骨折不愈合仍然是长骨骨折后常见且棘手的并发症之一[1]，在所有患者中的发生率高达5%[2]，并显著增加了医疗负担和患者痛苦3, 4, 5。胫骨骨干骨折常与愈合并发症相关，约25%的患者在术后五个月未见愈合迹象[6]，约12%的患者最终因骨不连需要再次手术6, 7, 8, 9, 10, 11, 12。这些病例通常需要长期治疗、翻修手术和延长康复期，所有这些都导致医疗费用上升和生活质量下降。鉴于延迟或不完全愈合的严重后果，及时准确地评估骨折修复对于指导临床决策至关重要。
尽管有此需求，但目前尚无公认的标准来客观监测骨折愈合。在临床实践中，评估通常基于X线片和定性的临床观察，如负重耐受能力和疼痛程度[13]。虽然这些方法易于获取，但它们本质上具有主观性，缺乏检测骨折部位细微力学变化的敏感性，而愈合状态可以通过骨痂的相对生物力学稳定性来定义。
这一差距凸显了对稳健、量化工具的需求，这些工具能够准确追踪骨骼随时间的再生情况，并帮助临床医生早期识别并发症。为应对这一尚未满足的需求，基于CT的有限元（FE）建模作为一种无创估计骨骼力学能力的有力方法而受到关注14, 15。从此类模拟中得出的一个有前景的愈合指标是虚拟扭转刚度（VTR），它量化了骨骼对扭转变形的力学抵抗力16, 17。这一点具有重要意义，因为扭转测试是量化骨折愈合状态的优选体外方法，这得益于其对实验装置方向变化的稳健性[17]。先前的研究表明，VTR与体外力学测试[17]以及植入式传感器的体内应变测量[18]均表现出强相关性。这些发现表明，VTR及其归一化形式（VTRN）可作为骨折愈合完整性的客观替代指标，从而反映愈合进程。
尽管基于FE建模的诊断潜力显而易见，但其在临床上的应用仍然有限，可能受模型准备的技术复杂性以及分析的计算需求等因素影响。现有工作流程通常需要详细的手工图像处理、复杂的网格划分过程，以及在高保真求解器中耗时的模拟16, 17, 18。这些障碍增加了此类工具在临床环境中实施的难度，而在临床环境中，快速周转和可扩展性至关重要。此外，许多模型尚未在不同配置或简化条件下进行系统评估，因此尚不清楚可靠诊断性能究竟需要多少复杂性。
克服传统FE建模计算瓶颈的一个有前景的途径在于使用体素化求解器，这些求解器可以直接在CT数据上操作，无需大量网格划分或几何清理。其中，ParOSol[19]已成为一个特别引人注目的工具。它是一个可扩展的、内存高效的多重网格求解器，专门用于从医学影像衍生出的大型体素化微观FE模型。ParOSol支持逐元素并行分析，非常适合CT扫描等高分辨率数据集20, 21, 22。先前的研究表明，该方法可以实现临床前和诊断应用的实时或近实时模拟[23]。这些优势使ParOSol成为实现快速、稳健且具有临床可扩展性的骨骼愈合虚拟力学诊断的理想平台，尽管此类模型所需的简化仍缺乏充分验证。
本研究旨在通过引入并验证一个专门针对效率和可扩展性设计的精简体素化FE建模框架，在诊断愈合模拟的临床转化方面迈出重要一步。
