Fuzzy reasoning system design and assessment of load-bearing endoprostheses and their fabrication processes

• Autorzy: Sobieszczyk S.

Warianty tytułu

PL

System wnioskowania rozmytego dla projektowania i oceny endoprotez przenoszących obciążenie oraz procesu ich produkcji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Five attempts of an application of a fuzzy reasoning approach to problems encountered in biomechanics and engineering of biomaterials are presented. They include: (A) assessment of maximum contact stress acting on endoprosthesis, (B) design of sintering plan to obtain a porous/scaffold implant, (C) design of oxidation plan to obtain nanotubular oxide structure on the Ti alloy, (D) and (E) design of deposition of hydroxyapatite coating on the Ti alloy. The fuzzy reasoning system is shown to well predict: the maximum contact stress estimation on acetabular surface of the load-bearing hip joint endoprosthesis for chosen and given Wiberg's angle values and patient's body weight; the optimal geometry of scaffold's architecture; the geometry of TiO2 nanotubular layer on titanium surface and directions of the adjustment of fabrication conditions; the ratio of Ca/P and the coating crystallinity; effects of control factors (sintering temperature and content of ZnO) on mechanical properties of BHA-ZnO composite. A small deviation of the predicted values from those obtained in the course of experiments can be decreased by improvement of the proposed fuzzy model i.e. adjusting fuzzy membership functions of input and output variables.

PL

Zaproponowano pięć zastosowań podejścia rozumowania rozmytego do rozwiązania problemów w dziedzinie biomechaniki oraz inżynierii biomateriałów. Obejmują one: (A) oszacowanie maksymalnych naprężeń kontaktowych działających na endoprotezę, (B) zaprojektowanie procesu spiekania dla otrzymania porowatego implantu, (C) opracowanie planu utleniania w celu otrzymania struktury nanorurkowej na stopach Ti, (D) oraz (E) zaprojektowanie osadzania powłoki hydroksyapatytowej na stopach Ti. System wnioskowania rozmytego umożliwił poprawne oszacowanie: maksymalnych naprężeń kontaktowych na powierzchnię panewki w endoprotezie stawu biodrowego przenoszącej obciążenia dla wybranych wartości kata Wiberg'a oraz masy ciała pacjenta; optymalną geometrię architektury rusztowania implantu; optymalną geometrię nanorurkowej warstwy tlenku TiO2 na powierzchni tytanu oraz optymalizację warunków procesu jej wytwarzania; stosunek molowy Ca/P oraz krystaliczność powłoki; wpływ określonych czynników (temperatura spiekania oraz zawartość ZnO) na włsności mechaniczne kompozytu BHA-ZnO. Zauważono niewielkie odchyłki przewidywanych wartości od parametrów uzyskanych w trakcie przeprowadzania eksperymentów, które mogą zostać zmniejszone poprzez odpowiednie dostrojenie modelu rozmytego, np. poprzez regulację rozmytych funkcji przynależności dla zmiennych wejściowych i wyjściowych.

Słowa kluczowe

EN

biomaterials; fuzzy reasoning; prediction

PL

wnioskowanie rozmyte; endoprotezy; biomechanika; biomateriały

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 57, iss. 3
• Strony: 760--766
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Sobieszczyk S.

• Gdansk University of Technology, Taculty of Mechanical Engineering, 80-233 Gdansk, 11/12 Narutowicza str., Poland

