人體足踝系統(tǒng)建模與相關(guān)力學(xué)問題研究--“中國力學(xué)虛擬人”項(xiàng)目之足踝部分.pdf

1、在我國,特別是近些年,隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,人們對于如何更好地提高自身生命質(zhì)量的要求更加強(qiáng)烈。人體生物力學(xué)研究正是從力學(xué)的角度來研究人體的生物學(xué)相關(guān)理論和運(yùn)動機(jī)理,從而為臨床醫(yī)學(xué)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展提供有力的理論指導(dǎo)和幫助。本研究所的“中國力學(xué)虛擬人”項(xiàng)目是國家自然科學(xué)基金2006年批準(zhǔn)立項(xiàng)的重點(diǎn)項(xiàng)目(30530230),其研究目標(biāo)是建立一個(gè)中國標(biāo)準(zhǔn)的人體的“骨骼-肌肉-韌帶”生物力學(xué)系統(tǒng),進(jìn)行人體局部和整體的靜力學(xué)、

2、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)研究,從而解決醫(yī)學(xué)上出現(xiàn)的相關(guān)生物力學(xué)問題。
　　 本論文的研究內(nèi)容是“中國力學(xué)虛擬人”項(xiàng)目中的子課題之一:人體足踝骨肌系統(tǒng)建模與相關(guān)力學(xué)問題研究；同時(shí)本課題也是我所與復(fù)旦大學(xué)附屬華山醫(yī)院足踝外科、英國Salford大學(xué)人類功能康復(fù)研究中心(CRHPR)建立的國際合作項(xiàng)目,并得到了英國皇家學(xué)會(UK Royal Society)的項(xiàng)目支持(Grant:IPJ/2006/R3)。
　　 力學(xué)解剖結(jié)構(gòu)上,足踝部

3、不僅包括26塊骨骼,而且骨骼結(jié)構(gòu)與錯(cuò)綜復(fù)雜的韌帶、跖腱膜、肌肉肌腱等軟組織形成了穩(wěn)定的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和足弓結(jié)構(gòu)；在功能上,足踝起到支撐承重、吸收震蕩、傳遞運(yùn)動和杠桿平衡等作用,是人類直立行走的基本保證。然而現(xiàn)實(shí)生活和臨床醫(yī)療中,足踝的生物力學(xué)研究未得到應(yīng)有的重視,目前隨著人們對足踝認(rèn)識的不斷深入,其重要性也逐漸顯現(xiàn)出來。在人體生物力學(xué)研究領(lǐng)域中,足部生物力學(xué)研究正是隨著足外科的發(fā)展在近些年內(nèi)漸漸興起,主要由于以下幾方面因素:首先,從臨床角度來

4、說,隨著各種足部疾病發(fā)病率不斷上升,如糖尿病并發(fā)癥糖尿病足、()外翻足、老年跟痛足等,醫(yī)學(xué)工作者迫切地需要知道這些足部病理現(xiàn)象的因?yàn)楹涂茖W(xué)的治療方法；再者,從市場角度來說,各種功能鞋、矯形器和運(yùn)動鞋有著很大的消費(fèi)市場,患者與消費(fèi)者往往要求這類鞋具、支具有特殊功能、穿著舒適并具有保護(hù)作用；最后,從技術(shù)角度來說,各種測量技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟硬件的快速發(fā)展為足部生物力學(xué)研究提供了必要條件,包括運(yùn)動捕捉系統(tǒng)、壓力平臺、鞋內(nèi)壓力傳感器、超聲波測量、CT

5、和MRI三維掃描技術(shù)、各種逆向工程反求軟件以及有限元分析軟件等等。本論文正是基于以上背景進(jìn)行人體足踝系統(tǒng)的建模仿真和相關(guān)實(shí)驗(yàn)測量的研究,主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
　　 (1)基于健康人體的足踝三維MRI掃描數(shù)據(jù),建立了三種常見姿態(tài)(背屈狀態(tài)、平衡站立姿態(tài)和后跟提起姿態(tài))下足踝三維幾何實(shí)體模型與有限元模型,這三組模型中均包含了足部全部骨骼以及組成踝關(guān)節(jié)的脛骨和腓骨末端部分、韌帶和跖腱膜、關(guān)節(jié)軟骨和外部軟組織結(jié)構(gòu)等的詳細(xì)幾何信息,

6、數(shù)據(jù)完整、解剖相似性高,并對這三種姿態(tài)的幾何與有限元模型中的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行了模塊化的處理和管理,模型中建立的各模塊化組織結(jié)構(gòu)可獨(dú)立使用,且二次改建的可行性高。
　　 (2)為了給足踝模型仿真分析提供必要的依據(jù)和信息,我們以健康的足踝為研究對象,對行走、站立和跳躍狀態(tài)下的足踩受力狀態(tài)進(jìn)行了測量與分析。其中,以每分鐘行走的步數(shù)這一頻域指標(biāo)作為基本參數(shù),測量了不同步速行走時(shí)站立相中足底反力情況,通過統(tǒng)計(jì)分析和回歸分析量化了步態(tài)中的一些關(guān)

