基于有限元法对足跟痛在推离期的生物力学研究
发布时间：2021-04-01 17:17
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。
【文章来源】：中国生物医学工程学报. 2020,39(02)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
足部骨骼-肌肉系统建模。(a)骨骼-肌肉系统几何模型;(b)骨骼-肌肉系统有限元模型
同时，采用韩国BIOMECHA公司的TPScan足底压力板对患者的足底压力进行测量，再将采集到的足底压力分布云图与下文有限元分析所得到的云图进行对比，比较二者的足底峰值应力及应力接触面积来验证模型的有效性。为了研究小腿三头肌变化对足部生物力学特性的影响，以不同组合的腓肠肌-比目鱼肌设置了21组实验方案，同时在组内使用控制变量法来分析腓肠肌或比目鱼肌对结果的影响，探讨足部生物力学特性对小腿三头肌变化的响应，进而研究足跟痛的发病机理及康复机制。2 结果
为了验证所建的下肢肌肉-骨骼有限元模型的有效性和准确性，对其施加双足正常站立时的边界载荷条件，单足的地面垂直反力为体重的50%，即320 N，小腿三头肌作用力约占足部承受载荷的75%，即240 N，其余边界条件设置与推离期的条件相同。同时，将TPScan采集到的足底应力分布云图与有限元分析所得到的进行对比，以验证模型的有效性，如图3所示。对比发现，两种方法所测得的足底压力分布大致相同，均集中在大脚趾、跖骨和足跟处。其中，足底峰值应力均出现在足跟处，有限元分析和TPScan所测得的足底峰值应力分别为0.262和0.253 MPa，略高于测量值;前足接触面积分别为2 017.3和2 097.8 mm2，略低于测量值;后足接触面积分别为3 983.7和3 863.7 mm2，略高于测量值。由此可见，有限元模型仿真计算的结果与实验得到的结果基本一致。因此，所建的下肢肌肉-骨骼有限元模型真实有效，可用于步态推离期的仿真研究。小腿三头肌肌肉力的取值范围为550～1 100 N[13-15]，以不同组合的腓肠肌-比目鱼肌设置了21组实验方案，如表3所示。同时，在组内使用控制变量法来分析腓肠肌或比目鱼肌肌肉力变化对足跟痛的影响。结果发现，随着肌肉力的增加，大脚趾区足底压力峰值逐步增加，跟骨表面出现应力集中现象，同时足底筋膜应力发生不同程度的增大。基于以上结果，探讨足部生物力学特性对小腿三头肌变化的响应，进而研究足跟痛的发病机理及康复机制。
【参考文献】：
期刊论文
[1]跑鞋与着地方式对跑步损伤的影响[J]. 张力文,马云茹,朱晓兰,刘卉. 医用生物力学. 2018(01)
[2]基于三维膝-踝-足有限元模型的足跟痛足底压力生物力学分析[J]. 章浩伟,孙洋洋,刘颖,李磊. 医用生物力学. 2017(05)
[3]Mechanical Analysis of Foot Plantar Fascia in Normal Walking Condition[J]. GU Yao-dong,LI Zhou-cheng. Chinese Journal of Biomedical Engineering. 2016(04)
[4]足部三维有限元建模方法及其生物力学应用[J]. 张明,张德文,余嘉,樊瑜波. 医用生物力学. 2007(04)
[5]步态分析的临床应用[J]. 励建安,孟殿怀. 中华物理医学与康复杂志. 2006(07)
本文编号：3113696
【文章来源】：中国生物医学工程学报. 2020,39(02)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
足部骨骼-肌肉系统建模。(a)骨骼-肌肉系统几何模型;(b)骨骼-肌肉系统有限元模型
同时，采用韩国BIOMECHA公司的TPScan足底压力板对患者的足底压力进行测量，再将采集到的足底压力分布云图与下文有限元分析所得到的云图进行对比，比较二者的足底峰值应力及应力接触面积来验证模型的有效性。为了研究小腿三头肌变化对足部生物力学特性的影响，以不同组合的腓肠肌-比目鱼肌设置了21组实验方案，同时在组内使用控制变量法来分析腓肠肌或比目鱼肌对结果的影响，探讨足部生物力学特性对小腿三头肌变化的响应，进而研究足跟痛的发病机理及康复机制。2 结果
为了验证所建的下肢肌肉-骨骼有限元模型的有效性和准确性，对其施加双足正常站立时的边界载荷条件，单足的地面垂直反力为体重的50%，即320 N，小腿三头肌作用力约占足部承受载荷的75%，即240 N，其余边界条件设置与推离期的条件相同。同时，将TPScan采集到的足底应力分布云图与有限元分析所得到的进行对比，以验证模型的有效性，如图3所示。对比发现，两种方法所测得的足底压力分布大致相同，均集中在大脚趾、跖骨和足跟处。其中，足底峰值应力均出现在足跟处，有限元分析和TPScan所测得的足底峰值应力分别为0.262和0.253 MPa，略高于测量值;前足接触面积分别为2 017.3和2 097.8 mm2，略低于测量值;后足接触面积分别为3 983.7和3 863.7 mm2，略高于测量值。由此可见，有限元模型仿真计算的结果与实验得到的结果基本一致。因此，所建的下肢肌肉-骨骼有限元模型真实有效，可用于步态推离期的仿真研究。小腿三头肌肌肉力的取值范围为550～1 100 N[13-15]，以不同组合的腓肠肌-比目鱼肌设置了21组实验方案，如表3所示。同时，在组内使用控制变量法来分析腓肠肌或比目鱼肌肌肉力变化对足跟痛的影响。结果发现，随着肌肉力的增加，大脚趾区足底压力峰值逐步增加，跟骨表面出现应力集中现象，同时足底筋膜应力发生不同程度的增大。基于以上结果，探讨足部生物力学特性对小腿三头肌变化的响应，进而研究足跟痛的发病机理及康复机制。
【参考文献】：
期刊论文
[1]跑鞋与着地方式对跑步损伤的影响[J]. 张力文,马云茹,朱晓兰,刘卉. 医用生物力学. 2018(01)
[2]基于三维膝-踝-足有限元模型的足跟痛足底压力生物力学分析[J]. 章浩伟,孙洋洋,刘颖,李磊. 医用生物力学. 2017(05)
[3]Mechanical Analysis of Foot Plantar Fascia in Normal Walking Condition[J]. GU Yao-dong,LI Zhou-cheng. Chinese Journal of Biomedical Engineering. 2016(04)
[4]足部三维有限元建模方法及其生物力学应用[J]. 张明,张德文,余嘉,樊瑜波. 医用生物力学. 2007(04)
[5]步态分析的临床应用[J]. 励建安,孟殿怀. 中华物理医学与康复杂志. 2006(07)
本文编号：3113696
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