Finite Element analysis of different configurations of pediatric oncologic implants for proximal femoral resection

Introduction Pediatric malignant bone tumors, particularly osteosarcoma, frequently require extensive bone resections and complex reconstructive procedures. In skeletally immature patients, proximal femoral reconstruction represents a major biomechanical challenge due to reduced bone dimensions, ongoing skeletal growth and the need to preserve the remaining bone stock. In this context, the interaction between the prosthetic stem and the residual femur plays a crucial role in determining implant stability and physiological load transfer. The aim of this thesis is to investigate the biomechanical behavior of the residual femoral bone following proximal femoral resection through finite element analysis (FEA), focusing on the combined effect of different resection levels and prosthetic stem lengths. Materials and methods A patient-specific numerical model was developed starting from computed tomography (CT) images of a 14-year-old pediatric patient treated at Meyer Children’s Hospital in Florence, Italy. Cortical bone, trabecular bone and growth plate regions were segmented and reconstructed using 3D Slicer, while numerical simulations were performed in Abaqus. The oncological reconstruction was performed using the modular LINK Megasystem-C prosthetic system. Different oncological reconstruction configurations were developed by varying both the proximal femoral resection level and the intramedullary stem length of the prosthesis. An axial load of 250 N was applied along the mechanical axis to simulate physiological loading conditions representative of static standing with bilateral support. Stress distribution within the bone was evaluated by dividing the femur into 5 regions of interest. Results Numerical analysis focused primarily on the evaluation of Von Mises stress distribution within the residual cortical bone. The results show that both stem length and resection level influence the mechanical response of the femur. In all investigated configurations, the average stress within the cortical bone remained below 5 MPa. The highest stress levels were consistently observed at the bone–implant interface, and around the stem tip. Increasing stem length promoted a more distal transfer of loads and generally reduced stress levels within the residual bone. Similarly, increasing the proximal femoral resection length resulted in a progressive decrease in cortical stress values. Discussion The findings suggest that both stem length and resection level affect load transfer within the pediatric femur. The reduction in stress observed with longer stems and more extensive resections indicates a progressive shift of load transmission from the residual bone to the stem, potentially increasing the risk of stress shielding. Conversely, shorter stems promoted greater proximal load transfer, resulting in a more physiological mechanical environment but also higher local stress concentrations. These results highlight the importance of balancing implant stability and preservation of physiological bone loading when planning pediatric proximal femoral reconstructions. Conclusion The present study highlights the importance of considering both resection level and stem length during pediatric proximal femoral reconstruction. The developed patient-specific finite element model provides a useful framework for investigating bone–implant biomechanics and may support future optimization of surgical planning and prosthetic design in skeletally immature patients.

I tumori ossei maligni pediatrici, in particolare l'osteosarcoma, richiedono frequentemente ampie resezioni ossee e complesse procedure ricostruttive. Nei pazienti scheletricamente immaturi, la ricostruzione del femore prossimale rappresenta una rilevante sfida biomeccanica a causa delle ridotte dimensioni ossee, della crescita scheletrica ancora in corso e della necessità di preservare l’osso residuo. In questo contesto, l'interazione tra lo stelo protesico e il femore residuo svolge un ruolo fondamentale nel determinare la stabilità dell'impianto e il trasferimento fisiologico dei carichi. L'obiettivo di questa tesi è studiare il comportamento biomeccanico dell'osso femorale residuo in seguito a resezione del femore prossimale tramite analisi agli elementi finiti (Finite Element Analysis, FEA), focalizzandosi sull'effetto combinato di differenti livelli di resezione e diverse lunghezze dello stelo protesico. È stato sviluppato un modello numerico patient-specific a partire da immagini di tomografia computerizzata (CT) di un paziente pediatrico di 14 anni trattato presso l'Ospedale Pediatrico Meyer di Firenze. Le regioni corrispondenti all'osso corticale, all'osso trabecolare e alla placca di accrescimento distale sono state segmentate e ricostruite mediante il software 3D Slicer, mentre le simulazioni numeriche sono state eseguite in Abaqus. La ricostruzione oncologica è stata realizzata utilizzando il sistema protesico modulare LINK Megasystem-C. Sono state sviluppate diverse configurazioni ricostruttive variando sia il livello di resezione del femore prossimale sia la lunghezza dello stelo intramidollare della protesi. Un carico assiale di 250 N è stato applicato lungo l'asse meccanico per simulare condizioni fisiologiche di carico rappresentative della posizione eretta statica con appoggio bilaterale. La distribuzione degli stress all'interno dell'osso è stata valutata suddividendo il femore in cinque regioni di interesse. L'analisi numerica si è concentrata principalmente sulla valutazione della distribuzione degli stress di Von Mises all'interno dell'osso corticale residuo. I risultati mostrano che sia la lunghezza dello stelo sia il livello di resezione influenzano la risposta meccanica del femore. In tutte le configurazioni analizzate, lo stress medio all'interno dell'osso corticale è rimasto inferiore a 5 MPa. I valori più elevati di stress sono stati osservati in corrispondenza dell'interfaccia osso-impianto e nella regione circostante la punta dello stelo. L'aumento della lunghezza dello stelo ha favorito un trasferimento più distale dei carichi e ha generalmente ridotto i livelli di stress nell'osso residuo. Analogamente, l'aumento della lunghezza di resezione del femore prossimale ha determinato una progressiva diminuzione dei valori di stress nell'osso corticale. I risultati suggeriscono che sia la lunghezza dello stelo sia il livello di resezione influenzano i meccanismi di trasferimento del carico all'interno del femore pediatrico. La riduzione degli stress osservata per steli più lunghi e resezioni più estese indica un progressivo trasferimento del carico dall'osso residuo allo stelo protesico, con un potenziale aumento del rischio di stress shielding. Al contrario, gli steli più corti favoriscono un maggiore trasferimento prossimale del carico, determinando un ambiente meccanico più fisiologico ma associato a maggiori concentrazioni locali di stress. Questi risultati evidenziano l'importanza di bilanciare la stabilità dell'impianto e la preservazione di un carico fisiologico dell'osso durante la pianificazione delle ricostruzioni oncologiche del femore prossimale in età pediatrica. Lo studio evidenzia l'importanza di considerare sia il livello di resezione sia la lunghezza dello stelo durante la ricostruzione del femore prossimale in pazienti pediatrici. Il modello agli elementi finiti patient-specific sviluppato fornisce uno strumento utile