股骨近端防旋髓内钉：有限元仿真模型构建与验证

股骨近端防旋髓内钉治疗股骨转子间骨折主钉断钉失效：有限元仿真模型构建及有效性验证

为什么股骨近端防旋髓内钉断钉问题值得关注？

在临床中，股骨近端防旋髓内钉（PFNA）是治疗不稳定型股骨转子间骨折的常用方案。这种内固定方式螺旋刀片的填压作用，能有效增强锚固效果，且具有抗旋、抗内翻等优势。近年来许多病例显示，PFNA系统中的主钉发生断钉的风险不容忽视。一旦断钉，必须手术翻修解决，这不仅增加患者治疗负担，也可能引发二次损伤。主钉断钉到底是怎么发生的？ 这个问题一直是骨科医生和研究人员关注的焦点。

构建有限元模型的关键步骤

研究人员CT影像数据实现了PFNA治疗股骨转子间骨折的有限元仿真。整个流程分为建模、装配和参数设置三大环节，每一步都直接影响模型的可靠性。使用Mimics 19.0软件对患者CT数据进行处理，经过区域增长、表面优化等步骤，得到一个精确的股骨三维模型。然后，Geomagic Studio进一步细化表面结构，确保模型的几何细节完整。

在SolidWorks中根据器械参数构建PFNA系统模型，主钉长度200 mm，远端直径10 mm，近端直径16 mm，螺旋刀片长度107 mm、直径10 mm，颈干角130°。模型装配时严格实际手术操作步骤进行，确保尖顶距（TAD）小于25 mm，形成装配模型。这一阶段的关键是将固定结构与股骨骨折部位的几何特征精准对应，否则无法模拟真实受力情况。

将模型导入Hypermesh进行网格划分，体网格大小设定为2 mm，以平衡计算精度和效率。与此结合文献和临床数据，设定材料参数：松质骨弹性模量为0.496 GPa、皮质骨弹性模量为8.318 GPa。主钉的失效数据则直接采用Ti-6Al-4V钛合金的疲劳断裂临界值，为后续仿真提供科学依据。

模型运行后的验证结果有哪些？

LS-DYNA软件求解，研究人员详细记录了主钉断钉过程中的力学变化。最直观的发现是裂纹首先出现在主钉螺旋刀片孔两侧的薄弱区域，这是骨折内固定的常见风险点。在载荷施加条件下，主钉的最大Von Mises应力达到412 MPa，远超材料承受极限。断钉过程中，应力高度集中于主钉与螺旋刀片的交锁处及尾钉与主钉连接部位，这提示设计时需特别关注这些区域的抗疲劳性能。

股骨的受力情况值得关注。断钉前，股骨的应力分布集中在头颈部位和大转子进针点周围；而断钉后，内下部股骨成为新的应力集中区。最大Von Mises应力值从248.3 MPa左右波动，但整体受力模式发生了显著变化，说明断钉直接导致了股骨力学环境的剧烈调整。除此之外，头颈骨折块在断钉过程中出现了明显的内翻成角，在1秒时位移达到6.534°，这与临床观察的骨折移位情况高度吻合。螺旋刀片尖端与股骨头的位移值分别达到9.679 mm和10.2 mm，进一步验证了模型对骨折动态变化的模拟能力。

模型有效性如何体现？

为了确保研究结果的实用价值，研究团队巧妙地引入了近10年的文献数据进行对比检验。综合PubMed、Web of Science等权威数据库的文献，最终筛选出10篇代表性研究。其中一项关于A2.3型骨折的研究显示，主钉断裂发生在与螺旋刀片交锁的薄弱处，这与试验中的断裂模式完全一致。另一项对A2.2型骨折的研究也印证了模型中股骨头位移的变化趋势，试验结果与文献高度匹配，证明该模型是可靠的。

断钉机制的深入解析

从仿真结果看出，主钉断钉并非单纯由局部应力集中导致，而是涉及复杂的载荷传导和力学交互。当载荷作用于骨折部位时，头颈骨折块首先呈现内翻趋势，与小转子、股骨干形成接触。大转子与主钉的交锁作用会引导主钉上段向内弯曲，而螺旋刀片则对主钉孔产生“撬拨”效应。这两种作用叠加后，主钉薄弱区域出现微裂纹，循环载荷的持续作用，裂纹逐步扩展直至断裂。

模型的临床应用价值

这项研究的价值不仅体现在对断钉力学机制的可视化分析，更在于为临床风险预测提供新的技术手段。有限元模型，医生在术前评估内固定物的稳定性，优化操作细节，减少术后翻修率。该模型也能帮助研发人员改进器械设计，例如增加主钉与螺旋刀片交锁处的抗疲劳结构。模型还揭示了一个重要规律：骨折愈合状态对内固定物的应力分布有显著影响，未愈合的骨折往往需要更高的固定强度。

未来研究的方向和局限性

尽管这项仿真研究取得了突破性进展，但仍存在改进空间。首先是载荷模拟需更贴近实际步态周期，目前采用的线性加载方式可能无法完全反映人体行走时的动态变化。其次是材料特性设定，股骨在医学力学研究中应被视为各向异性材料，而模拟过程中仍简化为各向同性，这可能影响模型的准确性。试验结果聚焦于“断钉失败”这一静态终点，对疲劳过程的动态描写仍有待完善。

总结：仿真实验如何助力骨科治疗？

股骨转子间骨折的内固定风险涉及到生物力学、材料科学和临床经验的多方面因素。构建PFNA的有限元模型，研究人员首次清晰展示了主钉断钉前的应力集中区域和断裂过程的动态特征。这项工作不仅填补了当前研究的空白，更为临床诊疗和器械改进提供了可靠的技术支持。未来，进一步优化模型，它有望成为骨科医生预测骨折风险、选择合适内固定方案的重要工具。

相关数据与参数（2025年更新）

• 股骨近端防旋髓内钉主钉最大Von Mises应力：412 MPa


• 断钉后股骨最大应力：248.3 MPa


• 头颈骨折块位移角度：6.534°


• 螺旋刀片尖端与股骨头位移值：9.679 mm、10.2 mm


• 外侧壁厚度：21.37 mm

这项研究的核心意义在于数值模拟手段揭示骨折内固定的物理本质，为建立更精准的诊疗体系奠定基础。医学技术的不断发展，有限元仿真或将成为骨科手术前最常用的风险评估工具之一。