五种微创拇外翻截骨术固定方法的生物力学比较：三维有限元分析

《Frontiers in Medicine》：Biomechanical comparison of five fixation methods in minimally invasive hallux valgus osteotomy: a three-dimensional finite element analysis

本研究通过三维有限元分析，比较了五种内固定方法在微创 Hallux Valgus 截骨术中的生物力学特性，发现双 3.5 mm 钝螺固定（Group A）应力分布最均匀，稳定性最佳；三钢丝固定（Group E）应力集中显著，风险最高；联合固定（Group D）次优，但需考虑骨质量。研究为内固定选择提供量化依据。

　　在现代医学中，足部畸形，尤其是拇外翻（Hallux Valgus, HV），是一个常见的临床问题，影响着大量人群的生活质量。随着微创技术的不断发展，微创拇外翻截骨术（Minimally Invasive Chevron-Akin Osteotomy, MICA）因其创伤小、恢复快等优势逐渐成为主流治疗方法。然而，尽管已有多种内部固定方式被应用于该手术，关于不同固定配置在生物力学性能上的系统性评估仍然不足。因此，本研究通过构建一个基于真实患者CT数据的三维有限元模型，对五种常见的内部固定方式进行了定量比较，旨在为临床医生提供科学依据，以便根据患者的具体情况选择最合适的固定方案。

研究对象为一名24岁女性患者，其拇外翻角度（Hallux Valgus Angle, HVA）为27.6°，第一和第二跖骨间角（Intermetatarsal Angle, IMA）为12.4°，符合中度拇外翻的临床标准（HVA在20°至40°之间或IMA在14°至20°之间）。研究团队利用该患者的CT影像数据，建立了足部的三维有限元模型，并模拟了五种不同的固定方案：两枚3.5毫米锥形金属螺钉（Group A）、一枚3.5毫米锥形金属螺钉（Group B）、两枚2.0毫米克氏针（Kirschner wires, Group C）、一枚3.5毫米锥形金属螺钉加一枚2.0毫米克氏针（Group D）、以及三枚2.0毫米克氏针（Group E）。这些固定方式的选择不仅基于其在临床中的应用频率，也考虑了它们在生物力学特性上的差异。

研究过程中，模型对足部的骨结构、软组织和固定装置进行了详细的模拟。通过设置合理的边界条件和载荷，团队对各组的生物力学参数进行了计算和分析。主要的评估指标包括截骨块的最大等效应力、固定装置的最大等效应力、截骨块在X、Y、Z轴方向的最大位移以及固定装置的整体位移。这些参数能够反映固定方案在承受外力时的稳定性、应力分布情况以及潜在的骨折风险。

研究结果显示，Group A（双螺钉固定）在所有评估指标中表现最佳。其截骨块的最大等效应力为5.6824 MPa，固定装置的最大等效应力为16.159 MPa，均为五组中最低。同时，截骨块在X、Y、Z轴方向的最大位移分别为4.3118 mm、3.2189 mm和7.3794 mm，整体位移为7.7718 mm，均处于合理范围内。这些数据表明，双螺钉固定方式在生物力学性能上具有显著优势，能够有效分散截骨块所承受的应力，避免局部应力集中，从而降低骨折和固定装置松动或断裂的风险。此外，双螺钉固定还提供了较强的抗旋转稳定性，有助于在术后保持截骨块的正确位置，促进骨痂形成，加快骨愈合过程。

Group D（一枚螺钉加一枚克氏针的组合固定）作为Group A的次优选择，其生物力学性能也较为理想。虽然其截骨块的最大等效应力和固定装置的最大等效应力略高于Group A，但相较于其他固定方式，如Group E，其表现更为稳健。Group D的截骨块最大位移略低于Group A，而固定装置的整体位移则与Group A相近。这种组合方式在保持稳定性的同时，减少了螺钉的使用数量，从而降低了手术的侵入性。然而，由于克氏针在固定过程中可能存在的松动风险，Group D的应用需要结合患者的骨质量进行评估。

Group E（三枚克氏针固定）则表现出较高的应力集中问题。尽管其截骨块的最大位移是最小的，显示出较强的即时稳定性，但其截骨块和固定装置的最大等效应力显著高于其他组，分别为33.33 MPa和238.68 MPa，分别是Group A的5.8倍和14.7倍。这种高应力集中现象可能导致固定装置的疲劳性断裂或骨组织的吸收性损伤，从而影响长期稳定性。因此，Group E更适合用于对力学需求较低的患者，如体重较轻或骨质量较好的个体。然而，对于骨质疏松或其他骨质量较差的患者，这种固定方式可能会带来较高的临床风险。

在讨论部分，研究团队进一步分析了不同固定方式在临床中的应用前景和潜在问题。Group A的双螺钉固定方式因其良好的生物力学性能，被认为是当前最优的固定方案。这种固定方式不仅能够有效抵抗垂直载荷和横向剪切力，还能提供较强的抗扭转能力，有助于术后足部功能的恢复。相比之下，Group D的组合固定方式虽然在稳定性上略逊于Group A，但其在减少侵入性方面具有一定的优势，尤其是在骨质量评估较为可靠的情况下，可以作为Group A的替代方案。

Group E的三枚克氏针固定方式虽然在短期稳定性方面表现良好，但其高应力集中特性可能会导致长期的机械故障。在临床实践中，这种固定方式可能引起克氏针的断裂、骨吸收或固定松动等问题，特别是在承受长期循环载荷的情况下。因此，Group E的应用需要谨慎评估患者的个体情况，并仅限于那些对力学需求较低的病例。

研究还指出，尽管有限元分析提供了重要的生物力学数据，但其结果仍需进一步验证。由于模型基于单个患者的解剖结构，因此其结果可能无法直接推广到所有患者群体。此外，模型使用的CT数据为非负重状态，这虽然有助于精确模拟骨结构，但可能忽略了足部在生理载荷下的功能性和接触条件。未来的研究可以考虑使用负重状态的CT数据或模拟载荷-变形关系，以提高模型的生理相关性。

总的来说，本研究通过对五种固定方式的生物力学性能进行系统性比较，为微创拇外翻截骨术提供了科学依据。Group A的双螺钉固定方式因其优异的稳定性、低应力分布和良好的长期可靠性，被认为是当前最优的方案。Group D的组合固定方式则可以作为次优选择，尤其在患者骨质量良好且希望减少侵入性的情况下。而Group E的三枚克氏针固定方式虽然在短期效果上表现良好，但其高应力集中特性可能限制其在广泛临床应用中的可行性。因此，医生在选择固定方式时，应综合考虑患者的个体条件、手术创伤程度、经济成本以及长期恢复需求，以实现最佳的临床效果。