作者：山东中医药大学      秦梓豪

锁骨骨折是临床中常见的骨折类型，约占全身骨折的5%～10%，青壮年以及儿童多见，主要由跌倒、碰撞及车祸等高能量创伤引起。锁骨是人体惟一呈水平状态的长骨，是肩胛带与上肢以及躯干间的骨性联系，允许上肢灵活活动，其骨折会造成疼痛、肩部活动受限，严重影响日常活动，而且常常会导致严重的并发症，例如血气胸、膈肌损伤以及肱骨和肋骨骨折。因此骨折发生后须采取合适的治疗方法，尽快恢复患肢功能活动。临床中治疗锁骨骨折的方式较多，大致可分为保守治疗如“8”字绷带外固定、T型夹板外固定和手术治疗如接骨板内固定、髓内钉内固定等。然而对于哪种治疗方法更加可靠，国内外学术界均未达成明确共识。

有限元分析法是一种模拟复杂力学结构工程力学研究方法，自1972年Brekelmans等率先将有限元分析方法引入人体骨骼力学分析领域后，这项技术逐渐在骨科领域的研究中得到广泛应用。锁骨独特的形态特征和生物力学特性，决定了有限元分析在锁骨骨折研究中具有极其重要的价值。为了制订更贴合患者个体情况的治疗方案，提升锁骨骨折的临床治疗效果，不少学者借助高效便捷、安全系数高的有限元分析法，对锁骨骨折的多种损伤类型和固定方式展开模拟研究。借助有限元分析，研究人员能够深入剖析锁骨骨折的生物力学原理，为临床治疗方案的选择提供可靠的依据，助力锁骨骨折治疗更加精准化、科学化。笔者广泛查阅国内外相关文献，梳理了近年来有限元分析法在锁骨骨折研究领域的进展，分析了当前研究中存在的问题，并对未来的发展趋势进行了展望，期望能够为临床医师和科研人员提供有益参考，进一步推动有限元分析技术在锁骨骨折诊断和治疗中的应用。

锁骨有限元模型的构建

锁骨形态上细长且微弯，功能上承受肩部运动过程中多个方向的作用力。鉴于此，在构建锁骨有限元模型时，必须完整、准确地还原锁骨的几何形态与力学属性，确保分析结果可靠。得益于现代医学影像技术的发展，计算机断层扫描(CT)和磁共振成像(MRI)能够采集到详细的三维结构数据，借助这些技术，不仅能够高效获取锁骨的几何和力学特征，还为后续开展有限元分析奠定了坚实基础。

三维模型的构建：研究人员通常采用CT扫描健康成年人的锁骨，并以医学影像的特定格式DICOM保存，方便进行几何重建和网格创建。在锁骨模型重建阶段，常通过专业软件(如Mimics或Simpleware)将扫描得到的二维图像转换为三维的有限元模型。目前，多数研究仅围绕锁骨本身展开数字化重建工作，但也有3项研究将建模的范围拓展至其它骨骼，如肩胛骨和肱骨；有4项研究在模型中加入了韧带、软骨等软组织模拟，使模型更接近真实的生理结构。由于采集到的样本多为健康锁骨，为模拟锁骨骨折场景，需要在模型中人为地创建间隙来模拟骨折。

诸多研究围绕植入物模型重建的方法展开了深入探究，其中大多是利用逆向工程设计工具SolidWorks进行三维构建，参照医疗器械产品手册的规格参数或参考已有的文献资料数据来完成建模。初步重建的植入物模型，其精确性和实用性还需进一步提升，因此需要借助Magics、GeomagicDesign等专业软件对模型的几何形状、部件组装进行处理，以确保模型的精确性和实用性，方便后续的生物力学分析和临床研究。完成植入物模型的优化组装后，需在有限元软件Ansys中进行网格的创建。网格划分的密度和质量将影响模型的计算精度和效率，因此在实际操作的过程中，为保障分析过程稳定、分析结果精确，一般会选用四面体网格或三角片形状的网格进行划分。

模型简化：由于锁骨的结构复杂，计算难度较大、运算耗时较长，建模阶段通常需要对模型进行适当的简化处理，对材料的几何形态、属性参数和受力模式等要素进行简化，例如将骨骼和内置物简化为圆柱体，或者选择简单加载模式。然而，这种简化手段存在一定弊端，难以精准反映复杂生物力学环境的真实细节，分析结果的准确性会受到影响。例如，有研究指出，在模拟测试固定装置的性能时，简化模型的物理属性虽然能提升计算速度，却会遗漏一些关键部位的应力集中或材料疲劳断裂等重要信息，而这些因素对于准确预测治疗效果是非常重要的。因此，研究人员在开展建模工作时，需在简化程度与结果的准确性之间进行权衡。

