四种克氏针钢丝固定方式治疗髌骨横行骨折的有限元分析

doi:10.12307/2026.368

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (27): 6995-7001.doi: 10.12307/2026.368

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四种克氏针钢丝固定方式治疗髌骨横行骨折的有限元分析

李永威，叶宏

福建医科大学附属南平第一医院，福建省南平市 353000

收稿日期:2025-06-16 接受日期:2025-09-03 出版日期:2026-09-28 发布日期:2026-04-16
通讯作者: 叶宏，主任医师，福建医科大学附属南平第一医院，福建省南平市 353000
作者简介:李永威，男，1987年生，福建省南平市人，汉族，主治医师，主要从事骨科创伤方面的研究。
基金资助:
福建省自然科学基金项目(2024J011602)，项目负责人：李永威

Finite element analysis of four Kirschner wire fixation methods for treating patellar transverse fractures

Li Yongwei, Ye Hong

The First Affiliated Hospital of Nanping, Fujian Medical University, Nanping 353000, Fujian Province, China

Received:2025-06-16 Accepted:2025-09-03 Online:2026-09-28 Published:2026-04-16
Contact: Ye Hong, Chief physician, The First Affiliated Hospital of Nanping, Fujian Medical University, Nanping 353000, Fujian Province, China
About author:Li Yongwei, Attending physician, The First Affiliated Hospital of Nanping, Fujian Medical University, Nanping 353000, Fujian Province, China
Supported by:
Fujian Natural Science Foundation, No. 2024J011602 (to LYW)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

髌骨横行骨折：髌骨沿横向(水平)方向发生的骨折，通常由直接暴力(如撞击、摔倒)或强烈的股四头肌收缩引起。髌骨横行骨折常见于跌倒或运动损伤，可能导致膝关节伸直功能受损，临床表现包括膝前剧烈疼痛、肿胀、活动受限及骨折处压痛，部分患者可见皮下瘀斑或骨裂隙。
有限元分析：是一种数值计算方法，用于模拟和分析复杂结构或物理系统的力学行为。有限元分析通过将连续体划分为多个小的有限单元，并利用数学模型(如偏微分方程)求解每个单元的响应，从而预测整体结构的受力、变形、应力分布等情况，被广泛应用于工程、医学、航空航天和生物力学领域，例如分析骨骼受力情况、优化人工关节设计等。

摘要
背景：克氏针张力带钢丝内固定是治疗髌骨横行骨折的首选手术方式，但面临术后不稳定、骨不连及内固定物失效等问题，因此优化内固定方法具有重要临床意义。
目的：探讨交叉克氏针放置方式对髌骨横行骨折固定效果的影响。
方法：通过人体正常下肢CT扫描数据建立髌骨模型，进一步建立髌骨横形骨折及克氏针钢丝模型，设计平行、交叉30°、交叉45°、交叉60°克氏针钢丝置入内固定模型，通过有限元分析5种工况下(膝关节中立位、屈曲5°、屈曲15°、屈曲45°和屈曲60°)的骨折面应力、骨折面位移、克氏针应力和钢丝应力。
结果与结论：4组内固定模型的骨折面应力在2.06-40.00 MPa之间，平行克氏针固定组5种工况中的骨折面应力最大，交叉30°克氏针固定组膝关节屈曲15°时骨折面应力小于交叉45°、交叉60°克氏针固定组。4组内固定模型的骨折面位移在0.03-0.61 mm之间，交叉60°克氏针固定组膝关节屈曲5°，15°时的骨折面位移最大，平行克氏针固定组膝关节屈曲5°时的骨折面位移最小，交叉30°克氏针固定组膝关节屈曲15°时的骨折面位移最小。4组内固定模型的钢丝应力在56.80-2 511.00 MPa之间，平行克氏针固定组膝关节屈曲5°，15°时的钢丝应力最大，交叉30°克氏针固定组膝关节屈曲5°，15°时的钢丝应力最小。4组内固定模型的克氏针应力在65.67-1 018.00 MPa之间，交叉60°克氏针固定组膝关节屈曲5°时的克氏针应力最大，平行克氏针固定组膝关节屈曲15°的克氏针应力最大，交叉30°克氏针固定组膝关节屈曲5°和15°的克氏针应力最小。结果表明，30°交叉放置克氏针在骨折稳定性及内固定系统应力分布方面均表现最佳，显示出良好的生物力学优势。

