肌肉负荷对股骨干骨折早期愈合生物力学影响的有限元分析

doi:10.12307/2025.814

中国组织工程研究 ›› 2025, Vol. 29 ›› Issue (21): 4413-4420.doi: 10.12307/2025.814

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肌肉负荷对股骨干骨折早期愈合生物力学影响的有限元分析

程超然1，张峻霞1，2，贾军3

1天津科技大学机械工程学院，天津市 300222；2天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室，天津科技大学，天津市 300222；3天津市天津医院骨科，天津市 300200

收稿日期:2024-05-13 接受日期:2024-07-31 出版日期:2025-07-28 发布日期:2024-12-04
通讯作者: 张峻霞，博士，教授，天津科技大学机械工程学院，天津市 300222；天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室，天津科技大学，天津市 300222 贾军，博士，主任医师，天津市天津医院骨科，天津市 300200
作者简介:程超然，男，1988年生，河南省商丘市人，汉族，天津科技大学在读博士，主要从骨折愈合的生物力学研究。
基金资助:
天津市科技计划项目(20JCYBJC01430)，项目负责人：贾军

Finite element analysis of muscle loading effect on biomechanics of early healing of femoral stem fractures

Cheng Chaoran1, Zhang Junxia1, 2, Jia Jun3

1College of Mechanical Engineering, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222, China; 2Tianjin Key Laboratory of Integrated Design and Online Monitoring for Light Industry and Food Engineering Machinery and Equipment, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222, China; 3Department of Orthopedics, Tianjin Hospital, Tianjin 300200, China

Received:2024-05-13 Accepted:2024-07-31 Online:2025-07-28 Published:2024-12-04
Contact: Zhang Junxia, MD, Professor, College of Mechanical Engineering, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222, China; Tianjin Key Laboratory of Integrated Design and Online Monitoring for Light Industry and Food Engineering Machinery and Equipment, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222, China Corresponding author: Jia Jun, MD, Chief physician, Department of Orthopedics, Tianjin Hospital, Tianjin 300200, China
About author:Cheng Chaoran, Doctoral candidate, College of Mechanical Engineering, Tianjin University of Science and Technology, Tianjin 300222, China
Supported by:
Tianjin Science and Technology Plan Project, No. 20JCYBJC01430 (to JJ)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：

肌肉负荷：是指肌肉在进行运动或承受质量时所承受的力量或压力。在骨折愈合过程中，骨头需要受到适度的负荷刺激，以促进新骨组织的生长和修复。而肌肉收缩和运动可以产生力量刺激，促进骨细胞的生长和增殖，适当的肌肉负荷可以促进骨折部位的愈合过程。
有限元分析：是一种数值计算方法，常用于解决复杂的工程和科学问题。其思想是将大型结构或系统分解为许多小的有限元素，然后利用数学方法对这些元素进行计算求解，以模拟和预测结构或系统的行为。在医学领域，有限元分析被广泛应用于模拟人体组织和器官的力学行为。

摘要
背景：以往的研究多通过忽略肌肉负荷和采用简化股骨负荷的方式，进行骨折早期愈合的生物力学分析。然而，肌肉负荷对骨折早期愈合产生的生物力学影响尚不清楚。
目的：构建不同的股骨负荷模型，研究肌肉负荷对骨折愈合的生物力学影响，帮助临床医生更好地理解骨折愈合的生物力学过程，优化治疗方案。
方法：利用AnyBody Modeling System软件构建个性化的人体肌肉骨骼系统，通过仿真分析以获取体内的肌肉骨骼负荷模型。该模型和采用改进简化负荷方法、简化负荷方法构建的股骨负荷模型，分别作为有限元输入的边界条件，对站立状态下锁定加压钢板应力应变、骨折块应变进行分析。
结果与结论：①与简化负荷方法相比，肌肉骨骼方法得到的锁定加压钢板应力、应变和骨折块应变分别小了31.9%；38.9%和19.5%；②肌肉骨骼方法与改进简化负荷方法对比发现，忽略肌肉负荷则会造成锁定加压钢板的应力、应变和骨折块应变分别高估16.8%，14.3%和19.5%，肌肉负荷对骨折块的剪切运动大小无明显影响，而对运动方向有明显的影响；③结果表明，简化股骨负荷和忽略肌肉负荷的方法与肌骨骨骼负荷情况存在一定的偏差，因此，在研究骨折愈合时需考虑肌肉负荷的生物力学影响。

