足踝生物力学研究及有限元模型的建立

摘要

研究背景与目的:　　 随着现代化的进行，以及人们健康观念的提高，足踝部疾病发病率逐年上升，病种也多种多样。在日常生活中，人体的负重、足部压力的缓冲、承重和步行都依赖于足部的正常生物力学特征。其中，踝关节是人体与地面接触的枢纽，行走、跳跃、跑步和登高都需要踝关节的参与，因此踝关节是最容易受到损伤的关节之一。在临床中，踝关节力学机制复杂，各种损伤后都可能打破其周围结构的力学平衡而导致不稳定，诱发创伤性关节炎。而且，足踝部结构异常除导致疼痛、畸形及活动障碍外，还可进一步影响下肢、骨盆、脊柱等力学功能的正常发挥，故对其研究具有重要临床意义。　　 人们对足踝部的研究已久，许多研究者指出生物力学因素在探求足踝部疾病的病因机制、治疗和预防等方面起到重要的作用。通常对足踝部研究多采用传统实验生物力学测试的手段，近年来随着计算机和软件的飞速发展，人们也通过各种软件对足踝部的受力进行三维仿真，为足部疾病的病因、病理以及治疗的临床研究提供了有力的帮助。人体足踝生物力学中有限元模型仿真的最大作用在于它能够量化内部组织的受力信息，包括应力/应变、相对移动、张力等，而这些信息在活体中不容易测出，但又对足踝临床医学和康复医学有重要的意义。鉴于此，有限元法已成为人体生物力学研究不可缺少的工具。　　 足踝部生物力学研究长期以来一直受到众多研究者的关注，虽然目前己经取了不少研究成果和发现，但仍有一些问题尚待解决。本研究是在总结以前研究的基础上，探讨了足支撑时期，不同跟腱力下，足底压力的分布情况和胫距关节的接触特征，并对足踝部有限元模型的有效构建方法进行探索，然后构建出了解剖结构比较精细的正常足踝部有限元模型，从而为探讨足踝部生物力学打下基础。本课题研究分以下三部分:　　 第一章，足支撑时相跟腱不同拉力负荷时足底压力的分布　　 目的：　　 探讨足支撑时相跟腱不同拉力负荷过程中足底前、后部压力分布的变化。　　 方法：　　 将6个新鲜足标本置于BOSE材料试验机上，保持足标本中立位，调整垂直压力350N不变，通过砝码分别给予跟腱0kg～80kg不同级别(ON、100N、200N、300N、400N、500N、600N、700N、800N)的拉力，分别放置两个秤在足底前、后部，记录足底前、后部在不同跟腱提拉力下的压力值。　　 结果：　　 在跟腱不同提拉力下，前足底的压力值不断增加，后足底的压力值不断的降低，前足底和后足底压力值占整个足底压力值的百分比与跟腱拉力呈线性关系(P=0.000,R2=0.996)。　　 结论：　　 本研究模拟了人活体状态下足的支撑时相，探讨了支撑期足底前、后部压力值的变化趋势，为临床上一些由于跟腱收缩紊乱引起足底压力变化而导致的疾病（如糖尿病足底溃疡、跖骨痛）提供理论基础。　　 第二章，足支撑时相跟腱不同拉力负荷时胫距关节应力分布的实验研究　　 目的：　　 探讨足支撑时相跟腱不同拉力负荷过程中胫距关节应力分布的变化。　　 方法：　　 将6个新鲜足标本置于BOSE材料试验机上，保持足标本中立位，调整垂直压力350N不变，通过砝码分别给予跟腱0kg～60kg不同级别(ON、100N、200N、300N、400N、500N、600N)的拉力，选用电子压力传感器记录不同实验状态下胫距关节接触力、接触面积、平均压力和峰值压力。　　 结果：　　 在跟腱不同提拉力下，胫距关节接触力和平均压力不断增加，胫距关节接触面积增加缓慢，峰值压力变化不大。　　 结论：　　 本研究模拟了人活体状态下足的支撑时相，探讨了支撑期不同跟腱力下胫距关节的应力变化趋势，加深对正常踝关节的生物力学的研究，为临床上踝关节相关疾病手术后的护理及功能康复提供理论基础。　　 第三章，足踝有限元模型的建立　　 目的：　　 建立足踝部骨、韧带与周围软组织的完整解剖结构的三维有限元模型，为足踝生物力学研究提供数字化平台。　　 方法：　　 对一正常青年男性的右足进行螺旋CT扫描，获取其CT图像，通过Mimics软件重建其足踝部骨骼及外围软组织的三维结构，利用FreeForm处理后导入ANSYS软件，建立足踝部三维有限元模型，并对其进行有限元网格划分。根据相关文献模拟建立踝关节软骨、韧带与小腿骨间膜。　　 结果：　　 建立了包含骨与软组织结构的正常人体右踝关节三维有限元模型。　　 结论：　　 成功建立了解剖结构完整的踝关节三维有限元模型，为足踝生物力学的数字化研究奠定了基础。

目录

摘要

前言

第一章 足支撑时相跟腱不同拉力负荷时足底压力的分布

1．1 材料与方法

1．2 结果

1．3 讨论

参考文献

第二章 足支撑时相跟腱不同拉力负荷时胫距关节应力分布的实验研究

2．1 材料与方法

2．2 结果

2．3 讨论

参考文献

第三章 足踝有限元模型的建立

3．1 材料与方法

3．2 结果

3．3 讨论

参考文献

全文总结

综述

攻读学位期间的成果

致谢

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统计学审稿证明