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中文摘要
基于骨密度螺钉通道和假体优化设计提高半骨盆假体稳定性
背景:
原发性骨盆肿瘤在全身原发性骨肿瘤中约占10-15%,其中多数为恶性肿瘤。
目前,对于骨盆肿瘤的切除和重建,常依据Enneking分型进行分类:区涉及I
ⅡⅢⅣ
髂骨区,区涉及髋臼区及其周围结构,区涉及坐骨和耻骨区,区涉及骶
III
骨区。当肿瘤同时侵袭区和区,且范围较大时,通常需要进行半骨盆的切
除和重建。在骨盆切除后的假体重建术中,用于固定半骨盆假体的螺钉承受着
不同形式的载荷,其中包括扭转与剪切力,长此以往容易引起螺钉断裂与假体
周围骨折。此外,由于半骨盆假体多为实心金属材质,其弹性模量远高于骨盆,
会产生严重的应力屏蔽效应,最终导致假体失效。
3D
为了解决这些问题,本研究结合打印技术并提出了一种全新的骶骨螺
钉通道设计——骨密度螺钉通道,并利用拓扑优化技术对半骨盆假体结构进行
优化设计,以达到优化应力分布、减少应力屏蔽、提高假体生物力学性能的目
的,为半骨盆假体的设计提供了新的解决方案。
方法:
40CT
通过收集名患者的骶骨数据,测量患者骶骨矢状面的骨密度分布,
65
以明确骨密度较高的区域,并将其确定为骨密度螺钉通道。选择一名岁的骨
CT
盆肿瘤女性患者,以她的数据构建非均质骶骨三维模型并与半骨盆假体完
成组装,采用有限元分析对骨密度螺钉与传统螺钉的力学性能进行对比。此外,
30%70%
使用拓扑优化设计用于改进半骨盆假体的结构,将优化区域分别以和
孔隙率的微孔网格进行替代,旨在降低半骨盆假体的弹性模量。将应力分布、
微动以及应变能作为评价指标,评估骨密度螺钉通道以及拓扑优化半骨盆假体
的稳定性。
结果:
骨密度螺钉通道的方向从耳状面的后外侧入口,一直延伸至对侧骶骨岬。
I
通过骨密度螺钉与传统螺钉的对比,骨密度螺钉的应力和微动均展现出更好的
结果。通过对比原始假体和优化后假体,发现优化假体在最大应力方面减小了
44.29%,同时骶骨的最大应力下降了27.53%。此外,骶骨的平均应变能密度增
加了19.22%,而微动超过28µm的面积也减少了29.40%,螺钉表面的微动超过
28µm的面积减少了33.40%。
结论:
基于骶骨骨密度分布确定的螺钉通道,结合半骨盆假体的拓扑优化设计和
微孔结构设计,具有有效改善半骨盆假体生物力学性能的能力,为实现长期生
物学固定提供了可靠的基础,从而提高了假体的长期稳定性。该方法可为临床
骨盆重建中假体的固定提供参考。
关键词:
骨盆肿瘤,骨密度,半骨盆假体,有限元分析,拓扑优化
II
Abstract
Enhancingthestabilityofthehemipelvicprosthesisinvolves
leveragingascrewchannelinfluencedbybonemineraldensityand
optimizingthedesignoftheprosthesis.
Background:
Primarypelvictumorscompriseappro
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