Collaborative Research: Methodology for Computer Experiments with Special Application to Orthopedic Research

协作研究:特别应用于骨科研究的计算机实验方法

基本信息

项目摘要

Motivated by problems of biomechanical engineering, this collaborative research project develops and implements statistical tools for the design and analysis of computer experiments that have particular application to prosthesis design. These tools are used to create ace tabular cups designs that are resistant to pelvic osteolysis in a 3D model finite-element model for bone adaptation in the pelvis. A second specific biomechanical task is to validate/calibrate the computer codes for polyethylene wear in knee components from mechanical knee simulator studies. More generally, this work provides a suite of implemented tools that allow cost-effective and rapid engineering development of a wide range of product applications. It helps merge the statistical and engineering design communities by forcing the former to address fully articulated design problems and the latter to anchor the solution of these problems in rigorous stochastic and statistical methodology. The methodology may also prove useful in the analysis of other large computer models such as the climate, exposure, and pollution models used in environmental science. On the statistical front, exploratory designs are developed for computer experiments that allow better estimation of extreme outcomes, important for assessing the frequency of dangerous high stress-strain situations in a given patient population when a given prosthesis-design is used. This objective can be thought of as a robustness assessment tool for the given prosthesis design. Second, sequential designs are devised for constrained optimization problems, which are important in prosthesis design where multiple, competing outcomes occur frequently. On the analysis front, predictors are developed that give more accurate assessment of optima of predicted surfaces; these are used to produce faster (in the sense of requiring fewer evaluation of time-demanding computer code) solutions of constrained optimization problems. Finally, prediction methodology is developed for computer codes that use both qualitative and quantitative inputs. This project develops and implement statistical tools for the design and analysis of computer experiments that have particular application to prosthesis design. Computer experiments are cost-effective in rapid engineering development of a wide range of product applications. The project develops both statistical and mathematical tools that are useful outside of the current application of prosthesis design.
这项协作研究项目是由生物力学工程问题的激励,开发并实施了统计工具,用于设计和分析具有特殊应用假体设计的计算机实验。 这些工具用于创建ACE表格杯设计,在3D模型有限元模型中用于骨盆中的骨骼适应性模型中对骨盆骨溶解具有抗性。 第二个特定的生物力学任务是验证/校准来自机械膝盖模拟器研究的膝盖成分中聚乙烯磨损的计算机代码。 更一般而言,这项工作提供了一套实施的工具,可允许广泛的产品应用程序进行成本效益和快速的工程开发。 它通过强迫前者解决完全铰接的设计问题,并在严格的随机和统计方法中锚定解决这些问题的解决方案,从而有助于合并统计和工程设计社区。该方法还可以证明在分析其他大型计算机模型(例如环境科学中使用的气候,暴露和污染模型)中很有用。在统计方面,开发了用于计算机实验的探索设计,以更好地估计极端结果,对于使用给定的假体设计时,给定患者人群中危险的高应力应变情况的频率很重要。 可以将该目标视为给定假体设计的稳健性评估工具。 其次,设计了针对约束优化问题的顺序设计,这对于经常发生多个竞争结果的假体设计很重要。 在分析方面,开发了预测因子,可以更准确地评估预测表面的最佳。这些用于生产约束优化问题的更快(在需要更少的计算机代码评估)解决方案的情况下。 最后,为使用定性和定量输入的计算机代码开发了预测方法。 该项目开发并实施统计工具,用于设计和分析特定应用于假体设计的计算机实验。计算机实验在广泛的产品应用程序的快速工程开发中具有成本效益。该项目开发了统计和数学工具,这些工具在当前的假体设计应用之外也很有用。

项目成果

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