足踝生物力學(xué)研究及有限元模型的建立.pdf

1、研究背景與目的:
　　 隨著現(xiàn)代化的進(jìn)行，以及人們健康觀念的提高，足踝部疾病發(fā)病率逐年上升，病種也多種多樣。在日常生活中，人體的負(fù)重、足部壓力的緩沖、承重和步行都依賴于足部的正常生物力學(xué)特征。其中，踝關(guān)節(jié)是人體與地面接觸的樞紐，行走、跳躍、跑步和登高都需要踝關(guān)節(jié)的參與，因此踝關(guān)節(jié)是最容易受到損傷的關(guān)節(jié)之一。在臨床中，踝關(guān)節(jié)力學(xué)機(jī)制復(fù)雜，各種損傷后都可能打破其周圍結(jié)構(gòu)的力學(xué)平衡而導(dǎo)致不穩(wěn)定，誘發(fā)創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎。而且，足踝部結(jié)構(gòu)異常除

2、導(dǎo)致疼痛、畸形及活動(dòng)障礙外，還可進(jìn)一步影響下肢、骨盆、脊柱等力學(xué)功能的正常發(fā)揮，故對(duì)其研究具有重要臨床意義。
　　 人們對(duì)足踝部的研究已久，許多研究者指出生物力學(xué)因素在探求足踝部疾病的病因機(jī)制、治療和預(yù)防等方面起到重要的作用。通常對(duì)足踝部研究多采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)生物力學(xué)測(cè)試的手段，近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)和軟件的飛速發(fā)展，人們也通過(guò)各種軟件對(duì)足踝部的受力進(jìn)行三維仿真，為足部疾病的病因、病理以及治療的臨床研究提供了有力的幫助。人體足踝生物力學(xué)中

3、有限元模型仿真的最大作用在于它能夠量化內(nèi)部組織的受力信息，包括應(yīng)力/應(yīng)變、相對(duì)移動(dòng)、張力等，而這些信息在活體中不容易測(cè)出，但又對(duì)足踝臨床醫(yī)學(xué)和康復(fù)醫(yī)學(xué)有重要的意義。鑒于此，有限元法已成為人體生物力學(xué)研究不可缺少的工具。
　　 足踝部生物力學(xué)研究長(zhǎng)期以來(lái)一直受到眾多研究者的關(guān)注，雖然目前己經(jīng)取了不少研究成果和發(fā)現(xiàn)，但仍有一些問(wèn)題尚待解決。本研究是在總結(jié)以前研究的基礎(chǔ)上，探討了足支撐時(shí)期，不同跟腱力下，足底壓力的分布情況和脛距關(guān)節(jié)的

4、接觸特征，并對(duì)足踝部有限元模型的有效構(gòu)建方法進(jìn)行探索，然后構(gòu)建出了解剖結(jié)構(gòu)比較精細(xì)的正常足踝部有限元模型，從而為探討足踝部生物力學(xué)打下基礎(chǔ)。本課題研究分以下三部分:
　　 第一章，足支撐時(shí)相跟腱不同拉力負(fù)荷時(shí)足底壓力的分布
　　 目的：
　　 探討足支撐時(shí)相跟腱不同拉力負(fù)荷過(guò)程中足底前、后部壓力分布的變化。
　　 方法：
　　 將6個(gè)新鮮足標(biāo)本置于BOSE材料試驗(yàn)機(jī)上，保持足標(biāo)本中立位，調(diào)整垂直壓

5、力350N不變，通過(guò)砝碼分別給予跟腱0kg～80kg不同級(jí)別(ON、100N、200N、300N、400N、500N、600N、700N、800N)的拉力，分別放置兩個(gè)秤在足底前、后部，記錄足底前、后部在不同跟腱提拉力下的壓力值。
　　 結(jié)果：
　　 在跟腱不同提拉力下，前足底的壓力值不斷增加，后足底的壓力值不斷的降低，前足底和后足底壓力值占整個(gè)足底壓力值的百分比與跟腱拉力呈線性關(guān)系(P=0.000,R2=0.996)。

6、
　　 結(jié)論：
　　 本研究模擬了人活體狀態(tài)下足的支撐時(shí)相，探討了支撐期足底前、后部壓力值的變化趨勢(shì)，為臨床上一些由于跟腱收縮紊亂引起足底壓力變化而導(dǎo)致的疾?。ㄈ缣悄虿∽愕诐?、跖骨痛）提供理論基礎(chǔ)。
　　 第二章，足支撐時(shí)相跟腱不同拉力負(fù)荷時(shí)脛距關(guān)節(jié)應(yīng)力分布的實(shí)驗(yàn)研究
　　 目的：
　　 探討足支撐時(shí)相跟腱不同拉力負(fù)荷過(guò)程中脛距關(guān)節(jié)應(yīng)力分布的變化。
　　 方法：
　　 將6個(gè)新鮮

7、足標(biāo)本置于BOSE材料試驗(yàn)機(jī)上，保持足標(biāo)本中立位，調(diào)整垂直壓力350N不變，通過(guò)砝碼分別給予跟腱0kg～60kg不同級(jí)別(ON、100N、200N、300N、400N、500N、600N)的拉力，選用電子壓力傳感器記錄不同實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下脛距關(guān)節(jié)接觸力、接觸面積、平均壓力和峰值壓力。
　　 結(jié)果：
　　 在跟腱不同提拉力下，脛距關(guān)節(jié)接觸力和平均壓力不斷增加，脛距關(guān)節(jié)接觸面積增加緩慢，峰值壓力變化不大。
　　 結(jié)論：

8、r>　　 本研究模擬了人活體狀態(tài)下足的支撐時(shí)相，探討了支撐期不同跟腱力下脛距關(guān)節(jié)的應(yīng)力變化趨勢(shì)，加深對(duì)正常踝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)的研究，為臨床上踝關(guān)節(jié)相關(guān)疾病手術(shù)后的護(hù)理及功能康復(fù)提供理論基礎(chǔ)。
　　 第三章，足踝有限元模型的建立
　　 目的：
　　 建立足踝部骨、韌帶與周圍軟組織的完整解剖結(jié)構(gòu)的三維有限元模型，為足踝生物力學(xué)研究提供數(shù)字化平臺(tái)。
　　 方法：
　　 對(duì)一正常青年男性的右足進(jìn)行螺旋CT

9、掃描，獲取其CT圖像，通過(guò)Mimics軟件重建其足踝部骨骼及外圍軟組織的三維結(jié)構(gòu)，利用FreeForm處理后導(dǎo)入ANSYS軟件，建立足踝部三維有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)模擬建立踝關(guān)節(jié)軟骨、韌帶與小腿骨間膜。
　　 結(jié)果：
　　 建立了包含骨與軟組織結(jié)構(gòu)的正常人體右踝關(guān)節(jié)三維有限元模型。
　　 結(jié)論：
　　 成功建立了解剖結(jié)構(gòu)完整的踝關(guān)節(jié)三維有限元模型，為足踝生物力學(xué)的數(shù)字化研究奠定