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

摘要

背景:主钉断钉是股骨近端防旋髓内钉固定后必须翻修的失效类型之一.目前股骨转子间骨折断钉发生的生物力学原因多推断于内固定物的疲劳断裂,但目前仍没有直接的研究或方法来证明断钉发生的力学机制.因此构建股骨近端防旋髓内钉治疗股骨转子间骨折的有限元模型并实现断钉失效的可视化,对研究内固定失效的发生机制具有重要意义.目的:仿真模拟股骨近端防旋髓内钉治疗股骨转子间骨折断钉失效的生物力学过程.方法:选取于广州中医药大学第一附属医院创伤骨科住院治疗的髋部骨折患者1例的CT资料导入Mimics 19.0软件中,初步建立股骨近端三维模型,并在Geomagic Studio软件中进行表面优化处理.在SolidWorks软件中按照股骨近端防旋髓内钉规格参数构建股骨近端防旋髓内钉三维模型,装配组件,然后导入优化的股骨仿真三维模型,将股骨近端防旋髓内钉固定到到股骨近端,建立股骨与股骨近端防旋髓内钉装配模型.将装配模型导入Hypermesh软件对模型进行四面体网格划分,构建AO-31A1.3型(2018版)股骨转子间骨折,设置内固定材料疲劳临界参数及股骨材料参数、加载及边界条件、摩擦系数等,导出K文件在LS-DYNA软件求解.结果 与结论:①裂纹最先出现于主钉螺旋刀片孔两侧薄弱处;②主钉断钉前,其最大Von Mises应力达412 MPa,断裂过程中股骨近端防旋髓内钉应力主要集中于主钉与螺旋刀片相交处及尾钉与主钉相交处;主钉断钉前,股骨应力主要分布于头颈处及大转子进针点周围,断钉过程中股骨最大Von Mises应力为248.3 MPa;③螺旋刀片尖端及股骨头在断钉过程中向内翻转成角,位移最明显;④与文献进行有效性验证结果提示,此模型能有效仿真股骨近端防旋髓内钉治疗股骨转子间骨折主钉断钉失效过程,主钉薄弱处为应力集中和破坏的重点区域.