人体足踝部有限元模型的建立及有效性分析

摘要

背景:传统的足踝部生物力学研究有其局限性,本文介绍一种足踝部有限元建模方法,使其具有高度的几何相似及物理相似。目的:探讨建立足踝部有限元模型的方法,为生物力学研究提供数字化仿真平台。方法:通过CT扫描1名男性志愿者踝关节获取足踝部影像学资料,将其输入Mimics软件重建骨骼和韧带,通过Geo-magic处理并生成关节软骨后导入Ansys的Workbench模块,建立足踝部有限元模型,参考相关文献确定材料属性,划分网格,设置边界条件,模拟踝关节正常站立状态下受力,进行加载分析。结果:本研究建立了一个包含骨、软骨及韧带的足踝部有限元模型,相对客观地反映了人体足踝部的基本解剖结构和力学特性。模拟人体站立状态垂直加载600N载荷于胫、腓骨下端的上截面,踝关节胫骨下关节面的接触应力主要分布在中部及前外侧,最大接触应力为3.74MPa,接触面积为335.5mm2。踝关节周围四条主要韧带的位移(拉伸长度)中:胫跟韧带>胫舟韧带>跟腓韧带>下胫腓联合前韧带。结论:本研究所建立的人体足踝部有限元模型经验证结果可靠,可进一步用于足踝部生物力学研究。