基于三维有限元静态分析的人体足部生物力学研究

目的:建立一个基于健康人体的、系统的、具有高度几何相似性的足部三维有限元模型,并用此模型静态地分析人体双足站立相时的足部内部的生物力学特性,量化足部内部的应力/应变状况、足部内侧纵弓变化等。方法:基于志愿者右足的3维CT层切数据,对足踝系统相关组织进行几何重建及其网格划分,建立完整的有限元模型并对人体站立状态进行了静态模拟。结果:站立姿态下的足底表面接触压力分布、内部软组织应力分布以及内侧足弓的变形等人体足部生物力学特性被量化。结论:本研究中创建的三维有限元足部模型,经验证是一个正确、可靠的模型,可以帮助临床医生和其他研究人员更好的理解足部内部的许多生物力学特性。     

足踝部有限元分析的临床应用综述

有限元分析可以计算结构内部的应力与应变,用于研究足踝部的生物力学有独特的优势,对足踝部疾病的病因、病理及治疗的临床研究具有重要的意义。目前研究主要内容有肌腱与韧带生物力学功能的分析,足部疾病的骨性结构的生物力学分析,内固定稳定性分析,另一方面用于足部支具、足垫的设计与足底压力分析相结合进行足部病因与治疗的研究。     

三维有限元方法构建足部健康骨骼与常见疾病模型及生物力学分析

文题释义： 有限元分析：利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟,还利用简单而又相互作用的元素,即单元,用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的近似解,然后推导求解这个域总的满足条件,从而得到问题的解。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。 DICOM：即医学数字成像和通信,是医学图像和相关信息的国际标准(ISO 12052)。它定义了能满足临床需要的可用于数据交换的医学图像格式。DICOM被广泛应用于放射医疗、心血管成像以及放射诊疗诊断设备(X射线、CT、核磁共振、超声等),并且在其他医学领域得到越来越深入广泛的应用。在数以万计的医学成像设备中,DICOM是部署最为广泛的医疗信息标准之一。当前大约有百亿级符合DICOM标准的医学图像用于临床使用。 背景：在创伤骨科方面,三维有限元分析不仅仅作为骨折内固定治疗过程中生物力学评估和内固定器材设计、优化的常规手段,近年来也为创伤骨科基础与临床研究开拓新的方向。 目的：对足部正常骨骼、扁平足、马蹄足、足部骨折病例进行三维建模及生物力学分析。 方法：选取健康受试者以及扁平足、马蹄足、足部骨折患者进行足部CT检查,根据检查数据利用计算机三维成像技术进行三维有限元建模及生物力学分析,根据分析结果得到足部健康骨骼、扁平足、马蹄足及足部骨折应力分布图以及应力值等数据,并对数据结果进行分析。该研究获得福建医科大学附属闽东医院伦理批准。 结果与结论：建立足部正常骨骼、扁平足、马蹄足、足部骨折模型并进行生物力学分析,扁平足患者跖骨、跗骨应力值较正常明显增加,马蹄内翻足的应力主要集中于踝关节周围,尤其是在距骨关节面。单纯跖骨骨折对于足跗骨区域应力变化影响较小,Lisfranc损伤患者的足跗骨区应力较正常足部增加较明显。该研究以足部三维有限元建模和生物力学分析将计算机技术与临床实际相结合,为人体足部生物力学研究提供参考,通过应力分析将多种足部情况的力学信息数值化,为足部的临床治疗提供了重要的力学依据。 ORCID: 0000-0002-7688-6990(何晓宇) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程     

摆幅可调型足部康复机器人的生物力学特性分析

目的基于人机工程学和生物力学仿真技术,对人体肌肉进行生物学评价,研究摆幅可调型足部康复机器人的康复策略。方法在Any Body中建立人体和摆幅可调型足部康复机器人的人机耦合模型,并对耦合模型进行运动学仿真,将仿真结果与理论计算结果相比,验证耦合模型的可靠性;再利用Any Body中的参数研究机制对验证后的耦合模型进行生物力学仿真,以足部康复机器人的运动速度和摆幅为变量,分析在不同变量组合下的肌肉活动度和肌肉力。结果在康复运动中足部相关肌肉的拉伸性能得到有效训练,不同的运动速度和摆幅对肌肉的影响不同,并得出运动速度和摆幅调节的安全范围。结论实现了不同运动速度和摆幅下肌肉活动度和肌肉力的组合分析,研究结果对足部康复机器人的临床应用和被动康复模式下康复策略的制订具有一定指导意义。     

