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。     

建立足部三维有限元数字模型

背景：克服传统标本力学分析的不利因素,建立逼真的足部各结构有限元模型,是对足部进行有限元力学分析的重要基础。 目的：建立足部的三维有限元数字模型,为正常足部及足部损伤情况下的有限元力学分析打基础。 方法：对1名健康女性志愿者行双足螺旋CT扫描,将所得图像在Mimics软件中重建三维模型,在Geomagic软件中生成实体模型,最后在Ansys中建立足主要结构的三维有限元数字模型。 结果与结论：实验建立了包括全部骨骼、主要软骨和韧带、皮肤及软组织在内的人足有限元数字模型。利用CT数据及Mimics、Geomagic、Ansys软件可以建立人足全部足骨的三维有限元数字模型,该模型与实际骨骼模型大小、形态一致,并且可以随意旋转,任意角度观看,进行各种测量,可将足部骨骼任意拆分或合并,适合进行生物力学分析。 中国组织工程研究杂志出版内容重点：肾移植;肝移植;移植;心脏移植;组织移植;皮肤移植;皮瓣移植;血管移植;器官移植;组织工程全文链接：     

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。     

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。     

兔胫骨骨折的有限元模型

背景：医学生物力学有限元分析的原始资料多为人体CT数据,大范围的CT扫描势必会对人体造成一定的射线伤害。 目的：建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型。 方法：选取雄性1年龄新西兰大白兔1只,开放锯断左侧胫骨中段,MIMICS10.01软件直接读取以层厚0.625 mm对左侧胫腓骨不间断扫描得到以DICOM3.0格式刻盘保存的CT图片135张,经过定位图像、组织图片、内插值处理以及表面光滑化处理建立面网格模型,导入ANSYS10.0软件构建体并划分体网格,在MIMICS10.01中赋材质。 结果与结论：建立了外形和几何结构逼真、生物材料接近正常组织的胫骨中段骨折有限元模型,经加载分析模型真实有效。可见应用MIMICS10.01和ANSYS10.0软件能快速建立兔胫骨骨折三维有限元生物力学模型,为进一步进行实验兔骨折愈合生物力学分析奠定基础。     

足踝有限元模型的建立与初步临床应用

建立足踝部有限元模型，研究胫后肌腱功能不全（DPTT）、躅外翻与第一跖列不稳的静态生物力学变化。以螺旋CT扫描正常足部图像为资源，Matlab、Surfacer、ANSYS软件为工具，建立足部有限元模型，模拟静态直立时加载，分别分析跟骨应力应变、胫后肌腱功能不全与第一跖列失稳时的内侧纵弓关节应力应变、骨骼空间位置的的变化。静态直立负重时，跟骨与第一跖骨跖侧应力最大，其中跟骨内侧最大；胫后肌腱功能不全时，可以导致第一跖列的稳定性丧失，进而发生内侧纵弓各个关节之间应力分布、大小发生变化，第一跖骨内收、跖屈，躅趾相对于第一跖骨外展趋势增大。足踝有限元模型是分析足踝生物力学的有力工具；跟痛症的发生与应力反复作用有关；DPPT可以导致第一跖列失稳，进而引起第一跖骨内收、趾外展，与反复应力作用下的躅外翻发生发展有一定关系。     

3D打印技术在骨科矫形器中的应用

随着计算机科学和技术的快速发展,数字医学概念应运而生,数字化技术在骨科的研究和应用日趋普及。 有限元分析是一种强大且高效的模拟真实实验的数值方法,常用于研究医学中涉及的生物力学、生物材料性能以及手术模拟等问题,尤其是近几年在足踝领域的应用也越来越多。 目前,基于足踝有限元模型的生物力学分析已被广泛应用于糖尿病足、足底筋膜疾病、足踝骨折及骨性关节炎等的机制分析、假体设计、手术模拟、鞋和鞋垫设计等方向,极大提高了临床医生对足踝生物力学的认知,为足踝相关疾病的研究与诊断提供新思路。 然而,利用有限元法分析拇外翻畸形的研究相对有限。 本文概述拇外翻及继发的扁平足、跖骨痛等病变的生物力学分析和建模方法,以及该方法在临床实际应用的现状,总结其优缺点并进行展望。     

