人体足部生物力学的研究

人体足底压力和剪切力的测量，运动状态下足部各关节、骨和韧带的作用及影响，以及足部生物力学建模和有限元分析是足部生物力学研究的热点，也是足部疾病康复研究的基础。本文对上述三方面的研究作了综述并提出了今后研究的重点。     

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     

基于有限元分析腓肠肌作用力对足部生物力学的影响

目的探讨不同腓肠肌作用力变化对足跟痛生物力学机制的影响。方法运用Mimics软件对临床计算机断层扫描足部图像进行三维实体模型重建,建立包括骨骼、软组织、韧带及足底筋膜的足部有限元模型。腓肠肌作用在足部上的作用力取人体半体重320 N的40%~90%,每隔5%半体重(即16 N)增加,并计算足底表面压力分布及峰值、足底筋膜应力等。结果足底表面压力分布主要集中在足跟处和跖骨头区域,足底足跟处压力峰值随着腓肠肌作用力的增加而减小,而足底前部压力峰值先减小后增大,在224 N(70%)时达到最小值。足底筋膜的应力随腓肠肌作用力的增加而增加。结论腓肠肌作用力的改变对足底压力及足底筋膜应力产生显著影响。有限元分析有助于对足部疾病病因病理的了解以及对腓肠肌松解术后生物力学结果预测,为治疗提供理论依据。     

腰椎小关节的生物力学研究：三维有限元分析

作者对于腰椎小关节进行了三维有限元分析。结果表明,腰椎小关节在直立位、前屈位和后伸位时,均出现明显的应力集中。而腰椎间盘退变时,其应力水平又较正常时升高。作者认为,腰椎小关节过载可能是引起腰背疼痛的原因之一。腰椎间盘退变可使小关节承载加大。引起小关节的一系列病理变化,进而导致神经根管狭窄及神经根卡压。     

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。     

局部皮瓣的生物力学特性和三维有限元模拟分析

随着整形外科医学的发展,局部皮瓣在修复皮肤缺损中的应用越来越广泛,但皮瓣的设计主要依赖于医生的经验,存在盲目性.为寻求既能指导皮瓣设计又能真实模拟皮瓣转移效果的方法,需要进行相应的生物力学研究和有限元力学分析.首先通过对局部皮瓣进行实验测试,得到局部皮瓣的生物力学特性;再根据实验得到的结果对局部推进皮瓣进行三维有限元模拟分析,得到在外载荷作用下,皮瓣和其本体组织的变形及相应的应力-应变分布情况;同时通过改变皮瓣尺寸大小模拟得到局部皮瓣设计的最佳尺寸.本模型结果能够为局部皮瓣的生物力学特性研究及其移植的数值模拟提供一定的参考.     

有限元分析法研究脊柱生物力学的新进展

近20年来，有限元分析法在脊柱生物力学研究领域中已得到日益广泛的应用。本就近10年来国外学用有限元法研究脊柱生物力学的新进展作以综述。详细介绍了椎体、后部结构、问盘、韧带、肌肉组织在生理及病理情况下的生物力学特性，及不同术式、内固定器械对脊柱生物力学的影响；介绍了用有限元法研究某些疾病发病的力学机制的新成果；展望了有限元法应用于脊柱生物力学研究的前景。     

足部有限元模型的构建与验证

背景：目前国内所建的足部模型大部分是采用自动划分网格的四面体有限元模型,虽然四面体网格自动剖分技术给三维实体的有限元网格自动剖分带来了极大的方便,但力学性能较差。 目的：基于CT图片构建六面体网格足部有限元模型。 方法：选取中国正常男性人体足部的CT数据,利用Mimics软件对足部几何模型进行重构,运用NURBS 曲面的节点插入算法,对足部几何模型进行了细化,构建了具有较高生物仿真度的人体足部有限元模型,利用Pam-crash软件对模型进行了碰撞仿真分析。 结果与结论：仿真结果与尸体实验结果基本一致,证明模型可信。实验基于CT图片构建的六面体网格足部有限元模型,添加了足底肌肉、肌腱、皮肤等结构,更真实的反映了足部解剖学结构特征,进而提高了有限元模型的质量,更能有效地研究足部损伤机制,从而为提高汽车安全性设计提供参考依据。     

