Topology Optimization Driven Bone-Remodeling Simulation for Lumbar Interbody Fusion

拓扑优化 应力屏蔽 有限元法 拓扑(电路) 骨重建 边界(拓扑) 计算机科学 融合 插值(计算机图形学) 结构工程 数学 医学 数学分析 工程类 外科 人工智能 语言学 哲学 组合数学 植入 运动(物理) 内科学
作者
Zuowei Wang,Weisheng Zhang,Yao Meng,Zhe Xiao,Yue Mei
出处
期刊:Journal of biomechanical engineering [ASM International]
卷期号:146 (12) 被引量:1
标识
DOI:10.1115/1.4066369
摘要

This study proposes a numerical approach for simulating bone remodeling in lumbar interbody fusion (LIF). It employs a topology optimization method to drive the remodeling process and uses a pixel function to describe the structural topology and bone density distribution. Unlike traditional approaches based on strain energy density or compliance, this study adopts von Mises stress to guide the remodeling of LIF. A novel pixel interpolation scheme associated with stress criteria is applied to the physical properties of the bone, directly addressing the stress shielding effect caused by the implanted cage, which significantly influences the bone remodeling outcome in LIF. Additionally, a boundary inverse approach is utilized to reconstruct a simplified analysis model. To reduce computational cost while maintaining high structural resolution and accuracy, the scaled boundary finite element method (SBFEM) is introduced. The proposed numerical approach successfully generates results that closely resemble human lumbar interbody fusion.
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