关键词: 肌肉负荷, 骨折愈合, 锁定加压钢板, 骨折块应变, 有限元分析

Abstract: BACKGROUND: Previous studies have mostly performed biomechanical analysis of early fracture healing by ignoring muscle loading and using simplified femoral loading. Nevertheless, the biomechanical effects of muscle loading on early fracture healing are still uncertain.
OBJECTIVE: To construct various femoral loading models allows for the study of the biomechanical effects of muscle loading on fracture healing, enabling clinicians to gain a deeper understanding of the biomechanical process of fracture healing and to optimize treatment protocols.
METHODS: The AnyBody Modeling System software was employed to construct a personalized human musculoskeletal system, which was then analyzed by simulation in order to obtain the musculoskeletal loading model in vivo. This model, along with the femur loading model constructed using the improved simplified loading method and the simplified loading method, was utilized as boundary conditions for the finite element inputs, which were used to analyze the locking compression plate stress-strain and interfragmentary strain in the standing condition, respectively.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The locking compression plate stresses and strains and interfragmentary strains obtained from the musculoskeletal method were, respectively, 31.9%, 38.9%, and 19.5% smaller than those obtained from the simplified loading method. (2) A comparison of the musculoskeletal method with the modified simplified loading method revealed that the neglect of muscle loading resulted in an overestimation of locking compression plate stress and strain, as well as interfragmentary strain, by 16.8%, 14.3%, and 19.5%, respectively. Muscle loading did not have a significant effect on the magnitude of the shear motion of the fracture block, whereas it did have a significant effect on the direction of motion. (3) The results indicated that the simplified femoral loading and the method of ignoring muscle loading exhibited some deviation from the musculoskeletal loading situation. Consequently, it is necessary to consider the biomechanical effects of muscle loading in the study of fracture healing.

Key words: muscle loading, fracture healing, locking compression plates, fracture block strain, finite element analysis

中图分类号:

R459.9|R318|R681

程超然, 张峻霞, 贾军. 肌肉负荷对股骨干骨折早期愈合生物力学影响的有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(21): 4413-4420.

Cheng Chaoran, Zhang Junxia, Jia Jun. Finite element analysis of muscle loading effect on biomechanics of early healing of femoral stem fractures[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2025, 29(21): 4413-4420.

图/表（结果） 5

2.1 验证肌肉骨骼负荷模型的有效性 改进简化负荷模型是在肌骨模型基础上的简化而来，改进简化负荷模型在膝关节产生的力矩相对轴向的压缩力较小(表1)，因此，通过与简化负荷模型在轴向压缩力作用下产生的AIM进行对比分析，可验证构建的肌肉骨骼负荷模型的有效性。由于股骨远端的约束不同，在两种负荷模型的作用下，骨折部位在远皮质和近皮质处发生位移也不相同，详见表2，但在远皮质和近皮质产生的近似相同的AIM(AIM远皮质=1.23 mm，AIM近皮质=0.17 mm)。