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: ">髌骨骨折；横行骨折；克氏针钢丝固定；生物力学；有限元分析；骨科植入物

Abstract: BACKGROUND: Kirschner wire and tension band internal fixation is the preferred surgical procedure for treating transverse patellar fractures, but it is often associated with postoperative instability, nonunion, and internal fixation failure. Therefore, optimizing the internal fixation method is of great clinical significance.
OBJECTIVE: To investigate the effect of crossed Kirschner wire placement on the fixation of transverse patellar fractures.
METHODS: A patellar model was constructed using normal lower limb CT scan data. A transverse patellar fracture and Kirschner wire model was further constructed. Parallel, 30°, 45°, and 60° crossed Kirschner wire placement models were designed. Finite element analysis was performed to analyze the fracture surface stress, fracture surface displacement, Kirschner wire stress, and wire stress under five different working conditions (neutral knee position, 5° flexion, 15° flexion, 45° flexion, and 60° flexion).
RESULTS AND CONCLUSION: The fracture surface stresses in the four internal fixation models ranged from 2.06 to 40.00 MPa. The parallel Kirschner wire fixation group had the highest fracture surface stress among all five conditions. The crossed 30° Kirschner wire fixation group had lower fracture surface stress at 15° of knee flexion than the crossed 45° and crossed 60° Kirschner wire fixation groups. The fracture surface displacements in the four internal fixation models ranged from 0.03 to 0.61 mm. The crossed 60° Kirschner wire fixation group had the highest fracture surface displacement at 5° and 15° of knee flexion, the parallel Kirschner wire fixation group had the lowest fracture surface displacement at 5° of knee flexion, and the crossed 30° Kirschner wire fixation group had the lowest fracture surface displacement at 15° of knee flexion. The wire stresses in the four internal fixation models ranged from 56.80 to 2 511.00 MPa. The parallel K-wire fixation group had the highest wire stress at 5° and 15° of knee flexion, and the crossed 30° Kirschner wire fixation group had the lowest wire stress at 5° and 15° of knee flexion. The Kirschner wire stresses in the four internal fixation models ranged from 65.67 to 1 018.00 MPa. The Kirschner wire stress in the 60° crossed Kirschner wire fixation group was highest at 5° of knee flexion, the parallel Kirschner wire fixation group at 15° of knee flexion, and the 30° crossed Kirschner wire fixation group at both 5° and 15° of knee flexion. The results showed that the 30° crossed Kirschner wire placement performed best in terms of fracture stability and stress distribution within the internal fixation system, demonstrating excellent biomechanical advantages.

Key words: patellar fracture, transverse fracture, Kirschner wire fixation, biomechanics, finite element analysis, orthopedic implant

中图分类号:

李永威, 叶宏. 四种克氏针钢丝固定方式治疗髌骨横行骨折的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(27): 6995-7001.

Li Yongwei, Ye Hong . Finite element analysis of four Kirschner wire fixation methods for treating patellar transverse fractures[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(27): 6995-7001.

