基于三维膝-踝-足有限元模型的足跟痛足底压力生物力学分析

目的通过有限元方法研究鞋垫参数变化对足跟痛患足生物力学机制的影响。方法基于CT图像数据建立足跟痛患者足部、小腿骨骼、腓肠肌及膝关节三维有限元模型,通过改变鞋垫形状、厚度及硬度仿真计算足底压力分布及应力峰值。结果有限元模型足底压力分布与压力测量板的足底压力分布部位大体一致,数值非常接近。与裸足站立相比,穿着平板式、半接触式和全接触式鞋垫时足跟区压力峰值分别下降20.5%、59.2%和38.4%,跖骨头区压力峰值分别下降9.9%、18.1%和46.7%。足跟痛患者足底表面足跟区和跖骨头区域压力峰值均随鞋垫常规厚度的增加而减小,并随硬度的减小而减小。结论鞋垫参数的改变对足底压力产生显著的变化。有限元分析有助于足跟痛病因病理的了解,为临床治疗提供理论基础。     

基于最优拉丁超立方设计的糖尿病足鞋垫优化设计

目的 提出一种鞋材弹性模量与厚度联合优化设计糖尿病足鞋垫的方法,以降低足底压力和软组织内部应力。方法 通过逆向工程方法建立足部有限元模型,基于足底压力分布特征划分鞋垫压力区域,采用有限元法对接触力学进行研究,为优化过程中调整不同区域内材料的弹性模量和鞋垫前后足厚度奠定基础,使用最优拉丁超立方设计得到最优参数组合。结果 设计的鞋垫增加约37.55%的足底接触面积,跖骨区和足跟区的压力峰值分别降低15.07%、36.96%,足跟处软组织内部应力降低20.83%,足底筋膜张力降低约60%。结论 所提出的方法可用于设计定制鞋垫,设计的个性化鞋垫具有更大的接触面积和降低糖尿病足底溃疡的良好潜力。     

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。     

具有梯度模量的3D打印糖尿病鞋垫设计

目的以精准降低足底压力为目标,提出一种快捷、低成本的个性化糖尿病足部建模及鞋垫的设计方案。方法通过对标准足骨模型进行缩放的方法,构建患者足部有限元模型,分析足部生物力学,并根据鞋垫模量和足底压力数学映射模型,建立具有梯度模量的个性化鞋垫三维模型。利用3D打印技术进行鞋垫制造,并开展实验验证。结果采用缩放建模方法所建足部模型的有限元预测的相关力学指标与CT重建模型的结果基本接近,最大误差控制在15%以内。与穿戴普通鞋垫相比,使用个性化鞋垫后足底峰值压力有效降低约20%。该简化设计方案的时间和经济成本降低约90%。结论该糖尿病鞋垫设计方案缩短设计周期,其中制备的个性化鞋垫有效精准降低足底压力,降低足部溃疡的风险,为个性化糖尿病鞋垫的推广提供技术基础。     

可变刚度缓冲鞋垫结构设计及优化

目的 设计X型结构变刚度缓冲鞋垫,探究其对糖尿病截趾患者足底表面压力和内部应力的影响。方法 基于CT影像建立糖尿病截趾患者足部-小腿有限元模型,根据足底压力分布特征进行鞋垫区域划分。设计X型结构3D打印缓冲鞋垫,通过改变结构面板厚度改变结构的模量,对划分区域填充不同模量的X型结构方案进行仿真分析。结果 糖尿病截趾患者足底峰值压力在跟骨区,足趾区选用面板厚度1.2 mm结构、跖骨区选用面板厚度1.4 mm、足弓区选用面板厚度2.0 mm和足跟区选用面板厚度1.6 mm组合后的鞋垫减压效果最好。与赤足相比,此方案鞋垫分别降低足跟区峰值压力、趾骨区峰值压力和足底软组织内部应力40.18%、31.7%和50.45%。结论 变刚度下3D打印鞋垫可有效降低足底表面压力、内部应力,减小二次截趾概率。     

