有限元分析：不同外固定组合治疗胫腓骨骨折的稳定性探究

《BMC Musculoskeletal Disorders》：Finite element analysis of the stability of tibiofibular fractures treated with various combinations of external fixators

为解决外固定器使用中如何以较少组件实现更优稳定性的问题，研究人员开展了胫腓骨骨折不同外固定组合稳定性的有限元分析（FEA）研究。结果表明不同部位骨折适用不同外固定结构。该研究为外固定器的临床应用提供了重要参考。

　　在骨科临床领域，胫腓骨骨折是较为常见的创伤类型，尤其是开放性胫腓骨骨折的治疗颇具挑战。目前，外固定器广泛应用于此类骨折治疗，它能为伤口愈合创造良好环境，还能为骨折愈合提供必要的机械稳定。然而，临床上外固定器类型多样，医生在选择时需综合考虑患者病情、骨折分类、手术经验以及器材可用性等诸多因素。在保证骨折稳定固定的同时，如何减少外固定组件的使用、降低患者经济负担，成为亟待解决的问题。在此背景下，东莞第八人民医院的研究人员开展了相关研究，旨在通过有限元分析（FEA）探索不同外固定组合对胫腓骨骨折稳定性的影响，研究成果发表于《BMC Musculoskeletal Disorders》。研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，选取健康成年男性作为研究对象，经其同意后，对其左小腿进行 128 排螺旋 CT 薄层扫描获取胫腓骨扫描信息，将 DICOM 格式数据导入 Mimics 软件建立初步 3D 模型，再经 Geomagic Wrap 17.0 软件处理后导入 ANSYS Workbench 14.0 构建骨折模型。其次，基于 Stryker 公司外固定支架产品参数，利用 SolidWorks 软件构建外固定支架模型。最后，将模型导入 Abaqus CAE 2022 进行有限元分析，设置材料属性、网格划分、边界条件等参数模拟实际受力情况。

研究结果

1. A 组模型结果：在模拟中，研究人员对不同轴向载荷下的模型进行观察。结果显示，在 50N、62.5N 和 75N 轴向载荷时，Model A1 的最大位移最小，Model A3 最大；而在 87.5N 和 100N 载荷下，Model A3 出现压缩和接触，外固定失效。由此得出，在可承受压力范围内，外固定支架横杆离胫骨纵轴越近，稳定性越强，每靠近 2cm 稳定性提升 21%。
2. B 组模型结果：在近端胫腓骨骨折模型模拟中，随着轴向载荷从 50N 增加到 100N，Group B1 的最大位移最大，Group B3 最小。以 75N 轴向载荷模拟辅助站立阶段，Model B2、B3、B4 较 Model B1 稳定性分别提升 28.8%、67.8%、59.4%，Model B4 稳定性达到 Model B3 的 83.2%，且其外固定应力最小。同时，研究发现该组模型中外固定支架最大应力出现在第一根克氏针，schanz - 骨界面最大应力在第一个针孔，Model B3 和 B4 在该界面应力相当且低于 Model B1。
3. C 组模型结果：在远端胫腓骨骨折模型模拟中，轴向载荷从 50N 增加到 100N 时，Group C1 最大位移最大，Group C3 最小，Group C4 位移次之。75N 轴向载荷模拟时，Model C2、C3、C4 较 Model C1 稳定性分别提升 17.35%、66.63%、48.93%，Model C4 稳定性达到 Model C3 的 73.44%。该组模型外固定支架最大应力出现在最后一根克氏针，schanz - 骨界面最大应力在最后一个针孔，Model C4 和 C3 在该界面应力相似且低于 Model C1。

研究结论与讨论

研究表明，Model B4 和 C4 在 schanz - 骨界面应力方面表现出色，使用的外固定组件较少，稳定性可达 73.44 - 83.2%，在治疗近端和远端胫骨骨折方面具有一定潜力。基于 Model A 的结果，外固定横杆应尽量靠近皮肤。对于近端胫骨骨折，Model B4 的三角形横杆结构在减少外固定组件使用的同时能保证较好稳定性；对于远端胫骨骨折，虽然 Model C4 的三角形横杆结构有一定稳定性，但位移风险较大，建议采用如 Model C3 的 H 型固定方法并增加外固定组件。该研究也存在一定局限性。模型仅考虑了横向骨折，未涉及斜形、螺旋形和粉碎性骨折；使用健康受试者 CT 图像构建模型，可能影响预测准确性；模拟场景仅为患者辅助站立，未涵盖实际活动中的复杂受力情况；将皮质骨和松质骨简化为线性、各向同性和均匀材料。不过，这些局限性为后续研究指明了方向。总体而言，这项研究通过有限元分析为外固定器在胫腓骨骨折治疗中的应用提供了重要参考，有助于医生根据骨折部位选择更合适的外固定方式，提高治疗效果，减少并发症，对骨科临床实践具有重要的指导意义。