图/表（结果） 2

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引言

髌骨骨折作为一种常见的关节内骨折类型，约占所有骨折的1%[1]，其中横行骨折是最常见的类型，约占髌骨骨折的23%[2]。髌骨骨折通常会对膝关节伸展功能造成严重损伤，直接影响患者的运动能力和生活质量，进而导致长期的康复和功能障碍[3-4]。
根据临床研究和治疗指南，对于不同类型的髌骨横行骨折，尤其是骨折移位超过3 mm或关节面移位超过2 mm的病例，通常推荐手术固定[5-6]。手术治疗的核心目标是通过内固定实现骨折端的对接和稳定，促进骨折愈合，同时恢复膝关节的正常功能[7-9]。当前，临床中用于固定髌骨横行骨折的内固定材料和方法多种多样[10-13]，内固定的选择直接关系到骨折愈合效果及患者恢复速度。治疗髌骨横行骨折时，克氏针张力带钢丝内固定因简便、经济且效果显著而被广泛应用，该方法通过克氏针的张力将骨折两端固定在一起，有效促进骨折的愈合[14-18]。尽管克氏针张力带钢丝内固定已经成为髌骨横行骨折治疗的标准方法，但在实际临床应用中仍然存在一些不可忽视的问题[19-20]。例如，在使用张力带钢丝内固定后，约22%的患者在早期活动阶段出现了片段位移≥2 mm的情况[21-23]，表明该治疗方法在骨折复位后期可能存在不稳定性，影响愈合进程；术后髌骨骨不连的发生率在2.4%-12.5%之间[24]，术后还可能出现与内固定相关的并发症，如软组织刺激、金属丝断裂等[21，25-26]，这些并发症不仅延长了患者的康复时间，还可能导致术后功能的进一步损害。已有研究表明，克氏针的放置深度和弯曲方式对临床结果具有显著影响[27]。当前临床上普遍采用的是平行放置克氏针方式，但这种方法抗矢状面应力和扭矩力方面的能力有限，可能导致骨折固定不稳。因此，进一步优化手术技术和克氏针放置方式对提高手术效果具有重要意义。
近年来，有限元分析技术在骨科生物力学领域的应用越来越广泛，有限元分析不仅能够深入模拟和分析骨折的力学机制，还可以构建虚拟模型，模拟不同内固定方式的生物力学表现，从而为手术策略的优化提供科学依据[28-30]。通过有限元模型，研究者能够评估不同骨折内固定方法的稳定性和效果，极大地节省了经济成本，并提供了无创研究手段[31-32]。有限元分析不仅对基础研究具有重要意义，也为临床实践提供了强有力的理论支持。
鉴于平行克氏针固定的局限性，此次研究创新性地提出了交叉克氏针放置方式，通过构建髌骨横行骨折克氏针张力带钢丝内固定有限元模型，探讨交叉克氏针放置方式对髌骨横行骨折固定效果的影响，识别出最优的的克氏针放置角度，从而提高髌骨横行骨折治疗效果，降低复位损失及内植物失效风险。

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 4组内固定钢丝内固定髌骨骨折的三维有限元分析。
1.2 时间及地点 实验于2024年9-12月在福建医科大学附属南平第一医院完成。
1.3 材料
1.3.1 实验软件采用西门子 Somotom Perspective 128 层CT获取膝关节的三维图像。使用Mimics Research 21.0(Materialise，比利时)医学建模软件进行医学影像处理，通过Geomagic Studio 2014(Geomagic，美国)软件完成后续的三维模型细节优化，Solidworks 2023(Dassault Systemes，USA)软件创建骨折、内固定物建模及装配， ANSYS Workbench 2020 R1(ANSYS，美国)软件进行有限元分析计算。
1.3.2 志愿者下肢CT资料选择1名26岁男性志愿者左侧下肢CT图像，身高170 cm，体质量70 kg，根据就诊记录排除畸形、骨折和骨肿瘤。志愿者对实验知情同意并签署了知情同意书。CT图像采集参数：管电压120 kV，管电流500 mA，层厚0.625 mm。图像数据以Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM)格式导出。研究已获得南平市第一医院医学伦理委员会批准，批准号：NPSY202504007。
1.4 方法
1.4.1 建立髌骨模型将髌骨CT数据导入Mimics Research 21.0软件，使用阈值调整、区域生长和计算部分命令生成左侧髌骨三维模型。髌骨三维模型以STL格式导入Geomagic Studio 2014软件进一步处理，经过去角质、补孔、平滑处理获得了髌骨骨皮质模型，以STP格式文件导出。由于不同区域的皮质厚度不同，在CT图像上测量了不同部位的皮质厚度，范围在1-4 mm之间。在此基础上，利用多边形网格调整命令对髌骨骨松质进行建模并导出。将皮质骨和松质骨模型STP格式文件导入Solidworks 2023软件，去除皮质骨和松质骨的重叠和干涉，获得完整的髌骨模型。
1.4.2 建立髌骨横形骨折及克氏针钢丝内固定模型在Solidworks 2023软件中，利用拉伸功能绘制克氏针的几何形状，按照实验设计的平行、交叉30°、交叉45°及交叉60° 4种克氏针置入方式进行克氏针与骨折的装配；随后，使用扫描功能分别绘制4种置针方式的钢丝，通过等距曲面工具模拟钢丝与骨皮质部分的接触。为了构建髌骨横形骨折模型，在髌骨纵轴的中点处绘制一条水直线，随后使用切割功能制作出骨折断端无分离间隙的髌骨横形骨折模型(图1)。