7、注的力學(xué)參數(shù)值,以及它們與步速、體重和身高的關(guān)系；此外還測量了四條淺層足外在肌(脛骨前肌、腓骨長肌、比目魚肌和腓腸肌)在不同運(yùn)動狀態(tài)(正常步行、跳躍狀態(tài)以及雙足平衡站立時(shí)重心前移情況)下表面肌電信號,從而定性地研究和分析了它們在這些運(yùn)動過程中肌力發(fā)力情況。
　　 (3)以平衡站立姿態(tài)下的足踝有限元模型為例,對模型進(jìn)行了詳細(xì)的論證和驗(yàn)證工作。針對模型中的幾何結(jié)構(gòu)的簡化和假設(shè)、單元選擇、關(guān)節(jié)接觸問題處理、材料屬性確定等內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)

8、的分析比較和論證,解決了一些關(guān)鍵性的技術(shù)問題；此外還設(shè)計(jì)了活體實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案,將足底反力、足底壓力分布和足部垂直壓縮變形這三項(xiàng)指標(biāo)同步采集,用以比較足踝有限元模型預(yù)測的相應(yīng)結(jié)果,從而驗(yàn)證了足踝模型的有效性和正確性。此足踝模型的活體驗(yàn)證方案將當(dāng)前幾種常用的足踝研究測量方法有效的結(jié)合在一起,對人體沒有任何傷害性。同時(shí)基于以上被驗(yàn)證的模型,開發(fā)了一個(gè)人體足踝模型仿真軟件,整個(gè)軟件由幾何模型、有限元模型、原始數(shù)據(jù)、相關(guān)參數(shù)與基本算例五部分組成,將

9、以上建立的足踝幾何模型和有限元模型整體模型、各骨骼的獨(dú)立模型以不同的數(shù)據(jù)格式提供給用戶,為研究人員和醫(yī)學(xué)工作者提供一個(gè)足踝模型仿真分析平臺；同時(shí)附上了原始MRI掃描數(shù)據(jù)、足踝模型中的相關(guān)參數(shù)和一個(gè)典型站立姿態(tài)下的算例介紹；此足踝模型軟件正在注冊中,屬于國內(nèi)外足踝有限元仿真的首個(gè)軟件。
　　 (4)對行走步態(tài)中的三個(gè)典型姿態(tài)(后跟著地、站立中相與后跟離地)進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)有限元模擬,仿真計(jì)算中考慮了不同姿態(tài)下足踝外在肌的肌力作用:仿真

10、結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果(足底壓力和足底反力)一致性高,同時(shí)結(jié)果量化了這三個(gè)姿態(tài)下足踝內(nèi)外部組織結(jié)構(gòu)的受力信息,包括骨組織上的應(yīng)力應(yīng)變分布和軟組織受力狀態(tài)的變化等,這為全面認(rèn)識行走步態(tài)中足踝內(nèi)部的受力情況提供了重要的參考。
　　 (5)采用此足踝有限元模型研究和分析了足踝結(jié)構(gòu)中兩個(gè)基礎(chǔ)力學(xué)問題:一是分別模擬了站立載荷下跖腱膜、彈簧韌帶、足底長韌帶和短韌帶獨(dú)立釋放后的情況,與健康狀態(tài)下同樣站立載荷時(shí)的模型預(yù)測結(jié)果進(jìn)行了多方面的比較,量化

11、了它們在維持足弓靜態(tài)穩(wěn)定性中所起的相對力學(xué)作用；二是通過模擬站立位下足底載荷分布變化情況,定量地分析了跖骨的應(yīng)力應(yīng)變的分布變化情況,從而增加對跖骨生物力學(xué)的認(rèn)識,并據(jù)此對四外翻矯形手術(shù)方案的要求提出理論支持。
　　 (6)對健康年青測試者、健康年長測試者和Ⅱ型糖尿病患者三組人群進(jìn)行正常行走步態(tài)下足底壓力分布測量和統(tǒng)計(jì)分析；同時(shí)通過改建前面建立的足踝有限元模型,分別對以上三組人群足底軟組織受力狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算仿真,分析了足底軟組織層

12、屬性改變對足踝內(nèi)部的受力影響。通過測量與仿真,對不同測量人群的足底軟組織的外部受力情況和內(nèi)部受力狀態(tài)進(jìn)行了比較,得到了正常人和糖尿病患者足部受力的差異,為預(yù)防糖尿病患者發(fā)生足部潰瘍提供有用的力學(xué)信息。
　　 總之,本文以足踝三維有限元建模和分析為中心,同時(shí)將實(shí)驗(yàn)測量與臨床問題結(jié)合起來。文中建立的三種典型姿態(tài)下足踝肌骨系統(tǒng)的三維幾何和有限元模塊化的模型,為人體足踝系統(tǒng)生物力學(xué)研究提供了一個(gè)分析平臺,可以應(yīng)用于足踝基礎(chǔ)生物力學(xué)研究,