矫正鞋垫的设计原理与生物力学功能

文题释义：矫正鞋垫：是根据足部生物力学特征设计的，为人体提供保护、支撑及改善活动能力的辅助性器具，置于鞋内与足部密切融合，通过调整足底与外界接触的面积、角度等，改变足部生物力学结构及特征、分散足底压力，改善人体生物力学轴线、提高关节稳定性，解决人体由于外界因素、下肢生物力学异常及代偿等引起的各关节及人体姿势异常等问题，被广泛应用于医疗康复领域以及运动损伤预防及康复领域等。 代偿：人体某些器官因疾病受损后，机体调动未受损部分和有关的器官、组织或细胞来替代或补偿其代谢和功能，使体内建立新的平衡的过程，由于其他器官原本不应该承担此功能，使器官处于异常状态，长期处于异常状态会对这些器官造成代偿性损伤。 背景：足是人体运动系统的重要组成部分，足部疾病及损伤成为困扰人们的问题，矫正鞋垫能够有效治疗及预防足部疾病及损伤风险，已成为物理矫正的主要手段。 目的：明确矫正鞋垫的设计原理，根据制作方式对矫正鞋垫进行分类，梳理矫正鞋垫对人体各关节相关疾病、儿童偏瘫及运动损伤的康复功能，探究当前矫正鞋垫的研究现状及不足，并对未来研究发展提出建议。 方法：以“矫形鞋垫”“拇外翻、扁平足、高足弓、足底筋膜炎”“膝内翻、膝外翻、膝骨关节炎”“脊柱侧弯”“足踝损伤”“步态”“异常步态”“Orthopedic insoles”“Corrective effect”“Motion pattern characteristics”等作为关键词，在CNKI、万方、百链、百度文库、PubMed等数据库检索2005至2019年期间的相关文献，进行筛选、整理、归纳及总结分析。 结果与结论：①矫正鞋垫的设计原理包括调整足底受力点，分散足底压力；支撑足弓，提高缓冲能力；改善下肢力线，提供稳定及支撑；改善本体感觉，提高足部舒适性4个方面；②矫正鞋垫按制作方式可分为预制型、半定制型和定制型3类；③矫正鞋垫在足踝、膝关节、脊柱畸形、儿童偏瘫型脑瘫、运动损伤方面能够起到有效的预防及康复功能；④矫正鞋垫在其应用领域及治疗效果上存在一定的局限性，在矫正鞋垫的研制与评价中，应考虑到人体运动过程中足型与鞋型的变化情况，体现“足鞋整合”的理念。可对矫正鞋垫不同形状、材质、硬度等，矫正鞋垫对损伤的预防、疾病的治疗、运动能力的提升效果，以及动态矫正鞋垫进行更加深入的研究。 ORCID: 0000-0002-9109-6962(张新语) 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程     

平地自然行走护士的步态特征和足底压力分布◆

背景：繁忙的工作和快速行走的严格要求势必造成护士足部压力增高,甚至引起足部疾病。 目的：分析护士平地自然行走下的步态特征和足底压力分布。 方法：采用比利时RSscan INTERNATIONAL公司生产的足底压力分布测试系统对73名护士进行动态足底压力测试。 结果与结论：护士步态分析中足底压强、冲量、支撑时间数据分析一致：在自然步态下,护士足部最大压强部位在第2、3跖骨区;足部最大冲量部位在前足;支撑期时间所占比例最大的是前足离地阶段;加上护士步速较快,足底压力相应增高,前足压力也随其增大。提示护士前足压力较高,易疲劳而发生运动损伤。因此,护士要科学的选择护士鞋或鞋垫,调整足底压力分布和足底冲量,加强对前足、特别是前足第2~3跖骨区的保护,尽可能避免足部疲劳和损伤的发生。     

个性化鞋垫对步行足部感知及足功能的影响

目的 通过对主观舒适度和行走时足底压力的评测,整合主观感知和生物力学指标,探究个性化鞋垫对正常足型足部感知和足功能的影响。方法 招募16名具有正常足型的男性受试者,采用视觉模拟量表评价极简鞋和个性化鞋垫着鞋干预下主观舒适度指标的差异;通过单因素重复测量方差分析赤足、极简鞋、个性化鞋垫3种着鞋条件支撑期各阶段时间和足底压力的变化;通过多重线性回归筛选极简鞋和个性化鞋垫下影响着鞋总体舒适性的主要指标。结果 在足底压力测评上,着鞋行走的步态支撑期缓冲阶段高于赤足和极简鞋（P<0.05）,个性化鞋垫的动态足弓指数（arch index, AI）大于极简鞋和赤足行走（P<0.05）,极简鞋动态 AI大于赤足（P<0.05）,加入个性化鞋垫中足冲量占比高于赤足行走（P<0.05）,着鞋时压力中心(center of pressure, COP）轨迹的平均斜率低于赤足（P<0.05）,个性化鞋垫COP轨迹斜率低于极简鞋（P<0.05）;在主观舒适度测评上,加入个性化鞋垫后鞋总体舒适性、后跟缓冲、前足缓冲、足弓支撑性、前足包裹和足部控制性高于极简鞋（P<0.05）;线性回归结果显示,足弓支撑性和中足冲量占比对鞋总体舒适性有显著性影响（P<0.05）。结论 个性化鞋垫主要通过对足弓的影响提高正常足的总体舒适性。加入个性化鞋垫后,步行的缓冲能力和足部控制能力提高,足部在冠状轴上受力的偏移减小。足-鞋垫-鞋共同影响人体足部感知,鞋垫要综合足型、着鞋条件和鞋垫材质等多方面进行选择。     

