构造方向和支结构对人类膝关节置换器的增材制造的影响:一项计算研究
Stephanie DeCarvalho1, Osama Aljarrah2, Zi Chen3
1Department of Mechanical Engineering, University of Massachusetts Dartmouth, 285 Old Westport Road, Dartmouth, MA, 02747, USA.
Medical & biological engineering & computing
|March 3, 2024
概括
使用增材制造 (AM) 进行的针对患者的膝关节置换可以使用新的计算框架进行优化. 这种方法模拟了AM过程,以减少扭曲和残余应力,改进植入物设计.
科学领域:
- 生物医学工程 生物医学工程
- 材料科学 材料科学 材料科学
- 计算力学 计算力学 计算力学
背景情况:
- 针对患者的植入物正在通过增材制造 (AM) 获得吸引力.
- 尽管取得了进展,但全膝关节置换 (TKR) 患者的满意度仍然低于最佳水平,不满意度高达20%.
- 补充剂允许患者特定的植入物具有复杂的几何形状,但剩余应力和形状扭曲是令人担忧的.
研究的目的:
- 为优化患者特异性增材制造膝关节置换提供一个计算框架.
- 使用CT图像创建患者特定的有限元模型.
- 分析AM过程参数对植入物质量的影响.
主要方法:
- 开发了一个集成CT图像处理 (3DSlicer,MeshLab) 和AM过程模拟 (3DEXPERIENCE) 的工作流.
- 从医学成像数据创建了针对患者的有限元模型.
- 模拟了远端股骨置换的增材制造过程,分析了构建方向和支结构.
主要成果:
- 构造方向显著影响AM膝关节置换中的形状扭曲和残余应力.
- 支结构对残余应力的影响很小,但对形状扭曲的影响很大.
- 形支结构导致最大形状扭曲为18.5毫米.
结论:
- 该计算框架有效地建模和分析影响AM膝关节置换质量的因素.
- 建筑方向和支结构是最大限度地减少扭曲和剩余压力的关键参数.
- 需要进一步的研究来将这些因素与在使用中的植入物功能相关联.