基于有限元法的数字化建模在拇外翻研究中的应用

随着计算机科学和技术的快速发展,数字医学概念应运而生,数字化技术在骨科的研究和应用日趋普及。有限元分析是一种强大且高效的模拟真实实验的数值方法,常用于研究医学中涉及的生物力学、生物材料性能以及手术模拟等问题,尤其是近几年在足踝领域的应用也越来越多。目前,基于足踝有限元模型的生物力学分析已被广泛应用于糖尿病足、足底筋膜疾病、足踝骨折及骨性关节炎等的机制分析、假体设计、手术模拟、鞋和鞋垫设计等方向,极大提高了临床医生对足踝生物力学的认知,为足踝相关疾病的研究与诊断提供新思路。然而,利用有限元法分析拇外翻畸形的研究相对有限。本文概述拇外翻及继发的扁平足、跖骨痛等病变的生物力学分析和建模方法,以及该方法在临床实际应用的现状,总结其优缺点并进行展望。     

韧带和跖腱膜在足部有限元分析中的力学作用

目前通过建立足部三维有限元系统模型进行足部生物力学仿真已经逐渐被应用,而在大多数足部三维有限元模型的静态分析中,韧带和跖腱膜等软组织是通过直接连接骨骼上相应的附着点形成的索单元来模拟,而关节软骨把相邻的骨骼直接固连在一起.这种用关节软骨固连的方式代替真实的骨骼间的滑动摩擦,增强了骨骼间的结构强度,可能会造成原本由韧带等起到维持骨骼间相互作用却完全由关节软骨代替,即在有限元模型中,可能韧带等组织对仿真不起力学作用.本文的研究目的是在双足站立、静态载荷,关节采用固连方式时,分析足部三维有限元模型中有无韧带和跖腱膜对足部各种组织应力分布以及组织结构形态变化等的影响.     

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。     

跖骨缺损及重建的有限元分析

目的 比较髂骨、肩胛骨、腓骨重建跖骨缺损的力学效果。方法 在足骨骼三维模型上模拟1～3跖骨、4～5跖骨缺损，分别采用髂骨、肩胛骨、腓骨重建。以有限元法计算得到的位移及应力作为评价指标。结果 不同跖骨缺损对残足位移及应力影响不同，1～3跖骨全缺损影响最大。髂骨重建者最大位移和最大应力小于肩胛骨、腓骨重建者。结论 多组跖骨缺损要修复，从力学角度考虑髂骨是首选的供骨。     

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。     

Biomechanical study of tarsometatarsal joint fusion using finite element analysis

Complications of surgeries in foot and ankle bring patients with severe sufferings. Sufficient understanding of the internal biomechanical information such as stress distribution, contact pressure, and deformation is critical to estimate the effectiveness of surgical treatments and avoid complications. Foot and ankle is an intricate and synergetic system, and localized intervention may alter the functions to the adjacent components. The aim of this study was to estimate biomechanical effects of the TMT joint fusion using comprehensive finite element (FE) analysis. A foot and ankle model consists of 28 bones, 72 ligaments, and plantar fascia with soft tissues embracing all the segments. Kinematic information and ground reaction force during gait were obtained from motion analysis. Three gait instants namely the first peak, second peak and mid-stance were simulated in a normal foot and a foot with TMT joint fusion. It was found that contact pressure on plantar foot increased by 0.42%, 19% and 37%, respectively after TMT fusion compared with normal foot walking. Navico-cuneiform and fifth meta-cuboid joints sustained 27% and 40% increase in contact pressure at second peak, implying potential risk of joint problems such as arthritis. Von Mises stress in the second metatarsal bone increased by 22% at midstance, making it susceptible to stress fracture. This study provides biomechanical information for understanding the possible consequences of TMT joint fusion.     

