足部三维有限元建模及其多姿态生物力学分析

• 作者: 张雷蕾 王盟圣 徐大伟 黄鸿 杨永泰
• 来源期刊: 中国组织工程研究
• 关键词: 足部模型 有限元分析 着地方式 生物力学 损伤机制
• 年，卷（期）: 2021,（30）
• 所属期刊栏目: 骨与关节生物力学|Bone and joint biomechanics
• 页码范围: 4799-4804
• 页数: 6页
• 分类号: R459.9|R318|O242.21
• 语种: 中文

摘要

背景:足部的生物力学特性和损伤机制一直是医生、运动科学研究人员重点关注的问题,而三维有限元分析已成为生物力学行为数值模拟的有效技术手段.目的:建立有效的足部有限元分析模型,分析足部不同着地姿态的生物力学特性.方法:采集1例健康成年男性的足部CT图像,用Mimics软件进行阈值分割得到三维点云数据,运用Geomagic软件进行模型的点云处理和优化,得到光滑的足部3D几何模型.再将几何模型导入Hypermesh软件完成有限元前处理工作,最后利用Abaqus软件进行求解计算.将仿真结果与足底压力测试结果进行对比,验证模型的有效性,再根据仿真得到的内部应力分布结果对足部多姿态生物力学特性进行分析.结果 与结论:①提出的网格质量控制办法提高了有限元分析前处理划分的网格质量;在未显著提高计算成本的情况下,很好地解决了有限元分析模型不收敛的问题;②对足部不同姿态进行仿真分析发现:前掌先着地时,足部负荷集中于前掌,导致跖骨应力和足底筋膜受力增加,容易引起跖骨和足底筋膜的损伤;足跟先着地时,足部负荷集中于后跟,跟骨应力增加,加大了足跟痛和膝盖损伤的风险.③因此在运动过程中应避免长时间和高负荷的重复刺激,特别是已有相关疾患的人群更应该避开加重病情的运动方式.