锁骨及材料属性赋值：为方便计算分析，将骨骼、钢板和螺钉均视为均质、各向同性和刚性材料，用弹性模量(亦称杨氏模量)与泊松比两个代表性参数反映其特性。弹性模量是描述固体材料抗形变能力的物理量；泊松比是材料横向与纵向应变的比值绝对值，是反映材料横向变形的弹性常数。锁骨主要由松质骨和皮质骨构成，二者材质特性各异，相关研究通过结合实验与数值模拟，得出其皮质骨的弹性模量为17000MPa，而松质骨的弹性模量则为1000MPa，泊松比则相对固定，均为0.3；内置物弹性模量大多为110000MPa，泊松比为0.33。有些学者同时赋予韧带弹性模量34MPa，泊松比0.39；关节软骨弹性模量5MPa，泊松比0.40；肩胛骨弹性模量900MPa，泊松比0.30，可提升模型精度。目前人口老龄化严重，老年锁骨骨折患者多合并骨质疏松，其骨骼参数与正常人有所差异，但国内外尚没有明确的针对锁骨骨质疏松模型的参数标准。有研究将椎体、股骨、肱骨骨质疏松模型松质骨的弹性模量减少66%，皮质骨的弹性模量减少33%，泊松比不变，进行分析，结果与以往研究一致，可供参考。

模型加载和验证：在笔者检索的文献中，测试最多的载荷条件是简单载荷条件，包括轴向压缩、顺/逆时针双向扭转及三点弯曲。在轴向压缩测试中，需固定锁骨近端的胸锁关节面，沿锁骨长轴对远端施加压缩载荷，以模拟肩部遭受横向冲击时的力学环境。扭转测试则要求固定锁骨近端，沿锁骨长轴施加顺/逆时针扭矩，该测试方法可有效模拟肩关节复合运动(如旋转及前屈后伸)的生物力学特征。三点弯曲测试采用双支撑点分别固定锁骨的近远端，在中段骨干区域垂直施加载荷，这种加载方式精准复现了锁骨直接遭受钝性暴力冲击的情境。

在笔者检索的文献中，几乎所有的研究都涉及了骨骼或植入物的冯氏应力(Von Mises Stress)。冯氏应力也称为最大畸变能或等效应力，是一种综合性评估指标，能够全面考虑所有加载模式下的应力，包括拉伸、压缩和剪切，在评估金属等延展性材料的力学属性时优势显著。其全面且便捷的特性，消除了对不同类型应力进行单独计算的需求，使其逐渐成为材料应力分析的重要工具，并在骨科植入物研究领域得到了广泛应用。许多学者借助冯氏应力进行骨折内固定手术模拟，为植入物的优化设计提供了重要的理论依据与数据支撑，推动骨科植入物设计精细化、高效化发展。

为了模拟正常环境下各组织之间的相互作用，在加载时也需设定模型的边界条件，即各组件间的接触模式。以模拟锁紧螺钉的操作为例，通常将螺钉与骨骼、螺钉与钢板之间的连接关系设置为绑定接触。但是对于定义骨骼与固定板的接触方式尚无统一的标准，不同学者基于各自研究目的和方法，采取了多样化的处理策略。部分研究设置接触面间无摩擦力，也有研究将摩擦系数设定具体的数值，例如0.37或1.00，这些不同的处理方式，反映了学者们在探索该领域问题时的不同思路和侧重点。

最后，为确保有限元分析结果的可靠性和准确性，对分析的结果加以验证是极其重要的。肖进等提出了3种验证方法：(1)利用尸体标本构建有限元模型，并在相同条件下同时进行有限元分析和力学实验，之后将二者的结果进行对比，尸体能复原有限元分析加载的特定的生物力学环境，因此这种方法具有相对较高的可信度，高让山和Sakai等的研究均表明通过有限元分析得到的数据与尸体样本实验测得的数据相似；(2)将有限元分析的结果与已发布的权威文献中的实验结果进行比较和验证，这种方法是目前的常用验证手段，尽管其可信度稍低，但通过与已验证的研究成果进行比较，仍然可以对模型的合理性做出初步评估；(3)将有限元分析得到的数据与临床观察到的实际情况进行对比，这种方法相对直观和简洁，但其验证效果也大打折扣，通常只在缺乏其它验证手段的情况下提供参考。

