两种固定方式治疗Salter-HarrisⅡ型儿童桡骨远端骨骺骨折的有限元分析

doi:10.12307/2026.222

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (27): 7009-7014.doi: 10.12307/2026.222

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两种固定方式治疗Salter-HarrisⅡ型儿童桡骨远端骨骺骨折的有限元分析

周云帆1，孟祥奇2，沈晨晓2

1昆山市中医医院骨伤科，江苏省苏州市 215300；2苏州市中医医院骨伤科，江苏省苏州市 215300

收稿日期:2025-07-18 接受日期:2025-10-15 出版日期:2026-09-28 发布日期:2026-04-17
通讯作者: 孟祥奇，博士，硕士生导师，苏州市中医医院骨伤科，江苏省苏州市 215300
作者简介:周云帆，男，1998年生，江苏省苏州市人，汉族，2024年南京中医药大学毕业，硕士，中医师，主要从事中医骨伤科学研究。
基金资助:
国家自然科学基金项目(82174399)，项目参与人：孟祥奇

Finite element analysis of two fixation methods for Salter-Harris type II distal radius epiphyseal fracture in children

Zhou Yunfan1, Meng Xiangqi2, Shen Chenxiao2

1Department of Orthopedics, Kunshan Hospital of Chinese Medicine, Suzhou 215300, Jiangsu Province, China; 2Department of Orthopedics, Suzhou Hospital of Traditional Chinese Medicine, Suzhou 215300, Jiangsu Province, China

Received:2025-07-18 Accepted:2025-10-15 Online:2026-09-28 Published:2026-04-17
Contact: Meng Xiangqi, PhD, Master's supervisor, Department of Orthopedics, Suzhou Hospital of Traditional Chinese Medicine, Suzhou 215300, Jiangsu Province, China
About author:Zhou Yunfan, MS, Physician, Department of Orthopedics, Kunshan Hospital of Chinese Medicine, Suzhou 215300, Jiangsu Province, China
Supported by:
National Natural Science Foundation of China, No. 82174399 (to MXQ)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
桡骨远端骨骺骨折：是儿童或青少年特有的骨折类型，指桡骨远端距离关节3 cm以内合并桡骨远端生长板(骨骺)断裂的骨折，多见于5-15岁的儿童及青少年，根据Salter-Harris分型分为Ⅰ-Ⅴ型，以Ⅱ型(累及干骺端及部分骨骺)最常见。
有限元分析：是一种基于数值计算的方法，用于求解工程和物理学中复杂结构或系统应力、应变、热传导、流体动力学等问题。运用离散化数值计算方式是有限元分析的本质，把一些复杂难以计算量化的问题，通过有限分解的方式，转化为一系列简单问题进行分析计算。

摘要
背景：儿童桡骨远端骨骺骨折在治疗方案选择上存在争议，克氏针内固定与夹板外固定的稳定性缺少生物力学性能理论依据。
目的：通过有限元实验探讨夹板外固定与克氏针内固定治疗Salter-Harris Ⅱ型儿童桡骨远端骨骺骨折的生物力学特性。
方法：根据儿童腕关节CT数据模拟Salter-Harris Ⅱ型桡骨远端骨骺骨折，建立模型A，在此基础上分别建立两种不同固定方式的模型：模型B，克氏针交叉内固定(2根克氏针)；模型C，夹板外固定(夹板4块)。对模型施加荷载，模拟腕关节在轴向压力合并旋前、旋后工况下远端骨折端与下尺桡关节的相对位移和应力分布情况。
结果与结论：①模型A在垂直压力合并旋前、旋后的运动状态下位移峰值区域最大，应力峰值区域偏移程度最大，桡骨远端骨折端与下尺桡关节最大应力值、相对位移值最大；②模型B与模型C相比模型A最大应力值和最大位移值变小，且位移云图峰值区域变小，应力云图峰值区域向中心回移；模型B与模型C的最大应力值和最大位移值与模型A的差值百分比没有明显差距，提示两种固定方式缓解相对位移和结构应力的效果相近；③结果显示，克氏针内固定与夹板外固定可以有效维持桡骨远端骨骺骨折端与下尺桡关节的稳定性，夹板外固定与克氏针内固定对Salter-Harris Ⅱ型桡骨远端骨骺骨折表现出相近的固定效果。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

