基于有限元模型分析不同蹬冰角度足踝部应力分布差异

目的 模拟仿真不同蹬冰角度足踝部的应力,通过优化分析得到合理的蹬冰角度与足踝部应力的定量关系。 方法 建立冰球鞋-足踝耦合有限元模型,三维拍摄获取冰球运动员的运动学参数进行模型验证与约束,计算对比 分析不同角度蹬冰动作的足踝部应力,构建多目标优化函数模型。 结果 在相同蹬冰角度下,胫腓骨应力最大,距 下关节应力次之,第 1 跖趾关节应力较小,足底筋膜应力最小。 随着蹬冰角度的减小,足踝部应力单调递增,胫腓 骨和足底筋膜应力变化幅度大,距下关节和第 1 跖趾关节应力变化幅度较小。 结论 在冰球运动启动阶段蹬冰过 程中,蹬冰角度与足踝不同部位应力呈反比例关系。 最佳蹬冰角度取决于对滑冰速度的期待值,如果给定速度与 应力承受之间的偏好系数,可通过优化方法计算出最优蹬冰角度。     

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。     

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。     

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。     

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。     

汽车正面碰撞司乘人员足踝创伤研究进展

道路交通创伤已经成为严重的社会问题。随着技术、法规和安全意识的进步,颅脑和胸部等致命创伤有下降的趋势,但是目前尚无有效的防护措施预防司乘人员足踝创伤的发生。通过综述近年来该领域的研究进展,发现大多数司乘人员足踝创伤发生在正面碰撞事故中,司机发生足踝创伤的概率更大,可能与刹车制动足踝特殊受力有直接关系;对于正面碰撞的分型在学术界尚存争议,但是狭窄障碍物正面碰撞所引起的足踝创伤问题已经得到较为统一认识,而对不同形式撞击时足踝创伤的发生和防护机制尚无相关研究。在这一问题的研究中,离体实验和计算模型分析相结合是一种理想的研究手段     

有限元方法在脊柱生物力学中的应用研究

有限元分析可对形态、结构、材料和载荷情况及复杂的构件进行应力、应变分析,具有力学性能测试全面、可重复性等优点,目前广泛应用于脊柱复杂结构的生物力学研究中。文章简单介绍了有限元的概念、原理和建模方法,主要从腰椎、颈椎、内固定器械和术式选择上阐述了有限元在脊柱上应用。     

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。     

足部结构有限元模型的建立与应用

BACKGROUND: The finite element analysis used to study the biomechanical properties of foot structure contributes to overcome the disadvantages of traditional mechanical analysis of specimens. OBJECTIVE:To summarize some representative finite element models of the foot and review the establishment methods of finite element models of the foot with biomechanical properties. METHODS: A computer-based online search was conducted in CNKI, Wanfang and PubMed databases by using the key words of “finite element model, biomechanic, foot structure” from 1999 to 2015. The language was limited to both Chinese and English. Establishment methods of finite element models of the foot structure containing obtaining of model establishment data, establishment of solid model, setting methods of properties of model materials. The application of finite element analysis of the foot structure in sports biomechanics and medical orthotics was summarized to point the characteristics and disadvantages of finite element analysis application in biomechanics. RESULTS AND CONCLUSION: An increasing number of studies on foot biomechanics provide the platform for finite element analysis of the foot applied in biomechanical analysis. Many key technologies, including self-adaption image segmentation method, hexahedron grid product method and establishment of finite element models with various materials have to be utilized to converse the medical images into digital models of finite element analysis during establishment of finite element models. Results of model establishment may be affected by limitation conditions, accuracy of image collection, calculation results of finite element analysis. The reliability of finite element models can be increased by modify technologies and verification methods. 中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建;骨细胞;软骨细胞;细胞培养;成纤维细胞;血管内皮细胞;骨质疏松;组织工程     

