足踝生物力學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特征。其中，踝關節(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節(jié)的參與，因此踝關節(jié)是最容易受到損傷的關節(jié)之一。在臨床中，踝關節(jié)力學機制復雜，各種損傷后都可能打破其周圍結構的力學平衡而導致不穩(wěn)定，誘發(fā)創(chuàng)傷性關節(jié)炎。而且，足踝部結構異常除

2、導致疼痛、畸形及活動障礙外，還可進一步影響下肢、骨盆、脊柱等力學功能的正常發(fā)揮，故對其研究具有重要臨床意義。
　　 人們對足踝部的研究已久，許多研究者指出生物力學因素在探求足踝部疾病的病因機制、治療和預防等方面起到重要的作用。通常對足踝部研究多采用傳統(tǒng)實驗生物力學測試的手段，近年來隨著計算機和軟件的飛速發(fā)展，人們也通過各種軟件對足踝部的受力進行三維仿真，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。人體足踝生物力學中

3、有限元模型仿真的最大作用在于它能夠量化內部組織的受力信息，包括應力/應變、相對移動、張力等，而這些信息在活體中不容易測出，但又對足踝臨床醫(yī)學和康復醫(yī)學有重要的意義。鑒于此，有限元法已成為人體生物力學研究不可缺少的工具。
　　 足踝部生物力學研究長期以來一直受到眾多研究者的關注，雖然目前己經取了不少研究成果和發(fā)現(xiàn)，但仍有一些問題尚待解決。本研究是在總結以前研究的基礎上，探討了足支撐時期，不同跟腱力下，足底壓力的分布情況和脛距關節(jié)的

4、接觸特征，并對足踝部有限元模型的有效構建方法進行探索，然后構建出了解剖結構比較精細的正常足踝部有限元模型，從而為探討足踝部生物力學打下基礎。本課題研究分以下三部分:
　　 第一章，足支撐時相跟腱不同拉力負荷時足底壓力的分布
　　 目的：
　　 探討足支撐時相跟腱不同拉力負荷過程中足底前、后部壓力分布的變化。
　　 方法：
　　 將6個新鮮足標本置于BOSE材料試驗機上，保持足標本中立位，調整垂直壓

5、力350N不變，通過砝碼分別給予跟腱0kg～80kg不同級別(ON、100N、200N、300N、400N、500N、600N、700N、800N)的拉力，分別放置兩個秤在足底前、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足底壓力值的百分比與跟腱拉力呈線性關系(P=0.000,R2=0.996)。

6、
　　 結論：
　　 本研究模擬了人活體狀態(tài)下足的支撐時相，探討了支撐期足底前、后部壓力值的變化趨勢，為臨床上一些由于跟腱收縮紊亂引起足底壓力變化而導致的疾病（如糖尿病足底潰瘍、跖骨痛）提供理論基礎。
　　 第二章，足支撐時相跟腱不同拉力負荷時脛距關節(jié)應力分布的實驗研究
　　 目的：
　　 探討足支撐時相跟腱不同拉力負荷過程中脛距關節(jié)應力分布的變化。
　　 方法：
　　 將6個新鮮

7、足標本置于BOSE材料試驗機上，保持足標本中立位，調整垂直壓力350N不變，通過砝碼分別給予跟腱0kg～60kg不同級別(ON、100N、200N、300N、400N、500N、600N)的拉力，選用電子壓力傳感器記錄不同實驗狀態(tài)下脛距關節(jié)接觸力、接觸面積、平均壓力和峰值壓力。
　　 結果：
　　 在跟腱不同提拉力下，脛距關節(jié)接觸力和平均壓力不斷增加，脛距關節(jié)接觸面積增加緩慢，峰值壓力變化不大。
　　 結論：

8、r>　　 本研究模擬了人活體狀態(tài)下足的支撐時相，探討了支撐期不同跟腱力下脛距關節(jié)的應力變化趨勢，加深對正常踝關節(jié)的生物力學的研究，為臨床上踝關節(jié)相關疾病手術后的護理及功能康復提供理論基礎。
　　 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構的三維有限元模型，為足踝生物力學研究提供數(shù)字化平臺。
　　 方法：
　　 對一正常青年男性的右足進行螺旋CT

9、掃描，獲取其CT圖像，通過Mimics軟件重建其足踝部骨骼及外圍軟組織的三維結構，利用FreeForm處理后導入ANSYS軟件，建立足踝部三維有限元模型，并對其進行有限元網格劃分。根據(jù)相關文獻模擬建立踝關節(jié)軟骨、韌帶與小腿骨間膜。
　　 結果：
　　 建立了包含骨與軟組織結構的正常人體右踝關節(jié)三維有限元模型。
　　 結論：
　　 成功建立了解剖結構完整的踝關節(jié)三維有限元模型，為足踝生物力學的數(shù)字化研究奠定