虽然简化负荷方法和改进简化负荷方法的边界条件略有不同，但其作用力都来源于人体质量，作用在股骨上的轴向力对骨折块运动的作用形式相同，致使在股骨轴向产生的AIM值也近似相同，验证了数据库“OrthoLoad”中测量数据和AMS获取的负荷模型的一致性和有效性。
2.2 锁定加压钢板的应力和应变 3种负荷模型计算的锁定加压钢板的Von Mises应力和最大应变有显著差异。Von Mises应力分布如图4A所示。随着股骨负荷模型的简化程度的增大，锁定加压钢板的最大Von Mises应力逐渐增大，肌肉骨骼方法、改进简化负荷方法和简化负荷方法3种方法中得到的锁定加压钢板的最大Von Mises应力分别为399.8，480.3，587.1 MPa。肌肉骨骼方法得到的最大应力比简化负荷方法得到的小31.9%，比改进简化负荷方法得到的小16.8%。锁定加压钢板的最大应变如图4B所示，简化方法、改进简化方法和肌肉骨骼方法得到的锁定加压钢板的最大应变分别为2 839，2 024，1 735 με。即肌肉骨骼方法得到的最大应变比简化负荷方法得到的最大应变小38.9%，比改进简化负荷方法得到的最大应变小14.3%。结果表明，采用传统简化股骨负荷方法会高估锁定加压钢板的应力应变，忽略肌肉负荷则高估锁定加压钢板的应力应变。
对于3种负荷建模，改进简化负荷模型和肌肉骨骼模型的最大应力分布在股骨近侧且最靠近骨折间隙的孔处(图4A)。最大应变分布明显不同，简化负荷方法得出的最大应变分布在股骨远端且最靠近骨折间隙的孔处(图4B)，改进简化负荷方法和肌肉骨骼方法得到的最大应变分布位置相似，均在锁定加压钢板的外侧前边缘。

2.3 骨折块运动和应变 在3种负荷模型的作用下，骨折部位在远皮质和近皮质产生的AIM也存在一定的差异，如图5A，其中简化负荷方法和改进简化负荷方法产生近似相同的AIM(AIM远皮质=1.23 mm，AIM近皮质=0.17 mm)，而肌肉骨骼方法在远皮质和近皮质得到的AIM(AIM远皮质=0.99 mm，AIM近皮质=0.15 mm)则比它们分别减小了19.5%及11.8%。根据AIM分别计算3种负荷模型(简化负荷模型、改进简化负荷模型和肌肉骨骼模型)在远皮质的骨折块应变分别为30.8%，30.8%和24.8%，近皮质的骨折块应变分别为4.3%，4.3%和3.8%，如图5B所示。

SIM在3种负荷模型作用下也存在差异，简化负荷方法为SIM远皮质=0.72 mm，SIM近皮质=0.08 mm；改进简化负荷方法为SIM远皮质=0.18 mm，SIM近皮质=0.02 mm；肌肉骨骼方法为SIM远皮质=0.19 mm，SIM近皮质=0.02 mm(图6A)。3种负荷模型在远皮质的SIM/AIM比值分别为0.59，0.15和0.19，在近皮质的SIM/AIM比值分别为0.47，0.12和0.13(图6B)。远皮质和近皮质的SIM/AIM比值存在差异，但均小于1.6。

为了更好地了解不同负荷模型对SIM的影响，将远皮质和近皮质的SIM分解为X和Z方向的运动。在远皮质，简化负荷模型在X和Z方向上更为平衡，改进简化负荷模型主要发生Z方向运动，肌肉骨骼模型主要发生X方向运动。在近皮质，简化负荷模型和肌肉骨骼模型在X和Z方向上更为平衡，改进简化负荷模型主要发生X方向运动，如表3所示。

