论文部分内容阅读
目的构建符合足踝特点的全足三维有限元模型,并进行应力分析,模拟全足在步态过程中后足踩地过程,以此探究前踝多发撞击的生物力学机制。方法1、对1名男性志愿者(年龄26岁,身高170cm,体重60kg)采用64排CT扫描仪(西门子公司)进行右踝关节扫描,通过询问志愿者以往的病史并对其进行相关检查,排除志愿者存在踝关节损伤、肿瘤、畸形等病史。在中立位无负重状态下,基于踝关节解剖结构,利用三维处理软件Mimics,Hypermesh,Abaqus等构建包括骨与足周围软组织及关节韧带的全足三维有限元模型。2、构建中立位全足三维模型,依据Gefen.A的足踝步态分析方法结果,在坐标系中先将整个模型在失状位上逆时针旋转30o,再构建出地面,整个全足模型即与地面形成30o,形成前足着地,后足抬起30o的状态,然后在胫腓骨截面上施加重力(方向垂直地面,大小为600N),模拟后足踩地的动态过程,研究前踝在后足踩落地过程中的应力分布及位移情况,探讨落地相中多发前踝撞击的发生机制。对所构建出的全足三维有限元模型,通过与既往国外有限元全足模型结果数据相对比,验证本实验中有限元模型的准确有效性。结果1、全足数字化三维有限元模型的建立;本研究基于一名男性志愿者足踝CT图像数据,建立了包含28块骨性结构、56条韧带及足周围软组织的全足有限元模型,共219599个节点,938845个单元。2、从有限元模型分析结果可知:在后足踩地的过程中,踝关节的应力值和位移量不断增大,当模型与地面为30o时,踝关节应力峰值为0.058MPa,位移峰值为0.5633mm;当模型与地面为25o时,踝关节应力峰值为0.085MPa,位移峰值为0.7359mm;当模型与地面为20o时,踝关节应力峰值为0.116MPa,位移峰值为0.9486mm;当模型与地面为15o时,踝关节应力峰值为0.152MPa,位移峰值为1.1703mm;当模型与地面为10o时,踝关节应力峰值为0.188MPa,位移峰值为1.3981mm;当模型与地面为0o时,踝关节应力峰值为0.225MPa,位移峰值为1.6255mm。踝关节的应力峰值始终位于前踝外侧,并且不断增加,从0.085MPa增加到0.225MPa,前踝位移量也在不断地增加,从0.563mm增加到1.6255mm。结论1、本研究所构建的全足三维有限元模型准确、完整,模型的仿真性好,能够较完整的体现足踝部复杂的三维信息。2、在正常的落地过程中,踝关节的前侧始终有最大的应力和位移量,因此最容易发生撞击。