Computational Analysis of Prosthesis Production via Topology Optimization
| Autor: | Tavares, Cassiano da Silva |
|---|---|
| Přispěvatelé: | Rubert, Jose Benaque |
| Jazyk: | portugalština |
| Rok vydání: | 2022 |
| Předmět: |
Finite element method
ENGENHARIA BIOMEDICA::BIOENGENHARIA [ENGENHARIAS] ENGENHARIA MECANICA::PROCESSOS DE FABRICACAO [ENGENHARIAS] Bio-manufacturing ENGENHARIA DE PRODUCAO::PESQUISA OPERACIONAL [ENGENHARIAS] Próteses humanas Bio-fabricação Otimização topológica Topology optimization Human prostheses Método dos elementos finitos |
| Zdroj: | Repositório Institucional da UFSCAR Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR) instacron:UFSCAR |
| Popis: | Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) One of the great challenges faced by regenerative orthopedic medicine is the production of prostheses and implants seeking to achieve a behavior close to that of damaged or lost bones. The complexity of the task is due to the organic composition of bones and their continuous, but finite, capacity for biological renewal and, consequently, the limitation of regeneration. With this, the damage to the bone structure can reach two situations: it comes at a low level and the bone is able to regenerate, and the opposite case. When the first case occurs, the bone is able to regenerate itself with an external aid (splints and plaster). In the second case, there are three possible approaches: 1) performing an autograft with the patient's own biological material, 2) performing a graft with bone materials from another person, and 3) inserting a prosthesis. The latter is the context in which this work is developed. The use of Topological Optimization is considered in the design of prostheses in order to obtain more efficient solutions from the point of view of material distribution and internal efforts. Computational tests were carried out evaluating three solution methods: Optimality Criterion, Alternating Minimization, and Interior Points, respectively seeking to explore the elastic mechanical characteristics of four life stages of bones. Two formulations of the Minimum Compliance problem were implemented in the FEniCS environment. Two filters are used to handle pseudo-densities and mesh dependence in the material distribution proposed by Andreassen and Lazarov, respectively. Numerical examples are presented to verify the generality of the proposed methods. The results indicated that: (i) the life stage in which the bone tissue is directly affected by its mechanical properties and (ii) the exact methods with the density filter proposed by Lazarov enable the manufacture of the geometries generated through the Topology Optimization technique. Um dos grandes desafios enfrentados pela medicina ortopédica regenerativa se encontra na produção de próteses e implantes buscando obter um comportamento próximo ao dos ossos danificados ou perdidos. A complexidade da tarefa se deve à composição orgânica dos ossos e a sua contínua, porém finita, capacidade de renovação biológica e consequentemente limitação da regeneração. Com isso, o dano na estrutura óssea pode chegar a duas situações: atingir um nível baixo e o osso consegue se regenerar e o caso inverso. Quando o primeiro caso ocorre, o osso consegue se regenerar com um auxílio externo (talas e gesso). Já no segundo caso, existem três possíveis abordagens: 1) realizar um autoenxerto com o material biológico do próprio paciente, 2) realizar um enxerto com materiais ósseos de outra pessoa e 3) a inserção de uma prótese. Este último é o contexto em que se desenvolve este trabalho. Considera-se a utilização da Otimização Topológica no projeto de próteses a fim de obter soluções mais eficientes do ponto de vista da distribuição de material e esforços internos. Testes computacionais foram realizados avaliando três métodos de solução: Critério de Otimalidade, Minimização Alternada e Pontos Interiores, respectivamente buscando explorar as características mecânicas elásticas de quatro fases de vida dos ossos. Duas formulações do problema de Mínima Flexibilidade foram implementados no ambiente FEniCS. São utilizados dois filtros para tratar pseudo-densidades e dependência de malha na distribuição de material propostos por Andreassen e Lazarov, respectivamente. São apresentados exemplos numéricos para verificar a generalidade dos métodos propostos. Os resultados indicaram que: (i) a fase de vida em que o tecido ósseo se encontra afetam diretamente suas propriedades mecânicas e (ii) os métodos exatos com o filtro de densidades proposto por Lazarov viabilizam a manufatura das geometrias geradas através da técnica de Otimização Topológica. 001 |
| Databáze: | OpenAIRE |
| Externí odkaz: |
|