Shape optimization of the femoral component of cemented hip prosthesis using finite-element analysis

Abstract

SEMENTLI TOTAL KALÇA PROTEZİNİN FEMORAL BİLEŞENİNİN SONLU-ELEMAN ANALİZİ YOLUYLA ŞEKİLSEL OPTİMİZASYONU ÖZET Sementli total kalça protezinin uzun vadeli operasyon sonrası sorunlarıyla ilişkili yaygın olguların en önemli ikisi, aseptik gevşeme ve gerinim-uyarlamalı kemik şekillenmesidir. Bu olgular sırasıyla, sement katmanındaki ve kemik korteksindeki gerilme seviyeleri ile ilişkilendirilmiştir Bu çalışmada, protez, sement katmanı ve kemik parametrik olarak modellenmiştir. Montaj tasarımı, protez sapırım uzunluğunu, kalınlığını ve sivriliğini temsil eden üç tasarım değişkenine bağlanmıştır. Protezli ve normal femurun iki boyutlu sonlu-eleman modelleri, literatürden alınan malzeme özellikleri ve yükleme koşullan kullanılarak yapılmıştır. Sapm optimal şekline ulaşmak için, rastsal arama yöntemini kullanan bir yazılım programı üretilmiş ve kullanılmıştır. Optimizasyonun amacı, sement katmanındaki azami gerilmeyi en aza indirirken, femur korteksindeki gerilmeyi makul bir seviyede tutmaktır. Öte yandan, optimizasyon sonuçlarını doğrulamak amacıyla, gerilmeyi sapm uzunluğu ve malzemesiyle ilişkilendiren parametrik bir çalışma da yapılmıştır. Analiz sonuçlan literatür ile uyumludur. 51 katı model ve 72 analizin ardından bir optimum sap tasarımına ulaşılmıştır. Parametrik çalışma sonucunda, her protez malzemes için belirli bir optimum sap uzunluğu olması gerektiği ortaya çıkmıştır. Anahtar sözcükler: Total kalça protezi, sonlu-eleman analizi, sap tasarımı, optimizasyon

IV SHAPE OPTIMIZATION OF THE FEMORAL COMPONENT OF CEMENTED HIP PROSTHESIS USING FINITE ELEMENT ANALYSIS ABSTRACT Aseptic loosening and strain-adaptive bone remodeling are the two most common phenomena that are associated with the long-term post-operative problems of cemented total hip replacement. These phenomena are related to the stress levels in the cement layer and in the cortical bone, respectively, In the present study, the prosthesis, the cement, and the bone are parametrically modeled. The assembly design is related to three design variables, which represent the length, the thickness, and the sharpness of the prosthesis stem. Two-dimensional finite- element models of the implanted and intact femora are created with the material properties and loading conditions obtained from the literature. A software program utilizing random search method is created and used to achieve the optimal shape of the stem. The objective of the optimization was to minimize the maximum stress in the cement layer, while maintaining a reasonable stress level in the cortical bone. A parametric study relating the stress with the length and the material of the stem is also conducted to verify the result of the optimization, Results of analyses are harmonious with the literature. After 51 solid models and 72 analyses, an optimum stem design is reached. The parametric study reveals that there should be an optimal stem length for each prosthesis material Keywords: Total hip replacement, finite-element analysis, stem design, optimization