3D打印踝关节融合假体重建胫骨远端肿瘤切除后骨缺损的有限元分析

赵志庆; 王冀川; 燕太强; 郭卫; 杨荣利; 汤小东

doi:10.3969/j.issn.2095-252X.2023.12.002

摘要：目的通过对胫骨下段缺损假体重建后的模型进行有限元分析,了解假体重建模型各个部位的应力、形变,明确结构的初期强度,为临床应用提供理论依据.方法采集 1 名正常成年人胫腓骨薄层 CT数据,采用 Mimics 软件进行胫腓骨及踝关节三维重建.通过 Solidwork 软件构建正常胫骨-腓骨-距骨模型与假体重建胫骨远端骨缺损模型.通过 ANSYS 软件应用有限元法进行力学分析.螺钉与假体的接触关系为绑定接触,假体与皮质骨的接触关系为滑移接触,螺钉与皮质骨的接触关系为绑定接触.在胫骨平台上施加600 N 的垂直模拟载荷,以模拟人体单足站立时胫腓骨的状态,来评估和比较不同重建模型的应力和位移变化.在胫骨平台上的中立位施加 600 N 的垂直载荷,同时,再以胫骨的纵轴为旋转中心,施加 2.7 N·m 的顺时针和逆时针力矩,以模拟下肢的外旋载荷和内旋载荷.结果在施加 600 N 垂直应力于胫骨平台时,正常胫腓骨模型的最大 von Mises 压应力为 8.27 MPa,von Mises 压应力的集中区域为胫骨中段后方皮质骨.模型最大形变部位在胫骨平台外侧及腓骨头,形变距离为 4 mm.施加 2.7 N·m 的顺时针和逆时针力矩时,最大 von Mises 压应力为 14.25 MPa,位于胫骨中段皮质,位移最大点位于胫骨近端前方皮质,为 2.47 mm.在模拟单腿站立时,假体模型的最大 von Mises 压应力为 51.98 MPa,位于假体远端的 1 枚交叉螺钉处,模型的其余部分受力均匀.形变分析结果显示假体重建模型最大位移小于正常胫腓骨模型,仅为 0.74 mm,位于胫骨平台外侧及腓骨头,部位与正常胫腓骨模型一致.施加 2.7 N·m 的顺时针和逆时针力矩,最大 von Mises 压应力为 15.44 MPa,位于假体远端的抗旋转螺钉处,旋转时位移最大点位于胫骨平台外侧与腓骨头接触部位,仅为0.07 mm.结论胫骨下段 3D 打印踝关节融合型假体重建胫骨下段恶性骨肿瘤切除后的骨缺损模型中假体及骨受力均匀,稳定性好,理论上是可靠的重建方式.