成人获得性可复性平足的生物力学研究进展

成人获得性扁平足主要由胫后肌腱功能不全引起,是足踝外科的常见病,其中以可复性平足最为多见。如何解释其发病机制并选择恰当的手术方式治疗是目前研究的热点。随着平足体外建模技术的日臻完善,生物力学试验的准确性和可重复性逐渐得到认可,其研究成果也成为临床平足治疗的重要理论依据。本文回顾了胫后肌腱功能不全导致平足的生物力学机制,及以此为基础在尸体标本和有限元模型上建立平足模型的各种不同方法,并对平足矫形相关基础研究中不同重建方法的生物力学特性进行分析比较。作者认为,在牵拉外在肌腱模拟其动力性稳定结构的前提下,采取破坏韧带等静力性稳定装置的方式建立起的可复性平足体外模型更为可靠;针对平足模型采用的各种重建方式的生物力学特性不尽相同,软组织重建应与骨性手术联合使用,而骨性手术需根据畸形程度和特点进行个性化的选择。     

内侧柱稳定手术治疗Ⅱ期成人胫后肌腱功能不全性平足的三维有限元生物力学分析

文题释义：平足内侧柱稳定手术：是指通过实施融合固定手术即融合舟楔关节或者跖楔关节,或者两者均融合来稳定足的第一跖列,恢复内侧纵弓的高度,纠正前足的旋前。 背景：平足症是足踝外科的常见病,其中Ⅱ期成人获得性平足在临床上最多见,此期的治疗最为关键。然而Ⅱ期平足内侧柱存在着不稳定,这也是造成足弓塌陷的重要原因。内侧柱稳定手术可以相当程度地纠正畸形,但是目前尚缺乏详细的生物力学实验来全面判断内侧柱稳定后对于全足带来的影响。 目的：探讨单纯内侧柱稳定手术对Ⅱ期成人获得性平足足部生物力学的影响。 方法：首先建立Ⅱa期及Ⅱb期成人获得性平足三维有限元模型,通过Geomagic软件、Solidwork软件及Abaqus软件模拟内侧柱稳定手术(舟楔关节融合､跖楔关节融合､两者均融合),将术前和术后模型模拟单倍体质量负重,比较其足底、内外侧柱骨块、内侧韧带的最大应力值,并通过测量相关参数来进行综合对比。 结果与结论：①单纯内侧柱稳定术后模拟负重时足底应力最大值均出现在第一跖骨头下方,其中Ⅱa期模型行内侧柱稳定后足底应力最大值明显增加,Ⅱb期模型内侧柱稳定后足底应力变化不明显;②内侧柱融合后相应关节的应力有所减轻,但对于第一跖列的其他关节应力反而增加了;③内侧柱融合后对于内侧韧带及足底筋膜的应力均没有减轻作用;④结果表明,单纯内侧柱稳定手术并不能降低Ⅱ期成人获得性平足内侧柱的压力,它仅可以作为联合使用的手术来稳定过度活动的关节以及纠正前足旋后畸形。 ORCID: 0000-0002-8230-1151(刘付胜华) 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     

无症状扁平足与正常足的足底压力和足弓形态对比研究

目的　通过与正常足青年女性对比分析得出无症状扁平足足底压力和足弓形态的特征。 方法　利用Zebris足底压力测量仪对正常足组（12例）和扁平足组（12例）进行直立状态和行走状态下的足底压力测试,并拍摄其负重位和非负重位的侧位X线片进行足弓形态测量,测量数据进行统计学分析。 结果 双足直立时,扁平足组与正常足组的足底压力差异无显著意义（P>0.05）;单足直立时,扁平足组的前足负重比例增大;步行时,扁平足组与正常足组足底压力中心运动轨迹有明显区别。扁平足组负重位与非负重位的足弓形态各参数有显著差异（P<0.05）,而且扁平足组负重位与正常足组负重位的足弓形态有显著差异（P<0.05）。 结论 无症状扁平足单足直立和行走状态的足底压力和足弓形态与正常足相比有明显区别,为评价、诊断和预防无症状扁平足提供定量化数据。