小腿殘肢-接受腔摩擦界面的三維建模及有限元分析.pdf

1、安裝假肢是截肢患者恢復活動能力和外觀的主要康復手段?；颊叽┐骷僦珪r，殘肢與接受腔形成的接觸界面，是截肢患者肢體殘端和假肢之間載荷傳遞的惟一通道，其設計合理與否直接關系到假肢的適配性和患者的安全和舒適程度。因此，研究殘肢與接受腔接觸界面的應力狀態(tài)及摩擦學行為對于假肢界面優(yōu)化設計和提高殘疾人的生活質量具有重要的理論和現實意義。
　　本文以志愿者小腿殘肢接受腔系統(tǒng)為研究對象，基于CT斷層掃描數據，利用反求技術和有限元方法建立了骨骼、軟組

2、織以及假肢接受腔的三維有限元模型，分別施加Heel Strike、Foot Flat、Mid-Stance、Heel Off和Toe Off五個典型步態(tài)時相的載荷，分析殘肢皮膚在一個步態(tài)周期內的應力、滑移量變化，確定最大臨界參數;借助UMT-Ⅱ多功能摩擦磨損試驗機，模擬殘肢皮膚和接受腔摩擦接觸，研究皮膚在步態(tài)周期臨界參數下的摩擦學行為特性變化。綜合有限元和實驗兩部分，其主要工作和結論如下:
　　1.殘肢與接受腔接觸界面主要傳遞正應

3、力和剪切應力，摩擦力引起剪切應力;正壓力和摩擦力共同起支撐殘肢的作用;盡管摩擦力的存在以及界面的相對運動會引起殘肢皮膚的損傷，但是摩擦力的減小相應的會造成正壓力的提高，對軟組織的傷害更大。因此合理的控制摩擦力的大小，是接受腔的功能性和舒適性設計的關鍵。
　　2.基于CT掃面數據，利用逆向工程建模方法建立了殘肢/接受腔系統(tǒng)的幾何模型，在幾何學和解剖學上真實的再現了骨骼和軟組織的形態(tài)，因而證實了該技術路線在生物組織建模方面的優(yōu)越性。<

4、br>　　3.有限元分析得到一個步態(tài)周期內各典型時相殘肢表面最大正應力和切應力均發(fā)生在髕韌帶處;髕韌帶、后肌群、脛骨內外側為殘肢的主要受力點，步態(tài)周期各部位受力均呈現雙峰蝶形，其中Heel Off為步態(tài)周期最不利時相，其最大臨界正應力為384.3kPa，剪應力為102.1kPa;摩擦力隨著正應力的減小而減小;在髕韌帶等高應力區(qū)，界面以靜摩擦為主，在低應力區(qū)，動摩擦力為主，39.5kPa為接觸界面發(fā)生相對滑動的臨界正壓力值;在滑移起始應力