足部三维有限元建模方法及其生物力学应用

目的探讨建立足部三维有限元模型的方法,应用模型模拟分析研究鞋垫设计参数,不同软组织刚度和受力情况下对足部的生物力学影响。方法建立基于解剖结构,包括软组织,韧带和腱膜,考虑材料的非线性和关节接触的足部三维有限元模型。有限元模型的可靠性利用模拟足踝关节在不同病理、手术和鞋垫矫治情况下的生物力学反应来验证。结果有限元分析结果表明,定制型鞋垫的形状比鞋垫材料的刚度对减少足底最大压力有更重要影响。软组织刚度的增加引起足底接触面积的减小,从而会导致足底跖骨区最大压力增加。部分和完全松解足底腱膜都会降低足弓高度,并增加足底韧带的张力和增加中足和跖骨的应力。体重增加和跟腱拉力增加都将成倍足底筋膜的拉力。结论所建足部有限元模型能预测足底压力分布和足内部骨骼软组织应力、应变情况,可以成为设计鞋垫和研究足部各种临床状况提供有力的分析工具。     

《外科与放射解剖学》杂志文题摘要（2004年第26卷第6期）

营养胸大肌皮瓣的胸肩峰动脉胸肌支的起源和行程：解剖学研究，髂胫束的解剖及生物力学研究，腓肠神经和腓浅神经之间的足部交通支：55例标本回顾，桡神经浅支的解剖特征及临床意义，肱三头肌长头的运动支来自桡神经吗?解剖及肌电图研究……     

距下关节韧带的解剖学和生物力学特性研究进展

距下关节是保持足部稳定的枢轴，承受并传导人体体重，转换下肢的旋转应力，协同和辅助踝关节运动，支配跗中关节和前足活动，因此它是后足的力学中心。功能上主要发挥稳定作用，活动度小，属微动关节。距下关节的关节囊菲薄，主要依靠韧带的力量来维持关节稳定，韧带损伤常导致距下关节不稳定，影响足部的功能。因此研究距下关节韧带的解剖和生物力学特性，具有重要临床意义。现将近年来距下关节相关韧带的研究进展综述如下。     

跟骨有限元计算和分析

位于人体足部的跟骨是负重的主要结构,跟骨骨折是足部常见骨折,多年来在跟骨骨折的治疗上一直存有争议,对跟骨的生物力学研究则更为少见。本文用有限元计算方法对人体跟骨进行应力分析,并用电测实验方法加以对照,所获取的力学参数直接显示了跟骨的受力区域,反映了跟骨骨折的力学原因。     

足部有限元建模方法应用现状

背景:有限元分析因其在生物力学研究方面独特的优势,近年来逐渐成为足部疾病病理机制、治疗及矫形支具制作等研究领域的有力的工具。目的:就足部有限元模型的建模方法应用进展,包括数据的采集方法、材料的特性和参数、建模方法和常用有限元软件做综述。方法:通过计算机检索中国期刊全文数据库(CNKI)、PubMed数据库、万方数据库及维普数据库1980-01/2009-05期间的相关文章,检索词为"有限元法,有限元模型,足,Finite elementmethod,foot,Finite element model。主要纳入了有关有限元法数据的采集方法研究、足部的材料的特性和参数的研究、建模方法研究等方面论文资料。对方法重复、相关参数未做详细介绍的论文予以剔除。结果与结论:从CT和MR图像上获得研究对象数据的方法是目前最为广泛使用的方法。在CT三维重建技术与有限元三维重建技术间建立程序接口,使有限元软件可以直接读取CT三维建模,将成为医学有限元建模发展的趋势。目前足部有限元模型的材料特性和参数大多参考国外文献,尚未见国内开展材料参数的测试研究工作的报道。在材料特性方面,适应生物力学研究的非线性和组织各向异性足部模型将成为主流。     