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引言

骨折部位的机械刺激对骨折愈合有着重要的作用，骨折断端在机械负荷的作用下可以产生毫米范围内的骨折间微动，在一定范围内的微动可促进骨痂生成和加速骨折愈合[1-3]。骨折块运动作为骨折愈合过程中一个重要机械参数，如何能够真实地模拟骨折部位的机械刺激去客观和定量地研究骨折块运动成为一个挑战。而机械刺激中的肌肉负荷因不容易测量常被忽略，造成肌肉负荷对骨折钢板和愈合效果的影响尚不清楚[4-5]。
有限元分析是一种研究人体骨骼生物力学的有效方法，自1972年被引入骨科生物力学，就被广泛应用于评估人体骨骼和植入物中的应力[6-9]。然而，有限元分析的研究结果高度依赖于载荷条件的准确描述。在以往骨折愈合过程的研究中，通常采用“简化”方法模拟股骨的机械负荷，即以人体自身的质量来近似表征股骨受到的压缩力，这种方法只考虑了患者的体质量作为植入物系统的压缩力[10-13]，与股骨真实的受力环境相差较大。也有研究通过对施加压缩力、弯矩和扭矩来模拟骨骼关节力和力矩，而并没有考虑肌肉力对股骨的作用[14]。已有研究表明，如果忽略所有肌肉力，人体站立时股骨的拉伸和压缩应变则会被高估，说明肌肉在骨骼内环境、愈合早期阶段的骨折部位对机械负荷尤为敏感[4]。尽管这种“简化”方法可以初步表明机械负荷和骨折愈合之间的相互作用，但若是用于定量研究骨折-钢板系统和骨折愈合效果，还需要构建更为真实的骨折受力环境，从而获得准确而有意义的结果。
股骨作为连接髋关节和膝关节的长骨，承担着支撑人体质量和运动功能。相比其他骨骼，股骨周围附着大量的肌肉，因此，作用在骨折部位的机械刺激包括了关节力、肌肉力和力矩。股骨负荷模型考虑的越全面，其分析结果越贴近真实。目前肌肉负荷对骨折愈合的生物力学影响还不清楚，基于这一问题，此次研究构建了不同的股骨负荷模型，通过观察负荷模型之间差异性对骨折愈合的生物力学影响，从而确定肌肉负荷对骨折愈合的生物力学影响。此次研究将股骨负荷建模方法分为3种，根据负荷建模的全面性在全文中进行标记，分别为肌肉骨骼方法、改进简化负荷方法和简化负荷方法。肌肉骨骼方法充分考虑了肌肉力、关节力和力矩之间的相互作用对股骨的影响，较为真实地模拟了股骨的受力环境。改进简化负荷方法是在肌肉骨骼方法的基础上，去掉了作用在股骨上的肌肉力，而仅在股骨的近端和远端施加关节力和力矩。简化负荷方法则是采用传统受力分析的方式对股骨负荷进行简化，这也是多数研究采用的方法。将3种负荷建模方法分别应用于站立姿势下的股骨干骨折-锁定加压钢板病例研究，计算锁定加压钢板的应力应变，并通过计算骨折块应变以分析肌肉负荷对骨折愈合的影响。

材料方法

1.1 设计 有限元仿真分析实验。
1.2 时间及地点 实验于 2024 年 3-4月在天津科技大学机械工程学院生机电一体化研究三室完成。
1.3 对象 在排除股骨骨折、畸形和肿瘤等病变后，研究所用的左下肢股骨CT图像(层厚：0.625 mm)来自于实验室的一名健康成年男性志愿者，年龄34岁，身高
171 cm，体质量84 kg。
此次研究的实施符合《赫尔辛基宣言》，由天津科技大学机械工程学院伦理委员会批准，并在研究开始前获得了参与者的书面知情同意。
1.4 软件 Mimics 20.0软件(Materialise公司，比利时)；Geomagic Studio 13(Geomagic公司，美国)；Cero5.0(PTC公司，美国)；AnyBody Modeling System软件(Anybody Technology公司，丹麦)；Abaqus 2020软件(SIMULIA公司，法国)。
1.5 方法
1.5.1 构建骨折-钢板系统模型构建将CT图像以DICOM格式导入 Mimics 20.0软件构建股骨3D模型，在“区域生长”“填充”和“擦除”程序之后，以*.stl格式提取股骨3D模型。然后将stl格式的股骨3D模型导入到Geomagic Studio 13软件进行修剪，以获得光滑和精确的股骨模型。在Cero 5.0中构建股骨干中1/3骨折模型，采用简单横切模拟裂缝[15]，裂缝间隙大小为4 mm[16-17]，以模拟骨折早期愈合阶段。设计10孔Ti6Al4V的锁定加压钢板模型，长度为188 mm，宽度为18 mm，厚度为5 mm，骨折模型的工作长度(跨度)为30 mm。将钢板放置在股骨外侧，采用6个简化的圆形螺钉(直径5 mm、长度45 mm)进行钢板的固定，在锁定加压钢板每侧采用隔孔布置螺钉(图1)，并将钢板与骨之间的间隙设置为1 mm。

