基于CT/MRI的髋臼四方区骨折有限元模型构建与三种内固定方式的生物力学对比研究

《Scientific Reports》：CT/MRI-based finite element model construction and biomechanical analysis of acetabular quadrilateral fractures

本研究针对髋臼四方区骨折内固定策略选择难题，通过分析70例骨折CT数据构建骨折线图谱，并基于健康志愿者CT/MRI数据建立包含韧带软骨的腰椎-骨盆-髋关节有限元模型。研究对比了后柱螺钉（Group B）、四方区支撑螺钉（Group C）及联合固定（Group D）在五种载荷条件下的生物力学性能。结果显示联合固定可提供最优稳定性，骨折线位移显著降低（站立位：A>B>C>D；其他体位：A>C>B>D），且应力分布更合理。建议临床优先采用联合固定方案，螺钉应靠近骨折线放置，术后谨慎早期负重。

　　

髋臼骨折虽然仅占全身骨折的0.8%，但其治疗一直是骨科领域的重大挑战。其中，涉及髋臼四方区（又称“第三柱”）的骨折尤为复杂——这个位于髋臼内侧的薄弱骨板，不仅毗邻重要神经血管，其粉碎性特征更使得解剖复位困难重重。临床上常用的后柱螺钉固定与四方区支撑螺钉固定各有优势，但究竟哪种方案能提供更可靠的力学稳定性？医生们在手术决策时往往缺乏充分的生物力学证据支持。更棘手的是，传统研究难以模拟人体在各种生理姿态下的真实力学环境，而早期不当负重可能导致内固定失败等严重并发症。

为破解这一难题，来自湘南学院基础医学院的陈洁雨、刘华武等研究团队在《Scientific Reports》上发表了创新性研究。他们巧妙融合骨折图谱技术与有限元分析方法，首次构建出能够模拟五种日常姿态的髋臼骨折生物力学模型，系统对比了三种内固定方案的优劣。这项研究不仅为临床手术方案选择提供了科学依据，更开创了骨折治疗个性化生物力学评估的新范式。

研究的关键技术突破在于多模态数据的融合应用：首先基于70例患者CT数据绘制骨折热力图，识别出高发的双柱骨折（24%）和前壁骨折（24%）模式；继而利用健康志愿者的CT（0.63mm层厚）和MRI（1.3mm层厚）数据，在Mimics Medical 14.0中重建包含韧带、软骨的完整腰椎-骨盆-髋关节三维模型；通过Geomagic Wrap 2021进行光滑处理和皮质骨分层后，在SOLIDWORKS 2023中设计典型骨折线及内固定装置；最终在ANSYS 17.0中建立四组实验模型（未固定/后柱螺钉/四方区支撑螺钉/联合固定），采用混合网格策略（关键区域1mm，其他区域2mm单元）进行五种工况（站立、仰卧、侧卧、坐姿、股骨撞击）的有限元分析。

骨折分布规律揭示生物力学弱点

通过对70例骨折的Judet-Letournel分型统计和骨折线映射分析，发现弧形线和耻骨闭孔缘是骨折高发区域，其中髂耻隆起骨折频率最高。这种分布特征与骨盆的环状力学结构密切相关：弧形线作为腰椎负荷的主要传导路径易受损，而连接耻骨与髂骨的薄弱髂耻弓在股骨撞击力作用下极易骨折。后柱上段因承受股骨头斜向上冲击力，也成为骨折易发区域。

网格收敛性验证保证计算可靠性

通过系统性的网格敏感性分析（3mm/2mm/1mm），证实当网格尺寸细化至2mm后，内固定装置最大等效应力（15.822MPa vs 15.816MPa）和骨折线相对位移（0.004±0.003mm）的变化率均小于0.04%，满足工程计算精度要求，确保后续生物力学对比结果的可靠性。

联合固定展现最优稳定性

五组工况的骨折线位移分析呈现规律性变化：站立时位移排序为未固定组>后柱螺钉组>四方区支撑螺钉组>联合固定组（F=216.744, P<0.01）；而在仰卧、侧卧、坐姿和股骨撞击工况下，位移模式变为未固定组>四方区支撑螺钉组>后柱螺钉组>联合固定组（P均<0.01）。这表明后柱螺钉在非站立姿态下能更有效控制位移，而联合固定始终表现最优。

内固定应力分布揭示力学机制

后柱螺钉的应力分析显示：除仰卧位外，单独固定组（Group B）在四种工况下的峰值应力均高于联合固定组（Group D），说明联合固定能改善应力分布。四方区支撑螺钉在侧卧位时联合固定组应力更高，而其他工况下单独固定组（Group C）应力更大，提示两种固定方式在侧卧位时共同承扭负荷。对钢板固定的小螺钉分析发现，靠近骶髂关节的后方螺钉（5、6号）始终承受更高应力，最高达105.890MPa（侧卧位），建议临床操作时应使螺钉尽量靠近骨折线，必要时在骶髂关节侧增加螺钉数量。

这项研究通过创新的多学科交叉方法，首次系统揭示了不同内固定方案在真实生理负荷下的生物力学特性。研究结论明确支持联合使用后柱螺钉与四方区支撑螺钉作为髋臼四方区骨折的首选固定方案，其能有效控制多维位移并优化应力分布。更值得关注的是，研究提出的“按体位差异化评估”理念颠覆了传统静态评估模式——后柱螺钉在非站立姿态的优势说明，康复方案应根据固定方式个性化制定，特别是四方区支撑螺钉固定患者应谨慎早期站立负重。

尽管模型在材料本构关系（线性弹性）和软组织建模（混合策略）方面存在简化，但其所建立的评估框架已显著推进了骨折治疗的精准化进程。未来整合计算机生成骨折热力图和非线性材料模型，将进一步增强模型的生物真实性。这项研究不仅为髋臼骨折内固定选择提供了关键生物力学证据，其构建的多姿态评估体系更为整个骨科生物力学研究树立了新范式，预示著个性化骨折治疗正从经验走向精准科学的新时代。