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。     

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。     

踏跳瞬间足后部骨骼的三维有限元分析

目的建立足部三维有限元模型,对足后部骨骼在踏跳中的应力分布进行分析。方法应用CT扫描和CAD/CAM软件处理,建立足后部骨骼三维模型。通过对背跃式跳高踏跳的足底压力测量和逆向肌肉力量计算,确定载荷约束条件,并进行有限元计算。结果获得了踏跳瞬间,跟骨、距骨、舟骨等易损伤部位的生物力学响应和应力分布,发现跟骨后距关节,距骨背面均为应力集中处。结论本研究建立的模型可用于足后部骨骼生物力学研究,为踏跳中的运动损伤力学机理提供数据。     

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。     

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。     

桡骨远端钢板联合拉力钉固定治疗Sander III型跟骨骨折的生物力学分析

提出并分析桡骨远端钢板（两点支撑）联合拉力钉固定治疗跟骨骨折的生物力学稳定性。在完整下肢骨骼-肌肉有限元模型的基础上,建立Sanders III型跟骨骨折模型并模拟固定,用桡骨远端钢板（两点支撑）联合拉力钉固定治疗骨折。评估该模型在静态站立和行走状态（足跟着地期、站立中期和推离期）的应力分布和位移情况。跟骨的应力集中于骨折端、跟骨与跟腱连接处,峰值为96.92 MPa。内固定的应力集中于钢板螺钉与载距突和跟骨结节接触位置,峰值为883.20 MPa。后关节面位移、Bohler角和Gissanes角均维持较好。桡骨远端钢板联合拉力钉固定治疗跟骨骨折具有良好的生物力学稳定性,体现微创原则,操作简单,术后可以早期康复训练,值得临床推广应用。     

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。     

桡骨远端钢板联合拉力钉固定治疗Sander Ⅲ型跟骨骨折的生物力学分析

提出并分析桡骨远端钢板(两点支撑)联合拉力钉固定治疗跟骨骨折的生物力学稳定性。在完整下肢骨骼-肌肉有限元模型的基础上,建立Sanders III型跟骨骨折模型并模拟固定,用桡骨远端钢板(两点支撑)联合拉力钉固定治疗骨折。评估该模型在静态站立和行走状态(足跟着地期、站立中期和推离期)的应力分布和位移情况。跟骨的应力集中于骨折端、跟骨与跟腱连接处,峰值为96.92 MPa。内固定的应力集中于钢板螺钉与载距突和跟骨结节接触位置,峰值为883.20 MPa。后关节面位移、Bohler角和Gissane's角均维持较好。桡骨远端钢板联合拉力钉固定治疗跟骨骨折具有良好的生物力学稳定性,体现微创原则,操作简单,术后可以早期康复训练,值得临床推广应用。     

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。     

足弓第2与第5跖列的肌骨系有限元模型及其临床意义

目的：建立足部内侧纵弓第2跖列与外侧纵弓第5跖列的肌骨系统有限元模型,为研究跖骨应力性骨折与相关足痛症提供生物力学工具。方法：采用中国虚拟人“女性1号”CT图像和MRI图像;应用非线性有限元方法进行生物力学分析。结果：构建了包含皮质骨、松质骨、软骨、韧带、足底腱膜、肌腱、固有肌、脂肪垫、骨髓腔与骨髓窦等10种组织的第2、第5跖列的有限元模型。足弓直立时,最大von Mises应力／应变位于第2、第5跖骨骨干与基底。各种足底软组织中,足底腱膜承担着最大张拉应力,其次为足底长韧带,足底固有肌张拉应力最小。结论：有限元预测的应力应变为研究跖骨应力性骨折,足底腱膜炎引起的慢性跟骨痛,以及足弓塌陷的发生机制提供了生物力学依据。     

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。     

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.     

Improvement in step clearance via calf muscle stimulation

The aim is to study the influence of electrically stimulated calf muscles on the effectiveness of the swinging leg movement. The study is carried out with a group of patients with incomplete spinal cord injuries both under stationary conditions and during cruth-assisted walking. Before stimulation is applied to the ankle plantar flexors, the knee extensors are inactivated. In each cycle, after ankle plantar flexor stimulation, peroneal stimulation is started, triggering the flexion reflex. From a biomechanical point of view. functional electrical stimulation (FES) of the ankle plantar flexors results in increased ground clearance of the lower extremity. Additionally, the FES-assisted lifting of the heel results in the elimination of extensor tone and thus shortens the swing time.     

个性化踝关节假体的设计及三维有限元分析

目的针对当前踝关节假体失效率高、临床应用风险大的问题,提出一种个性化解剖型踝关节假体的设计。方法首先建立正常人体足踝系统的三维有限元非线性模型,对模型的有效性进行验证;设计解剖型踝关节假体,对全踝关节假体置换进行几何仿真,建立假体-足踝系统的三维有限元模型;施加步态载荷,计算分析假体的生物力学特性。结果正常踝关节系统足底最大接触应力为214.6 k Pa,足骨最大等效应力为8.96 MPa。对比文献与仿真所得足底反力与足骨应力,验证了正常足踝有限元模型的可靠性。假体植入后,仿真所得距骨钛合金假体、聚乙烯衬垫、胫骨假体等效应力峰值分别为23.88、19.24、73.01 MPa,足踝假体应力相较正常足踝应力有大幅度上升。结论有限元分析的对比结果考察了个性化踝关节假体的可行性,为进一步假体设计优化以及临床应用提供参考。     

3-PH/R踝关节康复机器人的运动轨迹

目的 研究3-PH/R踝关节康复机器人在不同轨迹下对关节及肌肉受力的影响.方法 分析3-PH/R踝关节康复机器人的运动学原理,将机器人模型简化后导入生物力学建模软件中,以踝关节康复机器人的实际运动轨迹作为模型驱动,比较在跖背屈、内外翻和章动3种不同运动轨迹下关节和肌肉的受力情况,并对3种运动轨迹进行相关性分析.结果 章...