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。     

高跟鞋与足部跖间应力关系的有限元分析

目的研究穿着高跟鞋时前足跖间组织的应力变化,为跖间神经瘤诱发机制的定量分析和相应治疗方案提供参考。方法通过已验证的足-踝-高跟鞋有限元模型平台,分析足部在0、2.54、5.08、7.62 cm[0、1、2、3″(英寸)]4种不同跟高高跟鞋平衡站立以及穿5.08 cm跟高高跟鞋行走时步态周期内的跖间组织应力大小及趋势。结果随着鞋跟高度的增加,跖间组织应力明显增加,穿7.62 cm跟高高跟鞋时第3、4跖间组织受力是穿平跟鞋的312%。穿5.08 cm跟高高跟鞋行走时,在蹬地期第3、4跖间组织的受力最大,达到90 k Pa,与临床最常见的跖间神经瘤发病部位相符。结论穿着高跟鞋明显增加跖间组织的应力,鞋面横向挤压导致第3、4跖间组织受力最大,最容易导致跖间神经瘤的发生。     

高跟鞋与足部跖间应力关系的有限元分析

目的 研究穿着高跟鞋时前足跖间组织的应力变化,为跖间神经瘤诱发机制的定量分析和相应治疗方案提供参考。方法 通过已验证的足-踝-高跟鞋有限元模型平台,分析足部在0、2.54、5.08、7.62 cm［0、1、2、3″（英寸）］4种不同跟高高跟鞋平衡站立以及穿5.08 cm跟高高跟鞋行走时步态周期内的跖间组织应力大小及趋势。结果 随着鞋跟高度的增加,跖间组织应力明显增加,穿7.62 cm跟高高跟鞋时第3、4跖间组织受力是穿平跟鞋的312%。穿5.08 cm跟高高跟鞋行走时,在蹬地期第3、4跖间组织的受力最大,达到90 kPa,与临床最常见的跖间神经瘤发病部位相符。结论 穿着高跟鞋明显增加跖间组织的应力,鞋面横向挤压导致第3、4跖间组织受力最大,最容易导致跖间神经瘤的发生。     

高跟鞋与足部跖间应力关系的有限元分析

目的 研究穿着高跟鞋时前足跖间组织的应力变化,为跖间神经瘤诱发机制的定量分析和相应治疗方案提供参考。方法 通过已验证的足-踝-高跟鞋有限元模型平台,分析足部在0、2.54、5.08、7.62 cm［0、1、2、3″（英寸）］4种不同跟高高跟鞋平衡站立以及穿5.08 cm跟高高跟鞋行走时步态周期内的跖间组织应力大小及趋势。结果 随着鞋跟高度的增加,跖间组织应力明显增加,穿7.62 cm跟高高跟鞋时第3、4跖间组织受力是穿平跟鞋的312%。穿5.08 cm跟高高跟鞋行走时,在蹬地期第3、4跖间组织的受力最大,达到90 kPa,与临床最常见的跖间神经瘤发病部位相符。结论 穿着高跟鞋明显增加跖间组织的应力,鞋面横向挤压导致第3、4跖间组织受力最大,最容易导致跖间神经瘤的发生。     

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。     

跟骨内翻畸形对踝关节应力变化三维有限元分析

目的通过踝关节三维有限元模型的建立,模拟正常负重应力状态下随着跟骨内翻角度的增大,对踝关节的损伤模式的变化。方法取一名28岁男性志愿者,基于踝关节CT的数据建立包括骨骼、软组织和关节囊,考虑材料的非线性和关节接触的踝关节的三维有限元模型。采用统一的模型和方法,志愿者人体重量为60 kg,单腿站立,总加力600 N,垂直朝下,跟踪跟骨内翻角度从4~°、8~°、11~°、14~°的变化共四种情况力学表征形式,关注对踝关节应力分布的影响进行对比分析。应用有限元分析软件(Abaqus6 v6.14,DS System公司,法国)。结果踝关节应力集中区域在内踝与对应距骨关节面的凹陷区域,其次是外侧。距骨应力集中区域在距骨顶与内踝接触位置的区域,其次是外侧。我们发现4种情况下分析结果显示趋势一致,符合线性力学分析基本规律。结论跟骨内翻畸形负重应力集中固定在内踝、距骨接触位置,随着跟骨内翻畸形角度的增大,局部所承载的应力负荷增大,成正相关。跟骨手术治疗时跟骨内翻角变异应控制在患者跟骨生理内翻角+2°内。