基于足底压力分布的足部运动特征提取

目的 分析足底压力分布的统计学行为,提取足部运动的特征,为步态识别研究用于医疗临床诊断、康复训练和大众健康等提供参考。方法 通过对采集到的足部压力数据进行预处理,并对数据进行统计分析,实现足迹重构,并对足迹、分割区域以及各区域压力分布率进行比较分析,实现对足部运动特征的分解。结果 分区域对足底压力峰值进行分析比较,以不同区域压力峰值变化曲线的交叉点为依据,将足底区域分为脚趾、跖骨、足弓部、脚跟4个区域时,可准确地对足部运动特征进行提取。结论 利用足底压力峰值对足部运动特征进行提取,并将足部运动分为着地、整足接触、足跟离地和离地4个阶段。     

个性化足跟痛缓冲鞋垫的生物力学研究

目的研究带有不同结构后跟垫的个性化鞋垫对足跟痛患者足部应力集中的作用效果。方法结合统计学和有限元分析方法,建立足跟痛患者足部及个性化鞋垫有限元模型,仿真模拟不同鞋垫对足跟痛患者足部软组织内外及足底筋膜应力的作用效果。结果足部软组织内部所受应力高于足底表面,足底筋膜应力在第3根筋膜上的应力最高。裸足站立时足跟区软组织内部应力峰值是表面峰值的1.34倍,足底第3根筋膜的应力为1.50 MPa。通过正交试验得到的优化鞋垫模型能够降低足跟区软组织内部应力峰值51.0%,同时缓解足底第3根筋膜应力11.3%。结论带有竖轴椭圆形、蜂窝状孔槽结构后跟垫的个性化缓冲鞋垫方案较优,后跟垫能辅助跟骨脂肪垫吸收或缓冲震荡,较好地减轻足底应力分布集中的同时具有缓解足底筋膜张力的作用。结果有助于认识足跟痛足部的应力分布情况,对研究足跟痛的病理和治疗具有重要的意义。     

伴有足中关节炎的扁平足患者矫正鞋垫的生物力学研究

针对伴有足中关节炎的扁平足患者, 研究不同结构和材料刚度的矫正鞋垫对其足部应力集中和内部关节软骨及筋膜应力的作用效果。在有限元分析的基础上, 结合正交实验设计, 利用CT图像数据建立患者足部及矫正鞋垫有限元模型。随后, 通过footscan系统对支撑相期间足底各区域应力和接触面积进行测量, 验证仿真结果的准确性。然后, 根据有限元分析结果, 对比分析矫正鞋垫的作用效果。结果表明, 足弓高度为30 mm, 楔形角度为5°, 刚度为1 MPa的矫正鞋垫的作用效果最优。与裸足时的应力峰值相比, 足跟区表面和内部的应力峰值分别降低了62.5% (由0.152 MPa降至0.057 MPa)和77.9% (由0.245 MPa降至0.054 MPa);足跖区表面和内部的应力峰值分别降低了56.0% (由0.125 MPa降至0.055 MPa)和72.9% (由0.192 MPa降至0.052 MPa)。相比普通接触式鞋垫, 足底应力分布更均匀, 舟楔关节软骨及筋膜应力(拉伸方向)更小。研究结果为这种复合病症下具有复合作用的矫正鞋垫设计提供数据基础, 对扁平足与足中关节炎的联合治疗具有临床意义。     

Parametric design of pressure-relieving foot orthosis using statistics-based finite element method

