬دهد كه چگونه اين بيومواد مي-توانند از وقوع سپر تنشي در استخوان جلوگيري كنند. نتايج عددي نشان مي¬دهد كه كامپوزيت carbon/PEEKمي¬تواند راه حل مناسبي براي توزيع بار اعمال شده و انتقال آن از پروتز به استخوان باشد و مشكلات ناشي از سپر تنشي را كاهش و طول عمر سيستم جايگزيني را نيز افزايش دهد. طبق اين نتايج ماكزيمم تنش در استخوان با پروتز تيتانيومي برابر 27 مگاپاسكال، در استخوان با پروتز carbon/PEEK برابر 33 مگاپاسكال و در استخوان با پروتز PEEK برابر 40 مگاپاسكال مي¬باشد. بنابراين تنش فون ميزس در استخوان با پروتز carbon/PEEK، 22 درصد بيشتر از تنش فون ميزس در استخوان با پروتز تيتانيوم مي¬باشد. نتايج همچنين نشان مي¬دهد كه از كامپوزيت¬هاي carbon/PEEK مي¬توان به عنوان يك طرح بهينه جديد براي پروتز استخوان ران با سفتي قابل تنظيم استفاده كرد كه از سپر تنشي بكاهد. اين يافته ها به پزشكان و متخصصان پزشكي كمك مي¬كند تا دانش خود را در مورد تعويض مفصل ران افزايش دهند.

1400/10/06

Finite element modeling of hip prosthesis to evaluate the effect of composite biomaterials on reducing stress shielding

11/21/2022 12:00:00 AM

Total hip replacement (THR) is ranked as one of the most common and cost-effective surgical procedures in the world. Some of these operations need to be performed again after a period of time for a variety of reasons, which is called hip replacement review. There are several factors including biomaterials used in the design, design optimization, prosthesis position and patient characteristics that greatly contribute to the integrity of the prosthesis. The aim of this project is to develop and improve the replacement of the artificial hip joint using enhanced biomaterial properties to achieve greater stability and durability. Stress shielding is one of the most important and well-known causes of failure in pelvic prostheses. The forces applied to the prosthesis during human activity create dynamic stresses at different times and may cause a tension shield phenomenon in the prosthesis-bone system. Therefore, reducing the effect of tension shield is very important in this system. Aiming to simulate finite element analysis, the project provides a comparative evaluation of the force transfer between the prosthesis and the bone, using titanium metal, PEEK polymer material, and carbon / PEEK composite for hip prostheses. To this end, three-dimensional models of titanium, PEEK, carbon / PEEK, and femur fin components were developed for this analysis and show how these biomaterials can prevent the occurrence of tension shields in bone. Numerical results show that carbon / PEEK composite can be a suitable solution for load distribution and its transfer from prosthesis to bone and reduce the problems caused by tension shield and increase the life of the replacement system. According to these results, the maximum stress in bone with titanium prosthesis is 27 MPa, in bone with carbon / PEEK prosthesis is 33 MPa and in bone with PEEK prosthesis is 40 MPa. As a result, von Mises stress in bone with a carbon / PEEK prosthesis is 22% higher than von Mises stress in bone with titanium prosthesis. The results also show that carbon / PEEK composites can be used as a new optimal design for a femoral prosthesis with adjustable stiffness that reduces stress shielding. These findings will help physicians and medical professionals to increase their knowledge about pelvic joint replacement.

پروتز ران , آناليز اجزاي محدود , سپر تنشي , كامپوزيت carbon/PEEK

Hip prosthesis , finite element analysis , stress shielding , carbon/PEEK composite