1、在我國,特別是近些年,隨著經濟的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,人們對于如何更好地提高自身生命質量的要求更加強烈。人體生物力學研究正是從力學的角度來研究人體的生物學相關理論和運動機理,從而為臨床醫(yī)學和康復醫(yī)學的發(fā)展提供有力的理論指導和幫助。本研究所的“中國力學虛擬人”項目是國家自然科學基金2006年批準立項的重點項目(30530230),其研究目標是建立一個中國標準的人體的“骨骼-肌肉-韌帶”生物力學系統(tǒng),進行人體局部和整體的靜力學、

2、運動學和動力學研究,從而解決醫(yī)學上出現(xiàn)的相關生物力學問題。
　　 本論文的研究內容是“中國力學虛擬人”項目中的子課題之一:人體足踝骨肌系統(tǒng)建模與相關力學問題研究；同時本課題也是我所與復旦大學附屬華山醫(yī)院足踝外科、英國Salford大學人類功能康復研究中心(CRHPR)建立的國際合作項目,并得到了英國皇家學會(UK Royal Society)的項目支持(Grant:IPJ/2006/R3)。
　　 力學解剖結構上,足踝部

3、不僅包括26塊骨骼,而且骨骼結構與錯綜復雜的韌帶、跖腱膜、肌肉肌腱等軟組織形成了穩(wěn)定的關節(jié)結構和足弓結構；在功能上,足踝起到支撐承重、吸收震蕩、傳遞運動和杠桿平衡等作用,是人類直立行走的基本保證。然而現(xiàn)實生活和臨床醫(yī)療中,足踝的生物力學研究未得到應有的重視,目前隨著人們對足踝認識的不斷深入,其重要性也逐漸顯現(xiàn)出來。在人體生物力學研究領域中,足部生物力學研究正是隨著足外科的發(fā)展在近些年內漸漸興起,主要由于以下幾方面因素:首先,從臨床角度來

4、說,隨著各種足部疾病發(fā)病率不斷上升,如糖尿病并發(fā)癥糖尿病足、()外翻足、老年跟痛足等,醫(yī)學工作者迫切地需要知道這些足部病理現(xiàn)象的因為和科學的治療方法；再者,從市場角度來說,各種功能鞋、矯形器和運動鞋有著很大的消費市場,患者與消費者往往要求這類鞋具、支具有特殊功能、穿著舒適并具有保護作用；最后,從技術角度來說,各種測量技術和計算機軟硬件的快速發(fā)展為足部生物力學研究提供了必要條件,包括運動捕捉系統(tǒng)、壓力平臺、鞋內壓力傳感器、超聲波測量、CT

5、和MRI三維掃描技術、各種逆向工程反求軟件以及有限元分析軟件等等。本論文正是基于以上背景進行人體足踝系統(tǒng)的建模仿真和相關實驗測量的研究,主要內容包括以下幾個方面:
　　 (1)基于健康人體的足踝三維MRI掃描數(shù)據(jù),建立了三種常見姿態(tài)(背屈狀態(tài)、平衡站立姿態(tài)和后跟提起姿態(tài))下足踝三維幾何實體模型與有限元模型,這三組模型中均包含了足部全部骨骼以及組成踝關節(jié)的脛骨和腓骨末端部分、韌帶和跖腱膜、關節(jié)軟骨和外部軟組織結構等的詳細幾何信息,

6、數(shù)據(jù)完整、解剖相似性高,并對這三種姿態(tài)的幾何與有限元模型中的數(shù)據(jù)信息進行了模塊化的處理和管理,模型中建立的各模塊化組織結構可獨立使用,且二次改建的可行性高。
　　 (2)為了給足踝模型仿真分析提供必要的依據(jù)和信息,我們以健康的足踝為研究對象,對行走、站立和跳躍狀態(tài)下的足踩受力狀態(tài)進行了測量與分析。其中,以每分鐘行走的步數(shù)這一頻域指標作為基本參數(shù),測量了不同步速行走時站立相中足底反力情況,通過統(tǒng)計分析和回歸分析量化了步態(tài)中的一些關