Custom-molded foot orthoses are frequently prescribed in routine clinical practice to prevent or treat plantar ulcers in diabetes by reducing the peak plantar pressure. However, the design and fabrication of foot orthosis vary among clinical practitioners and manufacturers. Moreover, little information about the parametric effect of different combinations of design factors is available. As an alternative to the experimental approach, therefore, computational models of the foot and footwear can provide efficient evaluations of different combinations of structural and material design factors on plantar pressure distribution. In this study, a combined finite element and Taguchi method was used to identify the sensitivity of five design factors (arch type, insole and midsole thickness, insole and midsole stiffness) of foot orthosis on peak plantar pressure relief. From the FE predictions, the custom-molded shape was found to be the most important design factor in reducing peak plantar pressure. Besides the use of an arch-conforming foot orthosis, the insole stiffness was found to be the second most important factor for peak pressure reduction. Other design factors, such as insole thickness, midsole stiffness and midsole thickness, contributed to less important roles in peak pressure reduction in the given order. The statistics-based FE method was found to be an effective approach in evaluating and optimizing the design of foot orthosis.     

Using an Optimization Approach to Design an Insole for Lowering Plantar Fascia Stress—A Finite Element Study

Plantar heel pain is a commonly encountered orthopedic problem and is most often caused by plantar fasciitis. In recent years, different shapes of insole have been used to treat plantar fasciitis. However, little research has been focused on the junction stress between the plantar fascia and the calcaneus when wearing different shapes of insole. Therefore, this study aimed to employ a finite element (FE) method to investigate the relationship between different shapes of insole and the junction stress, and accordingly design an optimal insole to lower fascia stress. A detailed 3D foot FE model was created using ANSYS 9.0 software. The FE model calculation was compared to the Pedar device measurements to validate the FE model. After the FE model validation, this study conducted parametric analysis of six different insoles and used optimization analysis to determine the optimal insole which minimized the junction stress between plantar fascia and calcaneus. This FE analysis found that the plantar fascia stress and peak pressure when using the optimal insole were lower by 14% and 38.9%, respectively, than those when using the flat insole. In addition, the stress variation in plantar fascia was associated with the different shapes of insole.     

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。     

Three dimensional stress analysis of diabetic insole: a finite element approach.

Current research in foot biomechanics includes studies on prevention of recurrence of neuropathic foot ulcers. This paper attempts to prescribe accommodative insoles, which reduce plantar pressure levels particularly under the hallux. There is little quantitative information available regarding the effects of insole materials on reduction of plantar pressure. The insole models available in the literature are mostly two-dimensional (2-D). Hence, there is a need to develop a 3-D model with actual geometry which includes sufficient details. In this study a three-dimensional (3-D) model of the insole was constructed. A linear and non-linear static analysis using finite element method (FEM) was performed. Results were compared for different materials such as Silicon Gel, Plastozot, Polyfoam, and Ethinil Vinyl Acetate (EVA). Our 3-D finite element model was constructed using 16170 ten-node tetrahedral, mixed U-P (displacement-pressure), hyperelastic, solid elements. Four different hyperelastic and foam materials were used and compared and the loading condition was based on the mid-stance phase of the gait. This research has shown that most of these materials are very effective in terms of reduction of plantar stress concentrations. The technique used in this research provides a promising approach to understanding of behavior of insole materials and suggests a design guideline for therapeutic footwear and orthoses.     

Multi-plug insole design to reduce peak plantar pressure on the diabetic foot during walking

There is evidence that appropriate footwear is an important factor in the prevention of foot pain in otherwise healthy people or foot ulcers in people with diabetes and peripheral neuropathy. A standard care for reducing forefoot plantar pressure is the utilization of orthotic devices such as total contact inserts (TCI) with therapeutic footwear. Most neuropathic ulcers occur under the metatarsal heads, and foot deformity combined with high localized plantar pressure, appear to be the most significant factors contributing to these ulcers. In this study, patient-specific finite element models of the second ray of the foot were developed to study the influence of TCI design on peak plantar pressure (PPP) under the metatarsal heads. A typical full contact insert was modified based on the results of finite element analyses, by inserting 4 mm diameter cylindrical plugs of softer material in the regions of high pressure. Validation of the numerical model was addressed by comparing the numerical results obtained by the finite element method with measured pressure distribution in the region of the metatarsal heads for a shoe and TCI condition. Two subjects, one with a history of forefoot pain and one with diabetes and peripheral neuropathy, were tested in the laboratory while wearing therapeutic shoes and customized inserts. The study showed that customized inserts with softer plugs distributed throughout the regions of high plantar pressure reduced the PPP over that of the TCI alone. This supports the outcome as predicted by the numerical model, without causing edge effects as reported by other investigators using different plug designs, and provides a greater degree of flexibility for customizing orthotic devices than current practice allows.