关键词: 桡骨, 骨折, 骨骺, 夹板, 克氏针, 外固定, 内固定, 有限元分析

Abstract: BACKGROUND: There is controversy over the selection of treatment options for pediatric distal radius epiphyseal fractures, and there is a lack of theory in biomechanical performance between Kirschner wire internal fixation and splint external fixation in terms of stability.
OBJECTIVE: To explore the biomechanical characteristics of external fixation with splints and internal fixation with Kirschner wires in the treatment of Salter-Harris type II distal radial epiphyseal fractures in children through finite element experiments.
METHODS: Based on CT data of children's wrist joint, Salter-Harris type II distal radius epiphyseal fracture was simulated, and model A was established. On this basis, two different fixation methods were established: model B, Kirschner wire cross internal fixation (2 Kirschner wires); Model C, externally fixed with 4 clamps. Loads were applied to the model to simulate the displacement and stress distribution of the distal fracture end and the distal radioulnar joint of the wrist joint under axial pressure combined with pronation and supination conditions.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) Model A has the highest displacement peak area and stress peak displacement degree in the vertical pressure combined pre rotation and post rotation motion states. The maximum stress and relative displacement values between the distal radius fracture end and the distal radioulnar joint are the highest. (2) Compared with Model C, Model B has a smaller maximum stress and displacement value, and the peak area of the displacement cloud map has also decreased. The peak area of the stress cloud map has shifted back towards the center. There is no significant difference in the percentage difference in the maximum stress and displacement values between Models B and C and Model A, indicating that the two fixing methods have similar effects on alleviating relative displacement and structural stress. (3) The results showed that Kirschner wire internal fixation and splint external fixation can effectively maintain the stability of the distal fracture end and the distal radioulnar joint. The splint, as an external fixation device and Kirschner wire internal fixation, showed similar fixation effects on Salter-Harris type II distal radial epiphyseal fractures.

Key words: radius, fracture, epiphysis, splint, Kirschner wire, external fixation, internal fixation, finite element analysis

中图分类号:

周云帆, 孟祥奇, 沈晨晓. 两种固定方式治疗Salter-HarrisⅡ型儿童桡骨远端骨骺骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(27): 7009-7014.

Zhou Yunfan, Meng Xiangqi, Shen Chenxiao. Finite element analysis of two fixation methods for Salter-Harris type II distal radius epiphyseal fracture in children[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(27): 7009-7014.

图/表（结果） 4

2.1 各工况下下尺桡关节的相对位移与应力变化情况 模型B和模型C尺桡关节在两种工况下的最大应力值与最大位移值均小于模型A(表3)，模型B与模型A在旋前、旋后工况下最大应力的差值百分比分别为10.33%，19.12%，而模型C与模型A在两种工况下最大应力差值百分比分别为8.01%，19.95%；模型B与模型A在旋前、旋后工况下最大位移值的差值百分比分别为1.67%，15.81%，而模型C与模型A在两种工况下最大位移值差值百分比分别为8.18%，9.14%。下尺桡关节位移云图显示模型B、C相比模型A位移峰值区域更小。应力云图显示，在旋前工况下应力峰值区域向掌侧偏移，在旋后工况下向背侧偏移，与实际情况相符，模型B、C相比模型A应力峰值区域向中心回移(图6，7)。
2.2 各工况下桡骨远端骨折端的相对位移与应力变化情况 模型B和模型C远端骨折端在两种工况下的最大应力值与最大位移值均小于模型A(表3)，模型B与模型A在旋前、旋后工况下最大应力的差值百分比分别为12.02%，18.05%，而模型C与模型A在两种工况下最大应力差值百分比分别为18.43%，26.77%；模型B与模型A在旋前、旋后工况下最大位移值的差值百分比分别为17.48%，10.51%，而模型C与模型A在两种工况下最大位移值差值百分比分别为18.05%，17.76%。远端骨折端位移云图显示，模型B和C的位移峰值区域明显小于模型A。从应力分布来看，旋前工况下应力峰值区域向掌侧移动，旋后工况下则偏向背侧，这与临床观察一致。值得注意的是，相较于模型A，模型B和C的应力峰值区域更靠近中心区域(图8，9)。云图中应力峰值集中区域偏移了中心区域意味着相应结构出现不稳定使应力向外侧集中，下尺桡关节和远端骨折端在应力作用下容易出现向外侧的移位，影响结构稳定性。研究结果表明，无论是夹板外固定还是克氏针内固定，都能显著提升骨折端与下尺桡关节的稳定性，有效控制相对位移，保持应力分布的均衡性。根据差值百分比对照，两种固定方式的最大应力和位移值没有明显差别，说明它们在固定下尺桡关节与远端骨折端的效能不相上下。

