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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

具有分区域梯度硬度结构的定制减压鞋垫设计

目的针对高弓足等有足底减压需求的人群,设计一种具有分区域梯度硬度的定制化鞋垫。方法设计一种功能梯度结构,应用于定制化鞋垫,使鞋垫不同区域具有梯度变换趋势的硬度特征。通过力学试验,研究结构单元参数和模量之间的关系。采集志愿者足部几何形状和足底压力分布数据,根据压力等高线对足底区域进行划分,以此组装结构单元。设计4种定制化鞋垫:普通平板鞋垫、优化平板鞋垫、普通全接触鞋垫、优化全接触鞋垫。通过熔融沉积成型(fused deposition modeling,FDM)打印,再进行足底压力测试实验,验证分区域的优化设计。结果所设计的鞋垫可使高弓足测试者足部峰值压力在静态站立、步态状态下分别降低52.8%、18.43%。结论该方法可用于设计定制鞋垫,如针对糖尿病足、高弓足的功能鞋垫,提供更好的减压功能。研究结果为临床保守治疗有减压需求的足部疾病提供参考。     

基于生物力学有限元法的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。     

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。     

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.     

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.     

Comparison of the Forefoot Pressure-Relieving Effects of Foot Orthoses

PurposeMetatarsal pads are prescribed to decrease forefoot plantar pressure. However, the appropriate metatarsal pad placement location remains a debated issue. We aimed to identify the most effective insole design that reduces forefoot plantar pressure and determine the optimal position for metatarsal pad placement.Materials and MethodsWe recruited 16 healthy adult volunteers, and measured their plantar pressure data during walking while using an in-shoe system. The volunteers were randomly assigned to one of four insole conditions: 1/16-inch insole (i.e., control), 1/4-inch soft plastazote (SP) flat insole, metatarsal pad positioned proximal to the metatarsal head (MTH) on the control insole (P0), and metatarsal pad positioned 10 mm distal from the proximal border of the MTH on the control insole (P10). A masking protocol was created by dividing the forefoot into three subareas, distal to the MTH (dMTH), beneath to the MTH (bMTH), and proximal to the MTH (pMTH). The participants reported their comfort level for each insole using a visual analog scale.ResultsThe SP flat insole and metatarsal pads both had a forefoot plantar pressure-reducing effect and provided insole comfort. Of the three insole designs, the SP flat insole was the most effective. No clear difference existed in efficacy in terms of the location of the metatarsal pad placement.ConclusionConsidering the possibility of discomfort caused by improper metatarsal pad placement, the SP that increases shock absorption may be more clinically useful.