CT-based mechanical analysis of a cystic calcaneus treated with a patient-specific TPMS scaffold

This thesis aims to evaluate, through a computational approach based on clinical CT images, the mechanical effectiveness of a patient-specific ceramic scaffold for treating a single-chamber bone cyst located in the calcaneus. The clinical case analyzed concerns a patient with an extensive intracalcaneal bone defect, with probable compromise of the structural stability of the hindfoot and increased risk of pathological fracture. Starting from DICOM images provided in the clinical setting, a patient-specific finite element model of the pathological calcaneus was developed. The mechanical properties of cortical and trabecular tissues were estimated directly from Hounsfield Unit values using a voxel-based micromechanical characterization procedure, enabling local assignment of elastic modulus and Poisson's ratios. Three distinct scenarios were then analyzed: a reconstructed healthy calcaneus, a pathological calcaneus, and a pathological calcaneus treated with a hydroxyapatite scaffold featuring a TPMS (Triply Periodic Minimal Surface) geometry. The numerical simulations reproduced different physiological load conditions corresponding to the main phases of the walking cycle (heel strike, midstance, push-off), enabling a comparison of tension and compression distributions under these conditions. The chosen design parameter was the scaffold's porosity. The effect of the contact conditions between the scaffold and the bone surface on the mechanical performance of the system was investigated to identify an optimal configuration that ensures adequate structural support and promotes osseointegration. The results show that a patient-specific TPMS scaffold can significantly restore the mechanical response of the calcaneus to its normal state, reducing critical stress concentrations and improving stress distribution. The optimal configuration, a TPMS scaffold with 70\% porosity, was modeled under the most mechanically demanding condition, specifically the push-off condition with limited contact between the bone and the scaffold.

Il presente lavoro di tesi si propone di valutare, mediante un approccio computazionale basato su immagini CT cliniche, l'efficacia meccanica di uno scaffold ceramico paziente-specifico per il trattamento di una cisti ossea unicamerale localizzata nel calcagno. Il caso clinico analizzato riguarda un paziente affetto da un esteso difetto osseo intracalcaneo, con potenziale compromissione della stabilità strutturale del retropiede e aumento del rischio di frattura patologica. A partire da immagini DICOM fornite in ambito clinico, è stato sviluppato un modello ad elementi finiti, paziente-specifico, del calcagno patologico. Le proprietà meccaniche del tessuto corticale e trabecolare sono state stimate direttamente dai valori di Hounsfield Units, mediante una procedura di caratterizzazione micromecanica basata sull'utilizzo dei voxel, che ha consentito l'assegnazione locale delle proprietà meccaniche: modulo elastico e coefficienti di Poisson. Sono stati quindi analizzati tre scenari distinti: calcagno sano ricostruito, calcagno patologico e calcagno patologico trattato con uno scaffold in idrossiapatite a geometria TPMS (Triply Periodic Minimal Surface). Le simulazioni numeriche hanno riprodotto diverse condizioni fisiologiche di carico, corrispondenti alle principali fasi del ciclo di cammino (heel-strike, midstance, push-off), consentendo il confronto delle distribuzioni di tensione e di compressione nelle diverse condizioni di carico. Il parametro di design scelto è stato la porosità dello scaffold. È stato investigato l'effetto delle condizioni di contatto tra lo scaffold e la superficie ossea sulle prestazioni meccaniche del sistema, al fine di identificare una configurazione ottimale in grado di garantire un adeguato supporto strutturale e favorire l'osseointegrazione. I risultati dimostrano che l'impiego di uno scaffold TPMS paziente-specifico può ripristinare in modo significativo la risposta meccanica del calcagno rispetto alla condizione patologica, riducendo le concentrazioni di tensione critiche e migliorando la distribuzione degli sforzi. La configurazione migliore, uno scaffold TPMS con porosità al 70\%, è stata modellata sulla condizione più gravosa dal punto di vista meccanico, ovvero la condizione di push-off sotto una condizione di limitato contatto tra l'osso e lo scaffold.