Вероятностная стратегия проектирования усовершенствованного стержня ОстинаМура, используемого в искусственном бесцементном эндопротезе тазобедренного сустава

Введение. использование вероятностного анализа важно тогда, когда входные данные случайны, что приводит к стохастическим результатам. Эта статья описывает интеграцию вероятностной стратегии проектирования сплошных и полых стержней, имплантируемых в проксимальный отдел бедра, для проведения сравнения их преимуществ. Используемый полый стержень получил название «Улучшенная модель Остина-Мура» (IAM).

Материалы и методы. Вероятностные методы позволяют учитывать различия в факторах, контролирующие биомеханические эффекты имплантированного бедра при определении его эффективности. Различные свойства применяемого материала генерировались случайным образом с помощью метода Монте-Карло (MCS), который также был использован для выборки проб, а в качестве показателя эффективности были выбраны различные напряжения по-Мизесу слоёв (кости и металла).

Результаты. Простое двухмерное исследование кости имплантата со сплошным и IAM-дизайном стержня проводился с высоким уровнем достоверности  99,87%, что соответствует целевому индексу надежности с учетом статистической неопределенности. Результаты вероятностного проектирования показывают, что входные и выходные параметры для стержня IAM сильно коррелированы относительно параметров сплошного стержня. Обсуждение и выводы. Анализ чувствительности показывает, что входные параметры для IAM − стержня играют гораздо более значительную роль в выходных параметрах по сравнению со сплошным стержнем. Стержень IAM намного более выгоден, чем стержень сплошного сечения, что приводит к повышению производительности протеза тазобедренного сустава.

1. Gonzalez CD. Probabilistic Finite Element Analysis of Un-cemented Total Hip Replacement, PhD thesis. School of Engineering Sciences, Bioengineering Sciences Research Group: University of Southampton; March 2009.

2. Kharmanda G, Antypas I. Reliability-based design algorithm for artificially replaced hip prosthesis considering material property uncertainty. Journal of Advances in Engineering Research, AER. 2018. Advances in Engineering Research (AER). 2018;157:44−50. https://www.atlantis-press.com/proceedings/aime-18/25901891

3. Kharmanda G, El-Hami A, Ibrahim MH. Integration of reliability and optimization concepts into orthopedic prosthesis design: Application on hip prosthesis design. Journal of Uncertainties and Reliability of Multiphysical Systems. 2017. DOI: 10.21494.ISTE.OP.2017.0120

4. Kharmanda G, Albashi L. Numerical Study for Increasing Efficiency of Artificially Un-cemented Hip Joint. Research Journal of Aleppo University, Engineering Science Series. 2011;101:47−64.

5. Kharmanda G, Mulki S, Sabsabi Y. Compter-Aided Design of Internal Replacement Models in Orthopedics Surgery. Research Journal of Aleppo University, Engineering Science Series. 2012;105:312−328.

6. Kharmanda G. Integration of multi-objective structural optimization into cementless hip prosthesis design: Improved Austin-Moore model, Computer Methods. Biomechanics and Biomedical Engineering. 2016;19(14):1557- 1566. DOI: 10.1080/10255842.2016.1170121

7. Mackerle J. Finite element modeling and simulations in orthopedics. Bibliography 1998–2005, J. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 2006; 9(3):149–199. DOI: 10.1080/10255840600751523

8. Senapati S-K, Pal S. UHMWPE-alumina Ceramic Composite. A Proposed Metal Substitute for Artificially Replaced Hip Joint. IE (I) Journal MC. 2005;85:157−162. https://www.researchgate.net/scientificcontributions/2092553592_SK_Senapati.

9. Shaik SA, Bose K, Cherukuri HP. A study of durability of hip implants. Materials and Design. 2012;42:230–237. DOI: 10.1016/j.matdes.2012.05.049

10. Beaupré GS, Orr TE, Carter DR. An approach for time-dependent bone modeling and remodelingapplication: a preliminary remodeling simulation. Journal of Orthopaedic Research. 1990;8(5):662–670. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/jor.1100080507

11. Kharmanda G, El-Hami A. Reliability Concept. Reliability in Biomechanics. 2016:63−112. DOI: 10.1002/9781119370840.ch2 P.

12. Haldar A, Mahadevan S. Probability, reliability and statistical methods. Engineering design. New York, USA: John Willey & Sons; 2000. P. 304. https://books.google.ru/books?id=wZNRAAAAMAAJ&redir_esc=y

13. McKay MD, Beckman RJ, Conover WJ. A comparison of three methods for selecting values of input variables. The analysis of output from a computer code. Technometrics. 1979;42:55–61. DOI: 10.1080/00401706.1979.10489755

14. Kharmanda G, Antypas I. Integration of Reliability Concept into Soil Tillage Machine Design. Vestnik of Vestnik of Don State Technical University. 2015;15(2):22−31. DOI: https://doi.org/10.12737/11610

15. Jeppsson J. Reliability-based assessment procedures for existing concrete structures: PhD dissertation. Division of Structural Engineering, Lund University. 2003. P. 199.

16. Cheal E, Spector M, Hayes W. Role of loads and prosthesis material properties on the mechanics of the proximal femur after total hip arthroplasty. Journal of Orthopaedic Research. 1992;10(3):405−422. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/jor.1100100314

17. Kayabasi O, Ekici B. Probabilistic design of a newly designed cemented hip prosthesis using finite element method. Materials and Design. 2008;9(5):963−971. DOI: 10.1016/j.matdes.2007.03.024