شماره ركورد
34064
پديد آورنده
فرينا دهقاننژاددرارانداش
عنوان
بهينه سازي چند هدفه ي دسته ي راني متخلخل پروتز مفصل ران
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي پزشكي-بيومكانيك
سال تحصيل
1402
تاريخ دفاع
1404/07/23
استاد راهنما
دكتر سياوش كاظميراد
استاد مشاور
ندارد
دانشكده
مهندسي مكانيك
چكيده
لقي غيرعفوني به عنوان اصليترين عامل شكست طولانيمدت پروتزهاي جايگزيني مفصل ران، عمدتاً ناشي از پديده سپر تنشي است. سپر تنشي از عدم تطابق سفتي بين استخوان و ايمپلنت سرچشمه ميگيرد. اين پديده تحت بارهاي روزمره مانند راهرفتن، تحريكات بيولوژيكي را مختل كرده و منجر به عقبنشيني استخوان و لقي ميشود. براي مقابله با اين مسئله، بدون اختلال در ساير خواص مكانيكي، استراتژي كاهش سفتي از طريق متخلخلسازي ساختار ايمپلنت بررسي شد. آلياژ تيتانيوم به دليل زيستسازگاري و استحكام مطلوب، انتخاب گرديد؛ اما، اصلاح ساختاري براي تطابق بهتر با استخوان ضروري بود.
ساختارهاي متخلخل TPMS با قابليت تنظيم خواص هندسي، براي دستيابي به پراكندگي مناسب تنش و حفظ مقاومت ساختاري برگزيده شد. شرايط خاص پزشكي هر بيمار، الزامات طراحي را دستخوش تغيير كرده و هيچ گاه يك هندسهي منحصر به فرد براي تمامي افراد با شرايط آناتوميكي، سلامت جسمي و ميزان فعاليت، وجود نخواهد داشت. به همين دليل به جاي آزمونهاي پرهزينه براي تمام حالات، الگوريتم بهينهسازي بيزين چندهدفه بر پايه يادگيري ماشين، توسعه يافت تا سه خروجي كليدي (سپر تنشي، تنش بيشينه ايمپلنت و تنش بيشينه استخوان) را هدفگيري كند. بدين صورت، طراحي هندسي ايمپلنتهاي متخلخل گرادياني به طور شخصي و متناسب با شرايط بيمار بوده و فرآيند دسترسي به پروتز برتر شخصيسازيشده براي هر بيمار ميّسر شود. ايمپلنت اسپليت-پي پس از مقايسه با چهار هندسهي ديگر تخلخل از نظر رفتار مكانيكي انتخاب شده و به صورت گراديان خطي در فضاي طراحي بدست آمده از محاسبات رياضي براي توليد تخلخل ايمپلنت به روش المان محدود، شبيهسازي شد. الگوريتم بهينهسازي بيزينِ تدوينشده در اين تحقيق با مأموريت كاهش سپر تنشي و تنشهاي بيشينه در محدودههاي مجاز براي هر هدف به بهبود دستهي راني ايمپلنتهاي متخلخل اسپليت-پيِ گراديان خطيِ پوستهدار ميپردازد و قادر به بهبود 80 درصدي سپر تنشي و بهبود 15 درصدي بيشينهي تنش ايمپلنت در مقايسه با پروتز توپر جامد مرسوم در بازار شده است.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/09/04
عنوان به انگليسي
Multi-objective Optimization of Porous Femoral Hip Prosthesis Stem
تاريخ بهره برداري
10/15/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
فرينا دهقان نژاددرارانداش
چكيده به لاتين
Aseptic loosening is the primary cause of long-term failure in hip replacement prostheses, predominantly resulting from the stress-shielding phenomenon. Stress shielding originates from the stiffness mismatch between the bone and the implant. Under daily loads such as walking, this phenomenon disrupts biological stimuli, leading to bone resorption and eventual loosening. To address this issue without compromising other mechanical properties, a strategy of stiffness reduction through the porosification of the implant structure was investigated. A titanium alloy was selected for its optimal biocompatibility and strength; however, structural modification was deemed essential for better compatibility with bone. Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) porous structures, known for their tunable geometric properties, were chosen to achieve adequate stress dispersion while maintaining structural integrity. Given that specific patient medical conditions alter design requirements, a single, unique geometry is not universally applicable for all individuals with varying anatomies, physical health, and activity levels. Consequently, instead of resorting to costly testing for all possible scenarios, a multi-objective Bayesian optimization algorithm based on machine learning was developed to target three key outputs: stress shielding, maximum implant stress, and maximum bone stress. This approach enables the personalized geometric design of gradient porous implants tailored to individual patient conditions, facilitating the development of a superior, customized prosthesis for each patient. Following a mechanical performance comparison with four other porous geometries, the split-P implant was selected as the best option. It was simulated with a linear gradient in the design space, derived from mathematical computations, for implant porosity fabrication using the Finite Element Method. The formulated Bayesian optimization algorithm in this research, tasked with minimizing stress shielding and maintaining maximum stresses within permissible limits for each component, successfully enhanced the femoral stem of the shelled linear-gradient split-P porous implant. The algorithm achieved an 80% improvement in stress shielding and a 15% improvement in the maximum implant stress compared to a conventional solid-market prosthesis.
كليدواژه هاي فارسي
بهينهسازي چندهدفهي كاشتنيهاي متخلخل مفصل ران , تخلخلهاي TPMS گرادياني ايمپلنتهاي ران غيرسيماني , دستهي راني متخلخل پروتزهاي جايگزيني مفصل ران
كليدواژه هاي لاتين
Porous femoral stem of hip replacement prostheses , Multi-objective optimization of porous hip implants
Author
Farina Dehghan Nezhad Derarandash
SuperVisor
Siavash Kazemirad