有限元分析在锁骨骨折中的应用

锁骨损伤的生物力学分析：Allman将锁骨骨折分为Ⅰ型锁骨中1/3骨折、Ⅱ型外侧1/3骨折、Ⅲ型内1/3骨折。Allman分型简单易用，是临床中被广泛接受的分型方法。流行病学调查表明，锁骨中1/3骨折约占锁骨骨折的81%。杨志勇等通过有限元分析验证了锁骨骨干中1/3处Mises力及应力均最大，合理地解释了临床中锁骨骨折多发于该区域的原因。杨晓霞等在此基础上构建了包含肩胛骨、锁骨及周围韧带的肩锁关节三维有限元模型，得出了相似的结论，并进一步做出生物力学原理分析：锁骨上表面中1/3靠近远端处的Mises等效应力及最大主应力均达到最大值，且最大主应力表现为拉应力，因此该区域易出现骨断裂；而锁骨下表面中1/3靠近近端处的Mises等效应力及最大主应力同样达到最大值，但最大主应力表现为压应力，故此区域易出现骨碎裂。李达等对不同外展载荷下肩锁关节的生物力学特性进行了详细分析，发现在不同短缩情况及外展角度下，应力最大处会在锁骨和肩胛骨之间变化。喙肩韧带、肩锁韧带、斜方韧带、锥状韧带在不同情况下，肩锁韧带均承受最大应力，而喙肩韧带则始终承受最小应力。这些研究结果不仅为临床研究锁骨骨折提供了重要的理论依据，还为相关临床诊断和治疗提供了新的视角。

推动髓外内固定方式优化：有限元分析为不同锁骨骨折类型不同固定方法的生物力学性能提供了宝贵的见解。在锁骨骨折中，大多数病例为锁骨中段骨折。针对此类骨折，切开复位钢板内固定术在临床治疗上被广泛认可为金标准，其能够为骨折断端提供稳定的固定，促进骨折愈合。熊川等通过有限元分析发现，锁定钢板拥有极佳的性能，能够有效地控制骨折端的稳定。然而，锁定钢板内固定术在操作过程中易损伤锁骨上神经、局部血运破坏大，影响骨折愈合，且术后钢板常凸起于皮下，影响美观及日常活动，患者满意度较差。在断端骨块较小、粉碎骨折或是合并骨质疏松的患者中，锁定钢板的应用就会存在很大的局限性。

为了克服现有的局限，一些学者在传统锁定钢板的基础上进行了创新改进。例如，牛锋等依据骨科微创治疗(BO)的理念，研发了桥接组合式内固定装置(BCFS)，该装置主要由钢板、固定螺钉和连接棒等多个部件组成，适用于治疗锁骨中段骨折；此外，这个装置还可以根据不同类型的骨折形态灵活调整固定方式，以更好地适应骨骼愈合过程中所需的力学环境。李潺等的有限元分析结果证明BCFS中扁棒的应力分布更加均匀，能够减少骨折断端的微动量，进而提供更稳固的固定效果。黄解元等基于双钢板结构从多平面增加固定稳定性以及提升抗拔出能力的显著优势，对传统的锁定钢板进行了相应的优化，通过增加侧翼设计达到双平面固定的效果，并通过有限元分析证明改进后的侧翼钢板在整体刚度和柔韧性方面与传统锁定钢板无明显差异，但在处理碎小骨块或应对合并骨质疏松的情况时，侧翼钢板的稳固性更为出色。

髓内固定方式的优化：随着治疗理念和微创技术的不断进步，越来越多的学者倾向于采用微创髓内技术来治疗中段、非粉碎性锁骨骨折。这种方法具有风险小、创伤小、恢复快、痛苦少等显著特点，能够更好地满足患者的需求。熊恒恒等通过有限元分析，证实钛制弹性钉在不同载荷情况下的应力分布均接近正常锁骨，可为骨折愈合提供相对稳定的环境，其对断端的微动控制有利于骨痂形成及骨折早期愈合。赵志辉等设计了具有双侧锁定功能的弹性带锁髓内钉，在骨折两端均设置螺纹与髓腔松质骨锁定，能够有效控制骨折端的稳定。有研究表明，尽管弹性带锁髓内钉相较于弹性髓内钉具有更高的稳定性，但仍存在髓内钉的固有缺陷：一是对锁骨远端的控制力不足，二是容易在骨折附近产生应力集中，这可能导致髓内钉从中段折弯或断裂。马天勇等将桥接内固定系统与微创髓内固定相结合，设计出新型髓内固定技术：在肩峰端髓外预留一定长度的连接棒，将连接棒从锁骨外侧逆行穿入髓腔，通过骨折端抵锁骨近端，并将肩峰端髓外连接棒折弯用1枚固定块螺钉组合锁定。有限元分析表明，该技术通过肩峰端髓外锁定，使髓内连接棒与锁骨远端稳固地固定在一起。与传统的髓内钉内固定相比，这种方法更有助于降低内置物及骨折端的应力，减小骨折和内固定移位，从而为骨折愈合创造良好的力学环境。