韧带和跖腱膜在足部有限元分析中的力学作用

目前通过建立足部三维有限元系统模型进行足部生物力学仿真已经逐渐被应用,而在大多数足部三维有限元模型的静态分析中,韧带和跖腱膜等软组织是通过直接连接骨骼上相应的附着点形成的索单元来模拟,而关节软骨把相邻的骨骼直接固连在一起.这种用关节软骨固连的方式代替真实的骨骼间的滑动摩擦,增强了骨骼间的结构强度,可能会造成原本由韧带等起到维持骨骼间相互作用却完全由关节软骨代替,即在有限元模型中,可能韧带等组织对仿真不起力学作用.本文的研究目的是在双足站立、静态载荷,关节采用固连方式时,分析足部三维有限元模型中有无韧带和跖腱膜对足部各种组织应力分布以及组织结构形态变化等的影响.     

足弓差异对动静态足踝功能的影响

目的 通过运动生物力学手段从动、静态两个方面评价不同足型受试者足踝功能的差异,为足踝运动研究提供理论支持和参考依据。方法 对65名受试者以足弓指数区分成扁平足、低弓足和正常足3组,采用单因素方差分析3组受试者静、动态足踝功能指标的差异。结果 在静态足踝功能方面,正常足踝关节适应性（malleolar valgus flexibility,MVF）显著高于低弓足和扁平足（P<0.05）;在纵弓适应性（arch height flexibility,AHF）上,负重对正常足的影响相比于扁平足较小（P<0.05）,3组横弓适应性（transverse arch flexibility,TAF）无统计学意义。在动态足踝功能上,缓冲阶段正常足在受力偏移幅度和时间均高于其他两组（P<0.05）;在过渡阶段,正常足相比于低弓足和扁平足,过渡时间显著降低（P<0.05）;在蹬伸阶段,正常足在蹬伸时间和蹬伸速度显著高于扁平足（P<0.05）。结论 负重增加时,低弓足和扁平足后足姿势维持能力和纵弓形态维持能力相比于正常足较差;低弓足和扁平足的足弓刚性和足底弹性相比于正常足较差,正常足在行走时表现出更好的承重缓冲能力、弹性向刚性过渡能力以及蹬伸效率。系统全面的评测体系对足踝损伤风险预测、运动能力评估具有重要意义。     

Force‐generating capacity of the toe flexor muscles and dynamic function of the foot arch in upright standing

The muscle and tendon complex of the foot helps to support the foot arch and generates the muscle force of the foot. The present study investigated the force‐generating capacity of the toe flexor muscles and the dynamic function of the foot arch when standing upright, and the relationships between these indices. The maximum toe flexor force and foot arch height in the sitting and standing positions were studied in the left and right feet of 224 healthy young individuals. To measure the maximum isometric force of the toe flexor muscles, the subjects exerted maximum force on a toe grip dynamometer. Measurements were repeated three times with at least a 1‐min rest period between bouts, and the maximum value among the measurements for each foot was used for further analysis. The absolute value of the toe flexor strength was normalised by body mass. The foot arch height was measured the distance between the tuberosity of the navicular bone and the floor, and normalised by height. The relative foot arch height difference between the sitting and standing positions was evaluated as the foot arch dynamics. The maximum isometric toe flexor strength was 42% higher in the standing position than in the sitting position. There was no relationship between the relative toe flexor strength and the relative foot arch height in either the sitting or standing positions; however, the relative increase in toe flexor strength from sitting to standing (the force amplification factor) was related to the foot arch dynamics, and the flexible foot arch showed a greater increase in the toe flexor strength from sitting to standing compared with the strength in the stiff foot arch. The results of this study suggest that the force‐generating capacity of the toe flexor muscles is augmented by bodyweight bearing in upright standing. Additionally, the force amplification mechanism is mechanically regulated by the dynamic function of the foot arch in conjunction with the stretching of the muscle–tendon complex of the foot.     