1.4.3 有限元分析完成模型构建后，将4组模型分别导入 ANSYS Workbench 2022R1软件进行有限元分析。模型中各个材料的属性见表1。

设置接触关系时，骨与骨、骨与金属、金属与金属之间的接触均设置为摩擦。具体的摩擦系数设定为：骨与骨接触的摩擦系数为0.45，骨与金属接触的摩擦系数为0.2，金属与金属接触的摩擦系数同样设为 0.2[33-35]。这些设置将为后续的力学分析提供准确的模型基础，从而使研究结果更加可靠。

采用二次四面体单元对整体模型进行细致的网格划分。为确保计算精度，进一步使用 Sizing命令对特定区域进行局部细化处理，克氏针与钢丝的网格设置为0.5 mm，而骨骼的网格设置为2.0 mm，内固定物与骨骼接触面的网格设置为0.5 mm。模型的单元格和节点数详见表2，提供了每种模型的具体参数信息。

实验过程中依据 ISO 14243-12009 标准步态数据，选取步态周期中最具代表性的5种工况[膝关节屈曲0°(中立位)，5°，15°，45°，60°]进行分析，更真实地反映在实际步态周期中髌骨的力学环境。每种状态下的载荷和边界条件如图2及表3所示，确保实验设置的科学性和合理性。

1.5 主要观察指标 对有限元分析结果进行充分收敛，在结果变化小于5%时停止，以确保结果的可靠性。为了降低数字奇点对有限元分析结果的影响，此次研究选择了以下关键观察指标：骨折面应力、骨折面位移、克氏针应力和钢丝应力。