外固定优化：流行病学调查表明临床中大约33%的锁骨骨折患者为儿童。相较于成人，儿童锁骨骨膜更为厚实，且处于生长发育期，骨折后具有较大的塑形潜力[46]，故儿童在临床愈合能力及可塑性方面均优于成人。临床中，对于锁骨无移位、轻微移位骨折或存在手术禁忌的成人患者，以及儿童锁骨骨折患者，大多选择保守治疗。尽管保守治疗难以实现解剖复位，但绝大多数患者仍可达到良好的愈合效果和功能恢复，同时避免了麻醉风险、切口感染、手术瘢痕以及骨折不愈合等手术相关风险。传统保守治疗方法多为“8”字绷带固定法，其核心要点在于挺胸的同时充分外展双肩，以对抗胸锁乳突肌对骨折近端的牵拉力，从而实现复位并维持固定效果。在实际操作过程中，若双肩外展未得到有效约束，极易导致骨折复位效果丧失。经后来学者的研究，改良了更加方便、更能维持骨折处于力学平衡的改良“8”字绷带固定法，以及既能给予骨折端良好固定力，同时又能减轻绷带对两侧腋窝束缚力、能有效减轻患者痛苦的改良“8”字绷带结合T型夹板固定法，但仍存在舒适性欠佳、需频繁调整等不足之处。赵永信等发明了可让患者自行调节固定器松紧度的单肩气囊外固定器，并通过有限元分析证明单肩气囊外固定器为面受力，具有拉伸力更大、可自由调节等优点，更利于锁骨骨折治疗，使骨折达到更好的复位效果。罗斌等根据罗氏伤科“软势固定”疗法，在罗氏肩锁固定法的基础上研制出新型固定法，并通过有限元分析，证明新型固定法能产生较大的作用力，较强的力学负荷能从三维角度有效纠正骨折的短缩、侧方及成角移位，且该方法允许骨折断端之间存在一定范围的微动，从而促进断端的愈合。

总结与展望

锁骨骨折一直是骨科领域的研究热点，有限元分析技术的兴起与发展为临床研究带来了全新的思路与方法。凭借着自身高精度和强大的模拟能力，有限元分析法能够精确且高效地反映锁骨骨折部位的应力分布情况、所处的复杂生物力学环境。借助这一技术，研究人员可以对不同手术方式以及植入物的性能进行模拟分析，深入探究各种因素对骨折愈合的影响，从而有针对性地优化手术设计方案和植入物的设计，完善对不同骨折情况的个性化、精细化治疗方案，提高内固定装置的稳定性和耐久性，减少手术并发症的发生。

需要强调的是，本综述主要关注生物力学，特别是固定物的稳定性和模型的应力、形变情况。尽管这些通常与临床结果一致，但它可能无法解决外科手术中的挑战和非手术并发症。同时目前专注于某种特定骨折类型的研究数量有限，尚无法为所有骨折情况提供明确的建议。现有的操作也存在些许不足：(1)部分研究建模时并未将锁骨周边复杂的肌肉以及韧带结构全部涵盖在内，忽略了肌肉收缩、韧带牵拉对锁骨的位置、运动方向和受力大小的影响，可能致使其对生物力学环境的反映不精确；(2)多数研究并非基于真实的骨折模型，而是对健康锁骨进行重建并通过人工创建间隙的方式来模拟骨折，无法精确地模拟临床复杂的骨折模式，可能对临床应用价值产生影响；(3)目前的研究主要应用简单加载模式，如轴向压缩、弯曲和扭转，且对模型加载负荷的数据大多来源于既往文献，无法精确模拟日常活动中锁骨所承受的多方向的动态载荷，而这对于研究骨折愈合过程以及固定装置的设计具有重要意义。

综上所述，有限元分析方法极大地推动了锁骨骨折诊疗技术的进步，并且有着颇为广阔的发展前景。为了更好地发挥有限元分析方法的优势，未来有必要加强对相关专业人员的培训，以使有限元分析法的应用更加规范、科学，分析结果更加准确、可靠。同时，应积极推动临床部门与影像科、信息科等辅助科室的深度协作，共同研发能够动态模拟日常活动的动态数字模型，以更真实地还原锁骨在日常活动中的受力情况，全面分析不同组织结构在锁骨活动中的生物力学特性，确保生物力学发现有效地转化为实际，为临床诊疗提供更有价值的参考依据，提升锁骨骨折的诊疗水平。

来源：中国骨与关节杂志2026年3月第15卷第3期