有限元法在足踝生物力学研究中的应用进展

有限元法以其高效、精确、可重复利用等特点成为生物力学研究的有效工具。由于足踝部位复杂的解剖结构和运动特性,有限元法可以借助强大的仿真建模和数据计算能力解决真实实验难以解决的问题,具有独特的优势并得到了广泛应用。本文归纳整理了近5年来国内外应用有限元法研究足踝生物力学问题的文献资料,从足踝在不同运动状态下的生物力学分析、组织特性研究、临床治疗分析以及支具与鞋的研究4个方面进行综述,为足踝生物力学的研究提供理论参考,并对未来有限元法在足踝生物力学领域的应用发展提供新思路。     

3D打印技术在足踝外科的临床应用进展

在足踝外科领域,由于解剖结构涉及多个关节和骨骼,足踝疾病和创伤的诊断及治疗方案相对复杂,3D打印技术作为一种辅助实现外科修复重建的个性化和精准化治疗的新方法,在足踝外科中显示出了极高的临床价值及应用前景。本文将对3D打印的原理及流程进行概述并从术前规划、医患沟通、手术器械设计及术后辅助支具等方面回顾3D打印技术在足踝外科领域的临床应用进展及局限性,为相关研究提供参考。     

Morpho-structural characteristics of feet in patients with rheumatoid arthritis: A cross sectional study

Objective: The aim of this study was to evaluate and classify the types and incidences of foot deformities in patients with Rheumatoid Arthritis (RA).Methods: A cross-sectional study with convenience sample was obtained of 220 patients with foot pain and RA classification criteria (approved by the American College of Rheumatology and the European League against Rheumatism in 2010). A series of outcomes were assessed to measure the morphological characteristics of the feet. The Foot Posture Index (FPI), the Manchester Scale of Hallux Valgus and the Nijmegen classification of forefoot disorders were assessed.Results: The most common foot posture according to the FPI assessment are the pronated position in the left foot (32.7% of participants) and the neutral position in the right foot (34.1% of participants). The disease progression causes more developed and serious foot deformities. 1.82% of patients present a severe level of Hallux Valgus before 10 years of disease evolution whereas 4.09% of patients present a severe level of Hallux Valgus after 10 years of disease evolution.Conclusions: The most common foot type in patients with RA is the pronated foot type with deformities in the MTP joints without Hallux Valgus. However, a percentage of patients with RA presents supinated foot type. The evolution of the disease shows some morphological changes in terms of patient''s feet. The presence of more developed foot deformities is increased, such us Hallux Valgus or MTP joints deformity (Grade 3 in the Nijmegen classification scale).     

一种基于足压数据主成分分析的足弓形态智能检测方法

目的 根据临床中平足与高弓足量化评估的要求,提出一种基于足压数据主成分分析（principal component analysis, PCA）智能快速足弓形态检测方法,并验证其临床有效性。方法 纳入诊断为足弓异常与足弓健康的志愿者,设计研发一套便携式足弓智能检测系统。采用44×52阵列式薄膜压阻传感器,采集静态站立式足底压力分布数据,利用自行编写的PCA算法自动拟合足轴线,进行足弓诊断并生成诊断报告。将足压采集结果与现有设备进行比对,验证足压数据的准确性。对于平足、高弓足和正常3类足弓的判别算法,通过对比临床诊断验证评估准确性。结果 该系统与现有压力采集设备的测量结果具有较好的相关性,接触面积偏差低于3.2%,计算拟合的足轴线与临床定义角度偏差小于1°,且该系统能获得与临床中足弓形态诊断相符率92.6%的评估结果。结论 引入PCA对足轴线自动化拟合,实现了快速而准确提取足弓信息的目的。该方法可用于临床实践中平足与高弓足的辅助筛查,有助于开展足弓畸形程度的量化分析和病理机制的研究。     