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引言

桡骨远端骨折是指桡骨距离远端关节面3 cm以内的骨折，是儿童最常见的骨折类型之一，有大约15%的儿童桡骨远端骨折伴有远端骨骺损伤[1]。儿童桡骨远端骨骺骨折根据Salter-Harris分型分为Ⅰ-Ⅴ型，其中Ⅱ型损伤最为多见，其骨折线经过骺板，骨折远端由干骺端的骨块组成，是目前临床上最为多见的类型[2-4]。桡骨远端骨骺骨折需要采取适当的方式进行固定，否则可能出现骨折再移位、残余成角增加等情况，甚至导致骨骼生长阻滞[5]。目前临床上桡骨远端骨骺骨折的治疗方案主要分为保守治疗和手术治疗。保守治疗以闭合复位后夹板或石膏固定为主；而手术治疗主要以闭合复位克氏针内固定为主，除此之外还有切开复位内固定等治疗方式[6]。许多研究证实，两种治疗方案各有利弊。BERGKVIST等[7]发现，闭合复位克氏针内固定具有操作简单、固定可靠等优点，但是手术中对干骺端仍存在不可避免的损伤。GALÁN-OLLEROS等[8]发现，手法复位后采用石膏等外固定可以减少对软组织和血供的破坏，更有利于骨骼愈合与发育，尤其是对儿童骨骺的损伤较小，减少了骨骺早闭、骨骼生长阻滞等风险。
儿童骨折部位的稳定性对后期愈合非常重要，但是传统的临床研究观察指标往往停留在疼痛、活动度等，很少涉及生物力学机制。有限元分析是一种离散化数值计算的方式，通过计算机模拟研究一些现实中无法完成的力学机制[9]。该研究运用有限元分析法建立正常儿童腕关节三维模型，并构建出研究所需Salter-Harris Ⅱ型儿童桡骨远端骨骺骨折模型以及夹板外固定与克氏针内固定2种模型，分析在轴向压力合并旋前及旋后2种工况下远端骨折端与下尺桡关节的位移变化和应力分布，探讨2种固定方式的生物力学作用机制。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

材料方法

1.1 设计 有限元分析。
1.2 时间及地点 2022年4-9月在苏州市中医医院完成。
1.3 对象 选取1名健康男性儿童志愿者为获取模型对象，年龄12岁，身高106 cm，体质量32 kg，相关抽血化验结果符合健康儿童标准，左上肢既往无创伤史。由1名专业放射人员采用CT扫描技术(SOMATOM Definition Edge64排128层螺旋CT机，德国西门子)对志愿者左前臂及手部进行逐层扫描，包括腕关节水平上10 cm至第3掌指关节，检查显示生理结构正常。经苏州市中医医院医学伦理委员会批准，在取得志愿者及家属同意后签署知情同意书，授权当前研究使用其原始CT扫描数据(医院伦理批件号：2019伦研批014)。
1.4 方法
1.4.1 CT图像处理将CT数据以DICOM文件形式导入Mimics软件，获得基本的模型数据(图1)。通过Mimics软件导出的点云模型需经过逆向处理才能转化为可用于网格分析的封闭实体模型。首先，基于CT图像的灰度重建骨性结构和骨化中心，然后由软件自动生成骨骺及软骨部分，最后使用Solidworks 2016软件对点云模型数据实施逆向处理和自动分割。这些初步生成的曲面可能存在缺陷，需逐一进行修正和优化，使用Hypermesh软件对骨骼和软组织模型分别进行三维网格划分，最后进行组装形成最终模型。

1.4.2 正常腕关节有限元模型的建立将Hypermesh建立的初始模型数据导入ANSYS软件，并在其中补充材料属性数据，从而进一步完善分析模型。祁艳梅等[10]通过断层影像解剖学方法记录了关于腕关节韧带、肌肉等软组织的解剖结构，以此文献记录的数据来确定软组织结构的起止点，在ANSYS软件中采用线性单元进行模拟。骨骼、软骨、骨骺以及软组织分别根据最新相关文献的材料数据进行赋值(表1)[11]，最终建立正常儿童腕关节三维有限元模型。