7、注的力學參數(shù)值,以及它們與步速、體重和身高的關系；此外還測量了四條淺層足外在肌(脛骨前肌、腓骨長肌、比目魚肌和腓腸肌)在不同運動狀態(tài)(正常步行、跳躍狀態(tài)以及雙足平衡站立時重心前移情況)下表面肌電信號,從而定性地研究和分析了它們在這些運動過程中肌力發(fā)力情況。
　　 (3)以平衡站立姿態(tài)下的足踝有限元模型為例,對模型進行了詳細的論證和驗證工作。針對模型中的幾何結構的簡化和假設、單元選擇、關節(jié)接觸問題處理、材料屬性確定等內容進行了詳細

8、的分析比較和論證,解決了一些關鍵性的技術問題；此外還設計了活體實驗驗證方案,將足底反力、足底壓力分布和足部垂直壓縮變形這三項指標同步采集,用以比較足踝有限元模型預測的相應結果,從而驗證了足踝模型的有效性和正確性。此足踝模型的活體驗證方案將當前幾種常用的足踝研究測量方法有效的結合在一起,對人體沒有任何傷害性。同時基于以上被驗證的模型,開發(fā)了一個人體足踝模型仿真軟件,整個軟件由幾何模型、有限元模型、原始數(shù)據(jù)、相關參數(shù)與基本算例五部分組成,將

9、以上建立的足踝幾何模型和有限元模型整體模型、各骨骼的獨立模型以不同的數(shù)據(jù)格式提供給用戶,為研究人員和醫(yī)學工作者提供一個足踝模型仿真分析平臺；同時附上了原始MRI掃描數(shù)據(jù)、足踝模型中的相關參數(shù)和一個典型站立姿態(tài)下的算例介紹；此足踝模型軟件正在注冊中,屬于國內外足踝有限元仿真的首個軟件。
　　 (4)對行走步態(tài)中的三個典型姿態(tài)(后跟著地、站立中相與后跟離地)進行了準靜態(tài)有限元模擬,仿真計算中考慮了不同姿態(tài)下足踝外在肌的肌力作用:仿真

10、結果與實驗測量結果(足底壓力和足底反力)一致性高,同時結果量化了這三個姿態(tài)下足踝內外部組織結構的受力信息,包括骨組織上的應力應變分布和軟組織受力狀態(tài)的變化等,這為全面認識行走步態(tài)中足踝內部的受力情況提供了重要的參考。
　　 (5)采用此足踝有限元模型研究和分析了足踝結構中兩個基礎力學問題:一是分別模擬了站立載荷下跖腱膜、彈簧韌帶、足底長韌帶和短韌帶獨立釋放后的情況,與健康狀態(tài)下同樣站立載荷時的模型預測結果進行了多方面的比較,量化

11、了它們在維持足弓靜態(tài)穩(wěn)定性中所起的相對力學作用；二是通過模擬站立位下足底載荷分布變化情況,定量地分析了跖骨的應力應變的分布變化情況,從而增加對跖骨生物力學的認識,并據(jù)此對四外翻矯形手術方案的要求提出理論支持。
　　 (6)對健康年青測試者、健康年長測試者和Ⅱ型糖尿病患者三組人群進行正常行走步態(tài)下足底壓力分布測量和統(tǒng)計分析；同時通過改建前面建立的足踝有限元模型,分別對以上三組人群足底軟組織受力狀態(tài)進行了計算仿真,分析了足底軟組織層

12、屬性改變對足踝內部的受力影響。通過測量與仿真,對不同測量人群的足底軟組織的外部受力情況和內部受力狀態(tài)進行了比較,得到了正常人和糖尿病患者足部受力的差異,為預防糖尿病患者發(fā)生足部潰瘍提供有用的力學信息。
　　 總之,本文以足踝三維有限元建模和分析為中心,同時將實驗測量與臨床問題結合起來。文中建立的三種典型姿態(tài)下足踝肌骨系統(tǒng)的三維幾何和有限元模塊化的模型,為人體足踝系統(tǒng)生物力學研究提供了一個分析平臺,可以應用于足踝基礎生物力學研究,