Sexual dimorphism in foot length proportionate to stature

Background: The preponderance of existing results suggests that, relative to stature, women have smaller feet than men. However, several investigations indicate that the relationship between foot length and stature may be curvilinear, a pattern that, due to the dimorphic nature of stature, would mask the true direction of pedal sexual dimorphism in published results. Aim: The study aimed to determine whether proportionate foot length is sexually dimorphic and, if so, the nature of that dimorphism. Materials and methods: Surveying genetically disparate populations (USA, Turkey, and Native North and Central American), we examined data from three previous anthropometric studies (Davis 1990, Parham et al. 1992, Özaslan et al. 2003) and foot tracings from the Steggerda Collection at the US National Museum of Health and Medicine. Analyses explored sex differences in the ratio between foot length and stature, and tested for nonlinearity. Results: Although varying in degree across populations, proportionate to stature, female foot length is consistently smaller than male foot length. Conclusion: Given the biomechanical challenges posed by pregnancy, smaller female proportionate foot length is somewhat surprising, as foot length affects dorsoventral stability. It is possible that the observed pattern reflects intersexual selection for small female foot size, a cue of youth and nulliparity.     

Patients' perspectives on foot complications in type 2 diabetes: a qualitative study

BACKGROUND: Foot ulceration is a major health problem for people with diabetes. To minimise the risk of ulceration, patients are advised to perform preventive foot self-care. AIM: To explore beliefs about diabetic foot complications and everyday foot self-care practices among people with type 2 diabetes. DESIGN OF STUDY: Qualitative study using one-to-one interviews. SETTING: A suburban primary care health centre. METHOD: Semi-structured interviews with a purposive sample of adults with type 2 diabetes but with no experience of foot ulceration. RESULTS: Most participants were unsure of what a foot ulcer is and unaware of the difficulties associated with ulcer healing. Prevention of accidental damage to the skin was not considered a priority, as few participants knew that this is a common cause of foot ulceration. Although it was recognised that lower-limb amputation is more common in people with diabetes, this was perceived to be predominantly caused by poor blood supply to the feet and unrelated to foot ulceration. Therefore, preventive foot care focused on stimulating blood circulation, for example by walking barefoot. Consequently, some of the behaviours participants considered beneficial for foot health could potentially increase the risk of ulceration. In some cases the uptake of advice regarding preventive foot care was hampered because participants found it difficult to communicate with health professionals. CONCLUSION: Patients with type 2 diabetes may have beliefs about foot complications that differ from medical evidence. Such illness beliefs may play a role in foot-related behaviours that have previously been unrecognised. Health professionals need to explore and address the beliefs underlying patients' foot self-care practices.     

行走支撑期足弓变化规律与足功能转换机制

目的 通过分析行走步态参数和足弓力学结构,探究行走支撑期足弓功能的转化机制及变化规律。 方法 利用动作捕捉系统及足底压力测试系统同步采集 8 名受试者不同步速行走时的步态参数及横、纵弓角度。 使用单 因素重复测量方差分析检验不同步速下足横、纵弓角度变化及足底受力的特征值差异。 结果 行走支撑期,纵弓 角度、横弓角度及足底受力曲线均存在两个特征值,3 条曲线特征值在 4 种步速下存在一致性规律。 1. 4 倍和 1. 2 倍最适速度行走时,蹬伸离地阶段时长显著性高于 0. 8 倍最适速度(P<0. 05),横弓升高的拐点和第 1 个受力 峰值出现时间早于 0. 8 倍最适步速(P<0. 05);1. 4 倍最适步速相比于 0. 8 倍最适速度横弓在蹬伸离地阶段的最小 角度显著性增加(P<0. 05),最小角度出现的时间显著性提前(P<0. 05);1. 2 倍最适速度步行时,纵弓第 2 个峰值 出现的位置相比于最适速度提前(P<0. 05)。 结论 行走支撑期,足以纵弓、横弓升降实现功能转化。 足纵弓和足 横弓共同降低完成缓冲,纵弓降低、横弓升高使足增加刚性完成蹬伸。 在执行蹬伸推进功能时,步速增加会加大蹬 伸离地阶段在步态支撑期的时间占比,足横弓和纵弓的变化随蹬伸期提前。 探究足弓变化及足功能转化机制对了 解足部运动规律及足踝康复具有重要的指导意义。