1.5.2 负荷建模在3种建模方法中，采用相同的股骨骨折-锁定加压钢板三维模型。不同之处在于股骨负荷建模的方法，下面对每个建模方法进行说明。
肌肉骨骼方法：股骨承受的生理载荷是通过AnyBody Modeling System(AMS)获取的，AMS是一款多体动力学软件[18-21]，经测试该软件模拟实验的结果与临床实践相一致。由于该建模系统考虑人体骨骼和肌肉的个体之间的差异[22-23]，可以通过逆动力学分析，计算体内不易提取的关节力和力矩、肌肉力和韧带力，因此，该软件常应用于关节置换术、植入物设计和日常活动的仿真分
析[6，24-26]。获取过程如下：首先，进行人体志愿者参数(身高、体质量、年龄)的测量，在AMS模型库中修改人体站立模型的程序，采用AMS系统提供的长度-质量-脂肪缩放定律确定骨骼尺寸和惯性参数，完成基于志愿者人体参数的肌骨系统模型构建。然后，肌肉力、关节力和力矩等边界通过逆动力学进行定义。通过Geomagic Studio的手动注册，完成志愿者股骨模型与AMS股骨模型的匹配，所有边界条件都由AMS的插件“AnyFE2Abq”导出，输出为*.inp文件。上述导出的*.inp文件中包含了股骨在站立姿势时的所有生理载荷(肌肉力、关节力和力矩)和约束，具体生理载荷详见表1，肌肉骨骼模型的载荷和约束已通过插件“Any2Abaqus”加载到股骨网格中，而骨折间隙处的肌肉力作用点通过重新定义网格表面进行耦合，最后将导出的载荷和约束作为有限元分析的边界条件(图2A)。
改进简化负荷方法：在肌肉骨骼方法的基础上对骨折有限元模型采用惯性释放法进行分析，去除作用在股骨上的肌肉负荷，保留髋关节和膝关节的关节力和力矩，不设置任意约束的情况下进行有限元分析，使骨折有限元模型处于动态平衡状态，模拟无反作用力的静态加载条件[27]，如图2B所示。
简化负荷方法：常用的简化负荷的方式是使股骨远端完全固定，并在近端施加负荷[10，13]，如图2C。人体在正常的双腿站立的姿势下，股骨承担着人体较大的质量，而根据免费的数据库“OrthoLoad”得知，作用在股骨头上力F约为人体质量，基于肌骨模型中提取的XYZ三个方向上关节作用力的分量(表1)，分别对应计算了XYZ三个方向上的分量，即FX约为1.2%体质量(9.7 N)，FY约为99.6%体质量(-828.7 N)，FZ约为9.1%体质量(-75.9 N)，其中FY施加于股骨的机械轴上，以最大限度的贴合作用在股骨上的负荷。

