Sviluppo di un concept design di protesi d’anca patient specific per la riduzione dello stress shielding

L’obiettivo di questo lavoro di tesi è lo sviluppo di un una procedura di ottimizzazione numerica che sia di supporto alla progettazione di protesi d’anca patient specific. Il lavoro si focalizza sulla riduzione delle possibilità di fallimento dell’impianto a causa dello stress shielding, un fenomeno che può verificarsi a seguito di operazioni di artroprotesi totale d’anca. La procedura di ottimizzazione si basa sull’analisi di immagini di tomografia computerizzata, da cui si ricava la mappatura delle proprietà meccaniche dell’osso; seguono le analisi agli elementi finiti per la previsione del rimodellamento osseo, risolte tramite il software Ansys. Il risultato del processo di ottimizzazione è una geometria della protesi che riduce il riassorbimento osseo successivo allo stress shielding post-intervento. Nell’ottica di implementare un framework di ottimizzazione topologica è stato necessario un tuning del codice Ansys che riducesse i tempi computazionali, portando la singola iterazione a durare meno di un’ora. L’algoritmo di ottimizzazione è stato sviluppato in Matlab: si tratta di una procedura gradient free, proposta in letteratura come Proportional Topology Optimization. Il framework di calcolo proposto è stato realizzato nell’ottica di renderlo compatibile con i tempi ristretti che spesso si riscontrano nell’ambito degli interventi di artroprotesi. I vincoli temporali e soprattutto le geometrie complesse risultanti dalle ottimizzazioni topologiche, rendono la soluzione proposta adatta ad essere realizzata mediante tecniche di manifattura additiva.