足底软组织硬化对足部生物力学影响的三维有限元分析

目的 通过有限元方法来研究足底软组织整体硬化以及跖骨头和跟骨下方软组织局部硬化对人体足踝系统的力学影响。方法 基于健康志愿者右足的核磁共振扫描图片建立足部三维有限元模型,通过改变足底软组织的生物力学属性和人体平衡站立位时的计算仿真来分析足底软组织的生物力学问题。同时,对此志愿者进行足底压力测试来验证模型的有效性。结果 建立足踝有限元模型得到了有效的验证并完成了不同软组织属性定义下站立位的运算;在平衡站立位时足底接触压力分布状况和足踝内部一些软、硬组织的受力情况得到量化。结论 软组织硬化,特别是跖骨头和跟骨下方软组织局部硬化,对足底受压接触面积、压力峰值以及足底软组织垫所受的应力等产生了明显影响,大大增加了糖尿病患者发生足底溃烂的可能性。     

有限元分析在脊柱生物力学领域的应用

介绍了近年来有限元方法应用于脊柱生物力学分析的研究新进展,并讨论了其在临床工作中的实际意义,提出了建立有限元模型的一些思路,有限元分析作为一个理论性方法,必须与临床实践相结合才能真实,可靠地解释疾病的发生,发展经过,并为疗效预测提供参考。     

基于有限元法的跟骨生物力学分析

目的基于有限元方法分析跟骨的生物力学特性。方法通过CT扫描,利用Mimics、Geomagic等软件,建立跟骨有限元模型,并分析在正常站立和外力冲击下跟骨的应力分布和位移趋势。结果在正常站立情况下,跟骨应力、应变整体分布均匀,应力、应变均较小;在受到外力冲击作用下,跟骨的整体应力、应变有明显的上升,其跟骰关节面的应力、应变明显增大。结论通过有限元方法分析跟骨中立位时在不同加载情况下跟骨的应力、应变情况,进一步探讨跟骨的生物力学特性以及跟骨骨折发生机制,为临床跟骨骨折治疗提供一定的理论依据。     

外侧楔形鞋垫对足踝生物力学影响的有限元分析

目的 探究外侧楔形鞋垫对足踝内部组织(包括足骨、关节和韧带)的生物力学影响。 方法 建立并验证足踝-鞋垫-地面三维有限元模型,探究步态 3 个关键瞬间赤足模型和鞋垫干预模型的足底压力分布、关节接触压力、跖骨及主要韧带的应力。 结果 5°外侧楔形鞋垫模型足底峰值压力比赤足模型减小 65. 8% 。 鞋垫干预使楔舟关节处峰值接触压力减小;距下关节处峰值接触压力和第 4、5 跖骨处峰值应力增大。 结论 本研究量化评估了外侧楔形鞋垫对足踝各部分的生物力学影响,提出了可适当减小外侧楔形鞋垫第 4、5 跖骨处倾斜角度的设计建议。     

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。     

基于有限元法对足跟痛在推离期的生物力学研究

基于有限元法对推离期下足跟痛的发病和康复机理进行研究。采集一位足跟痛患者的CT和MRI图像用于三维重建,利用Geomagic软件对得到的模型表面优化,再通过Hypermesh软件对模型进行有限元前处理,最后将得到的下肢有限元模型导入到Abaqus中分析计算,与足底压力板测试结果对比验证模型的有效性,并根据计算结果分析小腿三头肌力的变化对足踝步态推离期生物力学行为特性的影响。结果表明,小腿三头肌肌肉力从550 N增大到1 100 N的过程中,第一趾骨区的峰值压力增大了32.8%,跖骨区的峰值压力增大了14.3%;第一根足底筋膜的应力高达4.69 MPa;跟腱与跟骨连接处和跟骨结节部位的应力峰值分别为28.36和32.79 MPa。由此可见,小腿三头肌挛缩和推离期的绞盘效应会导致足底筋膜过度拉伸,引起跟骨结节处的应力水平提高,使得足部生物力学环境发生变化,从而诱发足底筋膜炎,导致足跟痛。缓解小腿三头肌挛缩、减小肌肉力、避免足底筋膜过度拉伸及降低附着点处的应力水平以恢复足部正常生物力学环境,是治疗足跟痛的主要康复机理。     

声激励影响人眼频率响应的有限元分析

目的 研究声激励下激励源、眼内压以及材料参数对人眼频率响应的影响.方法 基于三维有限元全眼模型,根据人眼形变及应力分布结果,定量分析各参数对人眼频率响应的影响.结果 其他参数保持不变,只改变激励源的位置、大小,声激励源分别放在角膜正上方、偏45°处以及激励较大处,134 Hz时人眼共振幅值分别为35、48和133 μm...     