将目前构建的三维模型以近端为基准点，在6个不同工况上施加刚性约束以实现完全固定。选取第2，3掌骨远端作为受力点，沿前臂纵轴方向施加渐进式轴向载荷，从0增加至100 N，以此模拟肌肉收缩时对腕关节产生的压力效应，得出腕关节应力分布图。有相关研究通过分析12具尸体标本腕关节的压力数据得出桡腕关节的受力面积和应力分布情况，与目前建立的腕关节模型应力分布图基本吻合，验证了此模型的有效性[12]。
1.4.3 Salter-Harris Ⅱ型儿童桡骨远端骨骺骨折模型的建立以临床最常见的 Salter-Harris Ⅱ型损伤为研究对象，在软件中设置骨折线的位置，骨折线厚度为1 mm，建立骨折模型(模型A)(图2)。
1.4.4 两种不同固定方式模型的制作在骨折模型基础上分别建立克氏针内固定和夹板外固定模型。在Solidworks软件中以长条形板状结构模拟实际中使用的夹板并与骨折模型相结合，构建夹板外固定模型(模型B)：4块夹板分别从前、后、左、右4个方向固定腕关节，设计与皮肤垂直的荷载约束力为28 N，模拟绷带对夹板的束缚力(图3)。
在Solidworks软件中采用1.6 mm圆柱模拟克氏针并与骨折模型相结合，构建克氏针内固定模型(模型C)：采用临床上常用的克氏针固定术式，2枚克氏针从桡骨茎突进入，斜向桡骨近端并交叉固定骨折线两侧骨块(图4)。根据相关文献[13]数据对夹板以及克氏针等内固定材料进行赋值(表2)。

1.4.5 工况设定与操作方案在ANSYS软件中将模型各个方向施加完全约束，以第2，3掌骨远端为受力点，沿前臂纵轴方向施加轴向载荷100 N。在轴向荷载下对腕关节远端施加22 N·m旋前方向的扭矩载荷模拟腕关节旋前运动，设定为旋前工况；在轴向荷载下对腕关节远端施加22 N·m旋后方向的扭矩载荷模拟腕关节旋后运动，设定为旋后工况(图5)。

1.5 主要观察指标 观测两种工况下下尺桡关节与桡骨远端骨折端的相对位移大小、应力大小以及应力云图中峰值区域的变化，判断模型A、B、C远端骨折端和下尺桡关节的稳定性。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