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

克氏针张力带钢丝内固定是治疗髌骨横行骨折的常用方法之一，然而，关于克氏针在骨内的最佳放置位置以及不同内固定系统模型的生物力学特性尚无定论。此次研究从术后早期骨折愈合环境和内固定系统力学环境出发，比较了4种克氏针放置方向对克氏针张力带钢丝内固定术力学效果的影响，综合探讨了整个步态周期中4种方式的固定效果，结果显示：在整个步态周期中，只有在髌骨载荷较大的屈膝5°和15°时4组模型表现出了显著差异，对比平行放置克氏针的经典方法，交叉30°克氏针固定组表现出了更加稳定的骨折固定效果以及更加合理的生物力学环境。
术后早期骨折局部应力是评估治疗效果的重要因素，已有研究证明，适度的机械刺激会加速愈合早期骨痂的形成，但过度的机械刺激则会阻碍骨折的愈合[36-38]。此次研究发现，经典的克氏针平行放置组相较于克氏针交叉放置组在整个步态周期中均显示出了明显更大的应力，平行克氏针固定组的应力也明显大于其他3组，因此这种可克氏针放置方式是不合理的，过大的应力作用于整个骨折内固定系统导致了内固定失效的发
生[21，25-26]。
骨折术后稳定性是评估内固定效果的另一个重要指标。研究表明，骨折移位> 2 mm对骨折愈合有不利影响，而移位<
0.5 mm可促进骨痂形成[39]。此次研究结果显示，交叉60°克氏针放置方式导致了骨折面过大的位移，显然会对骨折的愈合造成不良影响，因此是不合理的，而其他3组均显示出了更稳定的固定效果，从而为骨折愈合提供有利条件。
从内固定系统的力学环境来看，术后早期内固定系统需要承担更多的应力从而保证骨折愈合的理想环境，4组固定方式在这一点均表现出了一致的趋势，即内固定物承担的应力远大于骨折面承担的应力。但是过大的应力会导致内固定物断裂进而失效[40-41]，钛合金的克氏针应力达到屈服强度450 MPa时可发生不可逆变形，达到断裂强度600 MPa时就可能会发生断裂[42]，钢丝的屈服强度与断裂强度显然更低[43]。此次研究中钢丝和克氏针的应力显著超过了450 MPa，这一结果解释了临床实践中应用钛揽或者双钢丝的原因。从固定效果来看，经典的平行克氏针固定、交叉45°与60°克氏针固定组的内固定物应力与稳定性均差于交叉30°克氏针固定组，因此，交叉30°克氏针放置方式显示出了更稳定的骨折内固定效果以及更合理的内固定系统的应力分布：一方面可以保证术后早期骨痂的形成与骨化，保证骨折愈合效果，另一方面又可以避免承受过大应力而导致的内固定物变形、断裂。
自克氏针张力带钢丝应用于髌骨横行骨折治疗以来，无论是克氏针放置位置还是置针方向都被广泛讨论。在克氏针放置位置方面，MADEN等[44]评估了不同放置深度及间距的6种克氏针放置方案的生物力学特性，发现克氏针在冠状位和矢状位的不同位置会显著影响改良张力带布线的生物力学特性，在膝关节静态屈曲60°时，克氏针前外侧放置位置表现出较差的生物力学特性，该组的稳定性明显低于其他改良张力带布线中的所有位置，表明克氏针的放置位置对张力带固定系统的稳定性和效果具有重要影响，因此，在临床应用时需要精确定位克氏针位置，以保证最佳的固定效果和骨折愈合。KIM等[45]开展的生物力学研究进一步验证了克氏针放置位置对骨折愈合的影响，发现较深位置的克氏针放置能够在关节骨折间隙处提供更大的压缩力，更有效促进骨折部位的接触和稳定，从而有利于骨折愈合过程。
除了放置位置，克氏针在骨内的放置方向也是一个广泛讨论的课题，文献中主要集中在“8”字型和“0”字型2种固定模型的比较上，尤其是这2种模型的生物力学性能及对骨折稳定性的影响。在有限元分析的研究中，刘峰等[46]和蔡昊等[47]分别对这2种固定模型进行了深入比较。蔡昊等[47]的研究聚焦于空心螺钉联合“8”字和“0”字拉线内固定系统，研究表明“0”字型张力带固定系统联合空心螺钉治疗髌骨横行骨折时较“8”字型固定系统表现出更高的稳定性，空心螺钉在“0”字型固定系统中的作用能够进一步增强内固定的稳定性，从而有效减少骨折部位的移位和应力集中，有利于促进骨折愈合。刘峰等[46]探讨了“8”字型与“0”字型克氏针张力带在髌骨横行骨折治疗中的稳定性差异，研究表明“0”字型固定系统在骨折部位的应力值和位移值均较“8”字型固定系统小，表明“0”字型张力带固定系统能够提供更均匀的应力分布、减少骨折端的位移，从而提高内固定系统的稳定性；此外，“0”字型张力带主要约束髌骨前表面左右两侧，从而使得整个内固定系统的稳定性更佳，进一步证明了该固定系统在生物力学上的优越性。
此次研究对比了交叉放置克氏针与传统平行放置克氏针在髌骨横行骨折中的治疗效果，发现交叉30°放置克氏针的优越性，认为出现该结果可能的原因有为：一方面，交叉放置克氏针提供了髌骨在运动过程中对抗骨折块分离的阻力，而平行放置克氏针不具备此种优势；另一方面，交叉放置增加了克氏针在髌骨内的长度，从而扩大了克氏针的有效工作范围，使内固定系统的整体应力水平降低。
该研究也有一些需要考虑的局限性：作为一项有限元分析研究，没有将膝关节周围软组织对髌骨的静态或动态影响考虑在内；研究建立的有限元模型中，所有材料都被简化为各向同性材料。因此，后续需要更多的生物力学研究和临床研究佐证此次研究的观点。
此次研究从术后早期骨折愈合及内固定系统的力学环境出发，比较了4种克氏针放置方向对张力带钢丝内固定术力学性能的影响，结果表明30°交叉放置克氏针在骨折稳定性及内固定系统应力分布方面均表现最佳，显示出良好的生物力学优势，具有较高的临床应用潜力。然而，考虑到患者骨折类型及愈合需求存在个体差异，临床应根据具体情况选择最合适的内固定策略，以优化治疗效果。

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

四种克氏针钢丝固定方式治疗髌骨横行骨折的有限元分析

Finite element analysis of four Kirschner wire fixation methods for treating patellar transverse fractures

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