1.5.3 有限元分析将股骨骨折-锁定加压钢板系统模型导入到Abaqus 20.0软件，设置材料属性和划分网格。骨骼被建模为线性、弹性和各向同性材料(皮质骨，E=16.7 GPa，ν=0.3，ρ=1 800 kg/m3；松质骨，E=0.155 GPa，ν=0.3，ρ=270 kg/m3)[28-32]。钢板和螺钉呈线性，均质，各向同性(钛合金，E=110 GPa，ν=0.3)[2，33]。皮质骨和松质骨几何体使用四面体单元进行全局网格划分，锁定加压钢板和螺钉采用六面体单元进行全局网格划分，假设骨、螺钉和钢板之间的所有界面都是黏合的。最后，进行标准网格收敛性分析，使关键参数几乎与网格尺寸无关(碎片间运动和钢板应力的变化均小于5%)[34]，不受网格密度的影响。有限元模型的单元数和节点数分别为：股骨288 400和64 686，锁定加压钢板120 820和139 535，锁定螺丝134 550和144 414。
1.5.4 微动与骨折愈合之间的关系骨折断端在远皮质和近皮质均发生骨折块运动(图3A)，骨折块运动的方向分为轴向骨折块运动(axial interfragmentary motion，AIM)和剪切方向骨折块运动(shear interfragmentary motion，SIM)。骨在不同的约束条件下骨折运动模式也有一定的差异(图3B，C)。目前AIM有利于骨折愈合已达成共识，早期骨痂形成的最佳AIM范围为0.2-1.0 mm[2-3，35-36]，另有研究表明7%-33%的骨折块应变对正常愈合过程是有益的[33，37-38]。骨折块应变(IFS)由方程式(1)中AIM除以骨折间隙大小(L=4 mm)定义[39]，L为骨折端间距。

IFS=AIM/L×100 (1)

SIM对骨折愈合的影响暂未形成统一认识，但已有研究表明一定程度的剪切力可以促进骨痂产生，但SIM/AIM的比值需小于1.6[40-42]。
1.6 主要观察指标 比较和计算施加3种负荷模型后的钢板应力应变、骨折间隙处的骨折块运动和骨折块应变，绘制锁定加压钢板的应力应变云图。