Bibliografia

• [1] B. Kosko, Fuzzy thinking: The New science for fuzzy logic. New York: Hyperion 1993.
• [2] R. Jang, N. Gulley, Fuzzy Logic Toolbox User’s Guide. The MathWorks, Inc. 1995.
• [3] M. Daniel, V. Antolic, A. Iglic, V. Kralj-Iglic, Determination of contact hip stress from nomograms based on mathematical model. Medical Eng. & Physics 23, 347-357 (2001).
• [4] B. The, A. Hosman, J. Kootstra, V. Kralj-Iglic, G. Flivik, N. Verdonschot, R. Diercks, Association between contact hip stress and RSA-measured wear rated in total hip arthroplasties of 31 patients. J of Biomechanics 41, 100-105 (2008).
• [5] W. G. Ward, K. S. Johnston, F. J. Dorey, J. J. Eckardt, Loosening of massive proximal femoral cemented endoprosthesis. The Journal of Arthroplasty (12)7, 741-750 (1997).
• [6] J. Okrajni, A. Jasik, Mechanical reason of femoral bone tissue remodeling - an attempt of problem approach. J of Medical Informatics & Technologies 4, 19-26 (2002).
• [7] B. Mavcic, B. Pompe, V. Antolic, M. Daniel, A. Iglic, V. Kralj-Iglic, Mathematical estimation of stress distribution in normal and dysplastic human hips. J of Orthopaedic Research (20)5, :1025-1030 (2002).
• [8] Y. W. Gu, M. S. Yong, B. Y. Tay, C. S. Lim, Synthesis and bioactivity of porous Ti alloy prepared by foaming with TiH2. Materials Science and Engineering (C)29, 1515-1520 (2009).
• [9] V. Karageorgiou, D. Kaplan, Porosity of 3D biomaterial scaffolds and osteogenesis. Biomaterials 26, 5474-5491 (2005).
• [10] I. H. Oh, N. Nomura, N. Masahashi, S. Hanada, Mechanical properties of porous titanium compacts prepared by powder sintering. Scripta Mater. 49, 1197-1202 (2003).
• [11] J. P. Li, S. H. Li, K. Groot, P. Layrolle, Preparation and characterization of porous titanium. Key Eng. Mater 218, 51-54 (2002).
• [12] K. Alvarez, H. Nakajima, Metallic scaffolds for bone regeneration. Materials 2, 790-832 (2009).
• [13] A. Ghicov, H. Tsuchiya, J. M. Macak, P. Schmuki, Titanium oxide nanotubes prepared in phosphate electrolytes. Electrochemistry Comm 7, 505-509 (2005).
• [14] K. S. Raja, M. Misra, K. Paramguru, Deposition of calcium phosphate coating on nanotubular anodized titanium. Materials Letters 59, 2137-2141 (2005).
• [15] S. Bauer, S. Kleber, P. Schmuki, TiO2 nanotubes: Tailoring the geometry in H3PO4/HF electrolytes. Electrochemistry Communications 8, 1321-1325 (2006).
• [16] S. Kaneco, Y. Chen, P. Westerhoff, J. C. Crittenden, Fabrication of uniform size titanium oxide nanotubes: Impact of current density and solution conditions. Scripta Materialia 56, 373-376 (2007).
• [17] T. Hayami, S. Hontsu, Y. Higuchi, H. Nishikawa, M. Kusunoki, Osteoconduction of a stoichiometric and bovine hydroxyapatite bilayer – coated implant. Clinical Oral Implants Research 774-776 (2011).
• [18] C. Garcia, S. Cere, A. Duran, Bioactive coatings deposited on titanium alloys. Journal of Non-Crystalline Solids 352, 3488-3495 (2006).
• [19] T. Blalock, B. Xiao, A. soRabiei, A study on microstructure and properties of calcium phosphate coatings processed using ion beam assisted deposition on heated substrated. Surface & Coating Technology 201, 5850-5858 (2007).
• [20] M. Hamdi, A.-I. Ektessabi, Calcium phosphate coatings: A comparative study between simultaneous vapor deposition and electron beam deposition techniques. Surface & Coatings Technology 201, 3123-3128 (2006).
• [21] O. Gunduz, E. M. Erkan, S. Daglilar, S. Salman, S. Agathopoulos, F.N. Oktar, Composites of bovine Hydroxyapatite (BHA) and ZnO. Journal of Materials Science 43, 2536-2540 (2008).
• [22] A. Ruksudjarit, K. Pengpat, G. Rujijanagul, T. Tunkasiri, Synthesis and characterization of nanocrystalline hydroxyapatite from natural bovine bone. Current Applied Physics 8, 270-272 (2008).
• [23] A. M. Janus, R. Major, M. Faryna, Influence of sintering temperature on morphology of dense bioceramics based on hydroxyapatite derived from porcine bones, Inzynieria Materiałowa 21, 3, 767-769 (2010).
• [24] K. Haberko, i in.: Natural hydroxyapatite- its behavior during heat treatment, J Eur Ceram Soc 26, 537-542 (2006).
• [25] A. Slósarczyk, Biocybernetyka I Inzyniera Biomedyczna 2000, Tom 4. Biomateriały, Exit, Warszawa (2003) 99-156.
• [26] G. Goller, F. N. Oktar, S. Agathopoulos, D. U. Tulyaganov, J. M. F. Ferreira, E. S. Kayali, I. Peker, Effect of sintering temperature on mechanical and microstructural properties of bovine Hydroxyapatite (BHA). J Sol-Gel Sci Techn 37, 111-115 (2006).
• [27] W. Siler, J. J. Buckley, Fuzzy expert systems and fuzzy reasoning. Canada: John Wiley & Sons Inc. 2005.
• [28] E. Genda, N. Iwasaki, G. Li, B. A. MacWilliams, P. J. Barrance, E. Chao, Normal hip joint contact pressure distribution in single-leg standing-effect of gender and anatomic parameters. J. of Biomechanics 34, 895-905 (2001).
• [29] A. Iglic, V. Kralj-Iglic, M. Daniel, A. Macek-Lebar, Computer Determination of Contact Stress Distribution and Size of Weight Bearing Area in Human Hip Joint. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Eng. (5)2, 185-192 (2002).
• [30] A. Rabiei, B. Thomas, B. Neville, J. W. Lee, J. Cuomo, A novel technique for processing functionally graded HA coatings. Materials Science and Engineering C 27, 523-528 (2007).