شماره ركورد
33946
پديد آورنده
سيداميرعلي كاشاني
عنوان
بهينه سازي پروتز ستون فقرات به روش MOPSO و تحليل اجزاي محدود
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي پزشكي-بيومكانيك
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/6/31
استاد راهنما
دكتر سياوش كاظمي راد
استاد مشاور
نداشتم
دانشكده
مهندسي مكانيك
چكيده
در اين پاياننامه به بررسي ميزان تاثير مواد مورد استفاده در پروتز ستون فقرات كمري به منظور طول عمر بيشتر ايمپلنت و كم كردن تنش ون مايزز در استخوان مهرههاي ستون فقرات، صفحههاي ايمپلنت و هسته آن ميباشد. بدين منظور از پروديسك كمري به دليل موفقيت و رضايت از آن استفاده شده است. به دليل آنكه نوع ماده و خواص آن ارتباط مستقيمي با تنش ون مايزز دارد، طيف وسيعي از مواد مورد ارزيابي قرار گرفتند. به عنوان مثال براي صفحات ايمپلنت مواد پلياتراتركتون تقويت شده با الياف كربن، تيتانيوم، فلزضدزنگ، كبالتكروم و تانتاليوم و همچنين براي قسمت هسته از 12 فرمولاسيون مختلف ماده پلياتيلن فوق سنگين استفاده شده است. در گام بعدي به دليل محاسبات كامپيوتري سنگين، با استفاده از روش طراحي آزمايش، معادلات تنش ونمايزز در استخوان، صفحه و هسته براي چهار حالت حركتي فلكشن، اكستنشن، پيچش و خمش بدست آمده است. هرمعادله به عنوان يك هدف بهينهسازي با استفاده از روش بهينهسازي ازدحام ذرات چند هدفه براي بهينهسازي اين پژوهش استفاده شده است. نتايج بدست آمده از فرآيند بهينهسازي، ده پاسخ برتر را با عنوان مدول الاستيك براي صفحات و مدول الاستيك براي قسمت هسته را براي ما نشان داد. از اين ميان 5 پاسخ برتر به عنوان نتايج نهايي بهينهسازي با استفاده از نرمافزار المانمحدود، جهت بررسي نهايي و پيدا كردن بهينهترين پاسخ استفاده شدند. نتايج با نتايج بدست آمده از مدل كارخانه مقايسه شدند و در نهايت ماده تيتانيوم براي صفحات و ماده GUR-1020 AO براي هسته به عنوان بهينهترين مواد براي ايمپلنت انتخاب شدند. اين تركيب ماده تنشونمايزز را تا 17.55% براي قسمت استخوان، تا 10.77% در قسمت صفحات و تا 27.13% در قسمت هسته بهينه كرده است. اين پژوهش با استفاده از مواد پركاربرد در بيومكانيك و با كمك ابزار بهينهسازي، مشخص كرد بهترين تركيب مواد براي ايمپلنت به منظور پايين بردن تنش ونمايزز و همچنين بالابردن طول عمر ايمپلنت چه موادي است.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/08/17
عنوان به انگليسي
Spine prosthesis optimization using MOPSO method and finite element analysis
تاريخ بهره برداري
9/22/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
سيداميرعلي كاشاني
چكيده به لاتين
In this thesis, the extent of the impact of materials used in lumbar spine prostheses is investigated to enhance the implantʹs lifespan and reduce Von Mises stress in the vertebral bones of the spine, the implant endplates, and its core. For this purpose, the ProDisc-L was utilized due to its success and patient satisfaction. Since the type of material and its properties have a direct correlation with Von Mises stress, a wide range of materials was evaluated. For example, for the implant endplates, materials such as carbon fiber-reinforced polyetheretherketone, titanium, stainless steel, cobalt-chrome, and tantalum were considered, while for the core, 12 different formulations of ultra-high molecular weight polyethylene were employed. In the next step, due to the computational intensity, Design of Experiments (DOE) was used to derive equations for Von Mises stress in the bone, endplate, and core for four motion states: flexion, extension, torsion, and bending. Each equation served as an optimization objective, utilizing the multi-objective particle swarm optimization method for this researchʹs optimization. The results from the optimization process yielded the top ten responses, specified as the elastic modulus for the endplates and the elastic modulus for the core. Among these, the top five responses were selected as the final optimization outcomes and further examined using finite element software to identify the optimal response. The results were compared with those from the manufacturerʹs model, and ultimately, titanium for the endplates and GUR-1020 AO for the core were selected as the optimal materials for the implant. This material combination optimized Von Mises stress by up to 17.55% in the bone region, up to 10.77% in the endplates, and up to 27.13% in the core. This research, employing commonly used materials in biomechanics and optimization tools, determined the best material combination for the implant to minimize Von Mises stress and maximize the implantʹs lifespan.
كليدواژه هاي فارسي
تحليل بيومكانيكي , ديسك بين مهره اي مصنوعي , بهينه سازي , ستون فقرات كمري , مهندسي مواد , شبيه سازي المان محدود , تنش ون مايزس
كليدواژه هاي لاتين
Biomechanical analysis , Artificial intervertebral disk , Optimization , Lumbar spine , Material engineering , Finite element simulation , von Mises stress
Author
Amirali Kashani
SuperVisor
Siavash Kazemirad