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。     

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。     

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。     

基于有限元法研究足跟痛发生与康复机制

目的研究足跟痛病症的发生与康复机制,为临床上足跟痛治疗方法的有效性提供理论依据。方法对足跟痛患者足膝部CT、MRI影像数据进行三维重建,建立患者足膝部的骨骼-肌肉复合有限元模型。基于所建模型采用有限元方法,仿真模拟小腿肌肉挛缩对足踝部生物力学性能的影响。结果在小腿肌肉提升力的作用下,足底压力从足跟区向足掌区转移,且不同肌肉作用力组合方案对压力分布不产生明显差异。足底筋膜张力升高,跟骨表面产生应力集中。在240 N作用力下,跟腱附着位置和跟骨结节处产生应力峰值,分别高达10.82、11.2 MPa。结论小腿部肌肉和跟腱中产生应力集中,会导致足踝部生物力学特性发生变化,引发足跟部疼痛。释放集中应力恢复踝关节中各骨骼和关节的位置,从而改善整体生物力学环境的方法是治疗足跟痛的康复机制。     

康复辅具与生物力学

随着老龄化加剧,康复辅具的作用和意义凸显。近来,国务院发布了发展中国康复辅具产业的若干意见,对康复辅具创新提出了新的要求。无论是运动康复训练系统、矫形器、假肢、还是助行器等康复辅具,都与生物力学有密切的关系。本期专刊收录了数篇与康复、康复辅具研发密切相关的生物力学论文,为康复工程、康复辅具研发提供参考。     

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。     

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。     

口腔修复生物力学中三维有限元法应用的研究进展及展望

自 2 0世纪 6 0年代以来 ,随着计算机技术的进步 ,有限元分析法已逐步发展成为工程中广泛应用的方法。有限元法也是生物力学研究中的重要手段之一。它可对复杂几何形状物体建模 ,求得整体和局部的应力和位移值及其分布规律 ,并可根据需要改变受载与边界条件等力学参数 ,在维持原模型几何形状不变的情况下 ,可方便地对其应力大小和分布的变化进行对比分析。这种方法高效、精确、低成本 ,已成为结构优化设计、材料非线性和几何非线性分析的一种实用、有效、方便的应力分析方法。本文就口腔修复生物力学中有限元方法的应用研究现状进行了回顾 ,…     

康复辅具的生物力学研究

康复辅具对于提高残障人的生活质量、减轻家庭和社会负担具有重要意义。近年来,我国的康复辅具研究已经有了比较大的进步,而且从政策支持、科研资助、产业环境等不同角度看,目前都正处于最好的发展时机。生物力学在康复辅具的设计中具有重要作用,一方面,对身体障碍的生物力学特征的测量和评价是康复辅具设计的重要依据;另一方面,人体与辅具交互作用的生物力学问题,是康复辅具设计必须考虑的重要因素。作为本期专栏的导言文章,本文将简要综述我国康复辅具研究的现状,然后介绍康复辅具设计中的一些生物力学研究。     

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。     

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。     

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。     

有限元法在腰椎融合术与置换术生物力学研究中应用进展

回顾近年来有限元法(finite element method,FEM)在腰椎椎间融合术与人工椎间盘置换术生物力学中的研究进展,并对其应用前景进行展望。通过归纳整理,得出FEM在腰椎椎间融合术与人工椎间盘置换术生物力学中的研究要点是手术方案的优化选择、植入器械的性能评价和临床手术的效果预测。最后依据当前的研究要点和发展方向,对FEM在个性化手术模拟、弹性内固定性能评价和新型术式效果预测等方面的应用前景进行展望。通过对FEM在腰椎椎间融合术与人工椎间盘置换术生物力学研究中的应用进展进行回顾和展望,以期为临床腰背痛疾病的手术治疗提供更加全面和系统的理论指导。     

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。     

基于磁共振图像的人体骨盆三维重建及有效性验证

目的：利用磁共振图像重建人体骨盆,并利用有限元方法验证建立该模型的有效性,为临床上不适合CT扫描的患者,提供了从MRI图像重建人体模型和骨盆生物力学研究的另一种方法。方法：采用1.5T的核磁成像仪扫描获取正常骨盆MRI图像,利用Hypermesh进行网格划分和韧带添加,采用Mimics和Geomagic对图像数据进行重建。对模型施加适当的界条件,运用有限元分析方法,分析该模型的应力应变和位移结果,同实验测量文献和CT重建的模型有限元模型结果对比。结果：骨盆上关键点的应力应变和位移数值基本吻合引用的参考文献对应点数值,趋势基本相似。坐位时,垂直加载600 N载荷于骶骨上表面,应力由骶骨经骶髂关节向下传递,经坐骨上支、到达坐骨结节;应力主要集中在坐骨大切迹和坐骨结节。站位时,垂直加载600 N载荷于骶骨上表面,应力分别经骶骨翼、骶髂关节,坐骨大切迹,弓状线,至髋臼;应力主要集中在骶髂关节和坐骨大切迹。结论：成功利用MRI建立的有限元模型,其基本可以反应骨盆的力学结构特点,准确性较高,可以作为用于研究骨盆及其植入物生物力学的基础。站立位时,骨盆的主要负重和稳定结构位于后方;坐位时,骨盆承载人体重量并在上下应力传导中起着非常重要的作用。     

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。