The Response of Cranial Biomechanical Finite Element Models to Variations in Mesh Density

Finite element (FE) models provide discrete solutions to continuous problems. Therefore, to arrive at the correct solution, it is vital to ensure that FE models contain a sufficient number of elements to fully resolve all the detail encountered in a continuum structure. Mesh convergence testing is the process of comparing successively finer meshes to identify the point of diminishing returns; where increasing resolution has marginal effects on results and further detail would become costly and unnecessary. Historically, convergence has not been considered in most CT‐based biomechanical reconstructions involving complex geometries like the skull, as generating such models has been prohibitively time‐consuming. To assess how mesh convergence influences results, 18 increasingly refined CT‐based models of a domestic pig skull were compared to identify the point of convergence for strain and displacement, using both linear and quadratic tetrahedral elements. Not all regions of the skull converged at the same rate, and unexpectedly, areas of high strain converged faster than low‐strain regions. Linear models were slightly stiffer than their quadratic counterparts, but did not converge less rapidly. As expected, insufficiently dense models underestimated strain and displacement, and failed to resolve strain “hot‐spots” notable in contour plots. In addition to quantitative differences, visual assessments of such plots often inform conclusions drawn in many comparative studies, highlighting that mesh convergence should be performed on all finite element models before further analysis takes place. Anat Rec, 2011. © 2011 Wiley‐Liss, Inc.     

眼球-眼外肌有限元模型的建立与力学分析

将有限元分析(FEA)方法运用到眼科研究中,建立了眼球和眼外肌的三维有限元模型并进行外力加载,通过非线性有限元计算过程得出模型的位移、应力、应变等结果,探讨眼部结构与受力、运动之间的关系,所得结果与眼科临床知识相符合.     

皮质骨切开辅助大鼠正畸牙齿移动有限元分析

目的仿真模拟大鼠皮质骨切开后正畸牙齿移动,分析切开手术对大鼠牙颌结构力学分布的影响。方法建立大鼠正畸牙齿移动三维有限元模型,模拟皮质骨切开手术,并根据加载方向及牙根部位对牙周膜及根周牙槽骨进行细分,计算磨牙与切开骨块初始位移及各细分区域内牙周膜、牙槽骨的应力、应变分布。结果上颌第1磨牙在正畸力作用下近中倾斜移动,最大位移集中于牙冠远中尖;皮质骨切开能增加牙槽骨块初始位移。牙周膜最大主应变集中于近远中颈部,最小主应变集中于远中根尖部;皮质骨切开对牙周膜应变的分布及水平有明显影响;皮质骨切开能够明显增加牙槽骨中应力水平,并使高应力区集中于牙根近中牙槽嵴。结论皮质骨切开能够改变正畸矫治力在牙齿及牙周组织中的分布,使其有利于局部牙槽骨改建,实现快速正畸牙齿移动。研究结果有助于从生物力学角度认识皮质骨切开辅助正畸牙齿移动机制。     

有限元分析法在脊髓损伤生物力学中的研究进展

脊髓损伤时的变化非常复杂,动物模型很难精确模拟损伤环境以及测量局部组织的生物力学属性,而有限元模型则可以通过分析脊髓组织的应力和应变分布,从生物力学角度为脊髓损伤的病理研究和治疗提供一个更为高效的方法。目前,有限元模型已被广泛应用,并与动物实验模型相辅相成。本文回顾了有限元法在脊髓损伤中的研究进展,对有限元法在脊髓本体建模、脊髓损伤的生物力学行为及其临床应用等方面的研究现况进行归纳及总结,以期为临床脊髓损伤问题提供更为全面的理论参考。     

儿童头部有限元模型研究进展

头部损伤是导致儿童死亡与伤残的重要原因,对儿童头部损伤生物力学的深入研究意义重大。近年来,通过构建真实的儿童头部有限元模型来研究儿童头部损伤的方法日益成熟,逐步代替了尸体实验、动物实验以及物理实验。对儿童头部有限元模型的年龄特点、构建方法、模型应用以及发展趋势等进行较为全面的综述,并对该领域还有待研究的内容以及未来的发展方向做出展望。