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

此次研究采用了有限元和骨骼肌模型的联合仿真的方法，研究了3种股骨载荷建模方法对钢板应力、应变以及骨折断裂的AIM和SIM的影响，以确定肌肉负荷对骨折愈合生物力学环境的影响。结果表明，不同的股骨载荷建模方法对钢板应力、应变、AIM和SIM均有显著影响。传统简化负荷的方法和改进简化负荷的方法由于载荷和约束的简化，在一定程度上造成了钢板应力和骨折愈合的生物力学影响被高估，这表明肌肉负荷对钢板应力和骨折愈合的影响是不可忽视的。
在3种股骨负荷模型的作用下，锁定加压钢板的最大应力分别为399.8，480.3，587.1 MPa，随着负荷模型简化程度的增加而增大。传统的简化负荷方法在负荷建模中只考虑了人体自身的质量[43]，而肌肉骨骼方法得到的锁定加压钢板最大应力比简化负荷方法得到的应力小31.9%。相比之下，肌肉骨骼模型的锁定加压钢板最大应力比改进简化模型的锁定加压钢板最大应力小16.8%。结果说明，肌肉负荷对骨折部位的生物力学影响不可忽略，一定程度上则会造成锁定加压钢板应力和应变的高估。已有研究表明不考虑肌肉负荷，会造成股骨的应力和应变被高估，而锁定加压钢板作为桥接骨折间隙的一个重要硬件，其应力被高估也符合应力转移的结果。另外，肌肉是一种活动组织，对骨骼施加的力会引起应力分布的变化，从而抵消关节力和力矩的一些影响，这也是采用肌肉骨骼模型锁定加压钢板应力应变变小的原因。
锁定加压钢板在桥接固定骨折时，锁定加压钢板的最大应力分布在靠近骨折间隙最近的上方的螺钉孔位处(图4A)，3种股骨负荷建模方法的结果是一致的。而有区别的是，锁定加压钢板的最大应变分布存在差异，传统简化负荷的模型类似梁经典模型[44]，最大应变分布在螺钉孔处，而改进简化负荷模型和肌肉骨骼模型都考虑了关节力和力矩，而不是单一方向的载荷，产生侧向力从而引起最大应变分布的变化(图4B)。
在3种股骨负荷模型的作用下，在骨折间隙的AIM值都在增加。不同的是，简化负荷方法和改进简化负荷方法得到的AIM值相同，且比肌肉骨骼方法获得的AIM值大。肌肉骨骼模型的远皮质的AIM值在0.2-1.0 mm范围内，而简化负荷模型和改进简化负荷模型的远皮质的AIM值则超出最佳范围。然而，3种股骨负荷模型近皮质的AIM值均小于0.2 mm。这一结果表明，肌肉负荷对近皮质的早期愈合影响不大，而对远皮质的早期愈合影响更为明显。同样地，肌肉负荷对骨折间隙的骨折块应变也有类似的影响。与简化负荷模型和改进简化负荷模型相比，通过肌肉骨骼模型获得的远皮质和近皮质的骨折块应变值分别降低了19.5%和11.8%，这表明肌肉负荷对早期骨折愈合的机械微环境有重要贡献。而传统忽略肌肉负荷可导致骨折块应变的高估，误差高达24.2%，这一结果与MIRAMINI
等[4]的研究结果一致。另外，简化负荷方法和改进简化负荷方法虽然在骨折断端产生的AIM值相同，但两种建模方法获得的锁定加压钢板应力和SIM还存在一定的差异性，这是因为简化负荷模型固定了股骨远端，从而限制了骨折间隙远端的移动(图3B)，而改进简化负荷模型方法中考虑了关节力矩，从而改变了骨折段的剪切运动和锁定加压钢板的变形模式(图3C)。
尽管3种负荷建模方法对远皮质和近皮质的SIM/AIM比值均小于1.6，但3种负荷模型对SIM存在着明显的不同。肌肉骨骼模型和改进简化模型的SIM值在远皮质和近皮质几乎相同，表明肌肉负荷对SIM的大小几乎没有影响，通过两个负荷模型在X和Z方向上的运动，发现肌肉负荷对剪切运动的方向有明显的影响。然而，简化负荷模型在远皮质和近皮质的SIM值均比改进的简化模型大300%，这表明简化负荷方法更容易高估SIM值。这是因为在改进简化负荷模型和肌肉骨骼模型中，股骨远端自由约束，与股骨近端运动方向相同，从而减少了骨折块之间的相对剪切运动。
此次研究通过3种负载建模方法，分析了不同负荷模型对骨折早期愈合生物力学的影响，证实了忽略肌肉负荷会高估锁定加压钢板的应力和骨折块应变。然而此次研究还存在一定的局限性：首先，考虑到计算效率，将股骨简化成具有均匀、各向同性和线性弹性行为，并将皮质骨简化成均匀的厚度和忽略了螺钉螺纹，因此在仿真结果上还存在一定的偏差；其次，骨折模型假设为横断骨折，并假设术后的所有肌肉保持完整，然而，骨折有可能会导致一定的软组织损伤，存在部分肌肉力的损失；第三，只分析了人体正常站立状态下的股骨干骨折，由于人体在不同运动状态时肌肉负荷是不一样的，该研究结果只适用于站立状态下股骨干4 mm间隙的骨折，因此，后续还需要更多运动状态下不同骨折类型的有限元研究；最后，肌肉负荷对早期股骨干骨折愈合生物力学的影响还需要临床上进一步验证。
结论：综上所述，此次研究的目的是探讨不同负荷建模方法对骨折早期愈合的生物力学影响，采用3种载荷建模方法对锁定加压钢板应力和骨折块应变进行了研究。结果表明，不同股骨负荷建模方法对预测锁定加压钢板应力和骨折块应变结果有着重要的影响，通过对不同负荷模型仿真结果进行分析，发现忽略肌肉负荷易造成高估钢板的应力和骨折愈合的效果，表明肌肉负荷对锁定加压钢板的生物力学性能和骨折早期愈合效果的预测有显著影响。因此，在临床上可以针对患者构建个性化的肌肉骨骼系统模型，以提高对骨折植入物系统应力和骨折愈合效果预测的准确性，也为植入物设计、手术方案制定和个性化的康复方案设计提供了参考。

肌肉负荷对股骨干骨折早期愈合生物力学影响的有限元分析

Finite element analysis of muscle loading effect on biomechanics of early healing of femoral stem fractures

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