讨论

BREKELMANS等在1972年首次将有限元法应用于骨科研究。运用离散化数值计算方式是有限元分析法的本质[14]，把一些复杂难以计算量化的问题，通过有限分解的方式，转化为一系列简单问题以分析计算，得出答案[15]。近年来随着现代化技术水平的发展，许多关于骨折力学机制的研究采用了有限元模型分析的方式，模拟并计算得到现实中无法测量的数据[16-20]。MURAKAMI等[21]采用有限元分析法调查了跌倒配置对髋部骨折风险的影响，强调了女性骨盆软组织形状随年龄的变化。
GHEZELBASH等[22]建立了腰椎有限元模型分析运动节段分担的负荷，发现椎间盘退变、终板骨折和手术切除会显著改变腰椎的负荷传递。JOHNSON等[23]使用有限元分析评估胫骨-植入体界面微动对植入体性能的影响，发现两者显著相关。
使用Mimics软件处理健康志愿者CT影像数据是建立正常儿童腕关节模型的基础，与尸体实验文献数据对比验证后进一步建立可靠的Salter-Harris Ⅱ型桡骨远端骨骺骨折模型，有助于对比分析夹板外固定与克氏针内固定对骨折部位的稳定性维持能力。HUANG等[24]采用有限元分析方法研究Colles 骨折解剖学夹板固定的生物力学机制及固定的有效性，发现夹板固定在正中旋转位可以有效避免局部软组织的压迫。XU等[25]将传统 U 形前臂石膏固定与定制3D打印夹板固定的患者进行比较，并基于前臂的生物力学特性进行有限元分析，证明了3D打印夹板的优越性。这些研究得出的结论均证实了夹板维持骨折断端稳定性的生物力学特点，与上文模型模拟得出的结果相符。虽然边界条件和载荷工况的设定参考了国内外文献的通用方法，但骨皮质、骨松质、骨小梁等微小结构以及关节软骨、关节囊、韧带和肌肉等软组织在实际情况下有着极为精密的结构，计算机模拟并计算得到的只是近似的结果，无法完全复现真实情况下的生物力学特性[21]。
临床研究表明，桡骨远端骨骺骨折在儿童骨折中占比很高，其中最为常见的是Salter-Harris Ⅱ型，损伤风险随着青春期的快速生长增加，且由于儿童骨骼结构特殊常常被漏诊[26]。与成人骨骼不同，儿童骨骼远端的骨骺组织尚未完全闭合，这种特殊的生理特性使其成为力学薄弱点，更易受损[27]。桡骨远端骨骺骨折的临床治疗方案分为保守治疗与手术治疗[28]。保守治疗主要采用手法整复后夹板或石膏外固定，不仅成本较低，而且安全性和疗效都较为理想，手法复位联合夹板外固定治疗还具有可随时调整固定松紧度的优势，对患肢软组织和骨组织的创伤较小，能更好地保留骨折端血运，有利于促进儿童骨折愈合和骨骼的正常发育[29]。但是夹板、石膏等外固定对骨折断端的固定强度尚存争议[30]。手术治疗方案则较为丰富，包括切开复位管型钢板内固定、切开复位重建钢板或解剖钢板内固定和闭合复位克氏针内固定等，闭合复位克氏针交叉固定技术在临床上使用更多，更符合儿童桡骨远端特殊的解剖结构，同时较切开复位内固定损伤更小[31]。然而需要注意的是，克氏针需穿过干骺端区域，这会不可避免的增加骨骺损伤的风险，进而影响儿童的正常骨骼生长发育[32]。
夹板治疗的独特价值体现在3个方面：首先，夹板环绕式弹性加压的固定特点能对骨折断端及周围软组织形成整体约束和动态固定，同时保护桡骨的桡侧柱、中间柱和尺侧柱，并在功能锻炼时产生缓冲效果[33]；其次，小夹板比石膏更为轻便，不仅有益于功能训练，还能有效预防张力性水泡等并发症[34]；最后，夹板外固定在维持理想对位对线的同时，还兼具保护血运优势，最大限度减少对骨骺的危害，为骨折愈合创造有利条件[35]。谭景超等[36]发现手法复位后夹板联合石膏托固定可有效治疗Salter-Harris Ⅱ型儿童桡骨远端骨骺骨折。陈元荣等[37]比较了闭合手法复位夹板外固定与克氏针内固定治疗Salter-Harris Ⅱ型儿童桡骨远端骨骺骨折的临床疗效，发现两组患者掌倾角、尺偏角等观察指标无统计学差异，证明夹板外固定可以有效维持骨折断端的稳定性。郝博川等[38]分析了26例儿童桡骨远端骨骺骨折病例，发现手法复位夹板外固定不仅有着优秀的固定效果，还具有良好的安全性。课题组前期研究分析了Salter-HarrisⅡ型儿童桡骨远端骨骺骨折夹板外固定模型在垂直压力工况下骨折断端位移随应力增大而变化[39]，两者呈线性关系，为夹板外固定的固定效果提供了一定的力学理论依据。
综上，Salter-Harris Ⅱ型桡骨远端骨折在复位后，应用夹板外固定与克氏针内固定均可以有效维持下尺桡关节与骨折断端的稳定性，两者的固定强度没有明显差别。由于CT数据样本仅有1例，模型可能因个体差异存在局限性，且由于实验中所设计的工况均为静态荷载，无法模拟实际运动中骨骼结构的动态变化，得出的结果也可能因样本特殊性与其他情境而不同。未来需要进一步扩大样本量，建立多个模型互相验证以提高普适性，并进一步研究动态荷载下模型的应力与位移变化。尽管此研究存在一定局限性，但研究结论为儿童桡骨远端骨骺损伤的临床决策提供了重要的理论支撑，为后续深入研究指明了方向。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节；骨植入物；脊柱；骨折；内固定；数字化骨科；组织工程

两种固定方式治疗Salter-HarrisⅡ型儿童桡骨远端骨骺骨折的有限元分析

Finite element analysis of two fixation methods for Salter-Harris type II distal radius epiphyseal fracture in children

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