交叉克氏针固定治疗儿童肱骨髁上骨折的有限元分析：生物力学优势与临床意义

《Journal of Orthopaedic Surgery and Research》：Kirschner wire configuration and fixation stability in pediatric supracondylar humerus fractures: a finite element analysis

本研究针对儿童肱骨髁上骨折内固定稳定性难题，通过有限元分析(FEA)比较三种克氏针(K-wire)构型（交叉、内侧平行、外侧平行）的生物力学性能。结果表明交叉构型在位移控制、应力分布和结构刚度方面均优于平行构型，尤其在抗旋转负荷时优势显著，为临床选择最优固定方案提供了生物力学依据。

　　

儿童肘部损伤是儿科骨科领域的常见问题，其中肱骨髁上骨折尤为特殊——它占据了儿童所有骨折的18%，肘部骨折的60%，且高发于5-7岁年龄段。当孩子们摔倒时，他们通常会本能地伸出胳膊保护自己，这种机制导致肘部过度伸展，使尺骨鹰嘴嵌入鹰嘴窝，在肱骨远端产生集中应力，最终在最薄弱的髁上区域发生骨折。这种"伸展型"骨折占据了髁上骨折的95%以上，给骨科医生带来了持续的临床挑战。

尽管治疗技术不断进步，但关于手术固定方案的选择仍存在争议。克氏针(K-wire)内固定术因其成本效益和微创特性而被广泛应用，然而克氏针的最优配置方案一直是争论的焦点。不正确的克氏针置入会增加并发症风险，包括针道迁移、延迟愈合和旋转不稳定等问题。因此，比较不同克氏针配置对固定稳定性的影响具有重要的临床意义。

在这项发表于《Journal of Orthopaedic Surgery and Research》的研究中，Bedrettin Akar等研究人员采用有限元分析(FEA)这一先进的工程计算技术，系统评估了三种不同克氏针配置在儿童肱骨髁上骨折固定中的生物力学性能。有限元分析作为一种强大的计算工具，允许研究人员在虚拟环境中测试各种内固定配置，为骨科生物力学研究提供了新的视角。

研究团队首先通过SolidWorks软件建立了代表6-10岁儿童平均肱骨解剖特征的三维模型，并在髁上区域创建了横形骨折模型。骨折线被设计为带有一定角度的形态，两个骨折段之间的分离距离被最小化以模拟解剖复位。随后，研究人员构建了三种克氏针配置模型：交叉配置（从内外侧髁以相对角度插入）、外侧平行配置（两根克氏针均从外侧髁插入）和内侧平行配置（两根克氏针均从内侧髁插入）。克氏针被建模为直径1.5毫米的不锈钢针，针-骨界面被定义为"摩擦接触"。

在材料属性设定方面，研究人员将皮质骨和克氏针（不锈钢）均建模为均质各向同性材料，皮质骨的弹性模量为17 GPa，泊松比为0.3，密度为1900 kg/m3；克氏针的弹性模量为200 GPa，泊松比为0.33，密度为8000 kg/m3。这些参数与文献中报告的值保持一致。尽管这种简化忽略了儿童骨骼的各向异性和异质性特征，但为不同配置间的标准化比较提供了基础。

有限元分析在ANSYS Workbench环境中进行，研究人员在骨折线和针-骨接触区域应用了更精细的网格划分。载荷条件包括在肱骨远端施加400 N的垂直力（沿Z轴）以及沿X轴和Y轴的5000 Nmm力矩，以模拟不同的应力条件。这些载荷值与前人文献报告保持一致。肱骨近端（肩部区域）被固定，仅允许远端运动。

主要研究结果

应力分布分析

在400 N拉伸力作用下，交叉配置产生的应力值为10.62 MPa，内侧配置为14.04 MPa，外侧配置为26.92 MPa。交叉配置表现出最均匀的应力分布，表明其具有更优的力学性能。尽管克氏针本身的应力值较高，但不锈钢材料的安全系数远高于骨结构，因此交叉配置被认为提供了最有利的应力分布模式。

变形和安全系数分析

对肱骨变形情况的分析表明，不同配置下近端骨块的变形几乎相同，而外侧克氏针配置下的变形最小。在安全系数方面，交叉配置在近端和远端骨块均表现出较高的安全值，其次是外侧配置，内侧配置的安全系数最低。安全系数的增加表明固定更加刚性和安全。

组合载荷下的性能表现

在Z轴方向400 N力和X轴5000 Nmm力矩共同作用下，交叉、外侧和内侧配置的应力值分别为31.87 MPa、50.35 MPa和70.31 MPa；变形值分别为0.73 mm、1.37 mm和0.73 mm。在Z轴方向力和Y轴力矩共同作用下，三种配置的应力值分别为29.77 MPa、36.38 MPa和60.02 MPa；变形值分别为1.35 mm、0.69 mm和0.74 mm。尽管组合载荷下的应力和变形值存在某些相似性，但交叉配置明显表现更优。

研究结论与意义

本研究通过系统的有限元分析证实，克氏针交叉配置在儿童肱骨髁上骨折固定中提供了最优的生物力学稳定性。与内侧平行和外侧平行配置相比，交叉配置表现出更低的位移值、更均匀的应力分布以及更高的抗旋转负荷能力，表明其具有更高的机械阻力。

这些发现与现有文献中的多项研究相互印证。例如，先前的研究表明交叉固定允许更均衡的载荷分布，而平行配置在抗扭转负荷方面表现不足。特别值得注意的是，在骨折复位不良的情况下，向交叉配置添加第三根内侧克氏针可以同时提高稳定性和旋转畸形的控制能力。

从临床角度看，克氏针固定是一种微创、经济实用的方法，但并非没有潜在并发症。最常见的并发症是克氏针迁移，特别是在缺乏足够皮质固定的情况下。此外，克氏针穿出皮肤导致的软组织刺激和感染也不少见，文献报道的感染率在2%至7%之间。因此，在克氏针置入过程中，精细的手术技术和术中影像引导对于最小化并发症风险至关重要。

本研究的一个显著优势是采用了中段横形骨折模型，为不同克氏针配置的生物力学比较提供了简化和可控的基线。研究人员也承认，这种理想化骨折不能完全捕捉髁上骨折的临床复杂性，未来的研究可以纳入更复杂的骨折几何形状以增强临床相关性。

总之，这项研究为儿童肱骨髁上骨折手术治疗中克氏针配置的选择提供了坚实的生物力学证据。交叉配置显示的优越稳定性支持其在临床实践中的应用，特别是对于需要高稳定性固定的复杂骨折病例。研究同时证实了有限元分析作为评估骨科固定方法生物力学性能的可靠工具的实用性。未来的大规模随机研究将有助于进一步验证这些发现，并明确不同克氏针配置的长期功能和影像学结果。