足部有限元分析与研究

随着科学技术的进步、试验条件的更新，有限元方法因为具有高度仿真的数据模拟分析功能，并能够在静态及动态不同状态下对物体进行模拟仿真研究，不受到几何复杂程度、材料参数等因素的影响，该方法已经越来越多的被应用到足部结构的研究中，为足部矫形器的设计提供重要参考依据。越来越多的实验者借助有限元分析技术来模拟扁平足患者静止站立时足部应力情况，并通过计算机辅助设计技术与3D 打印技术结合验证了定制扁平足矫形鞋垫的可行性。Nakamura最早在1981 年，将计算机仿真分析技术运用到了脚部受力的计算分析中，根据有限元分析足部受力的不同情况，使用计算机创立了一个理想化的鞋垫假想模型。Jaco 等在研究中建立了足部包括内、外侧足弓结构的中立位足部有限元结构模型，并计算得到了足部压力的具体分布。Mitra 与 Tami通过采用优化的计算方法，构建简单的足部解剖几何模型，计算了在静止状态下，人的重力作用在跟骨上时足底应力的大小与分布。Patil等人进一步借助平面二维足部骨架，同时考虑足部软骨和韧带等软组织弹性的特征，通过分析获取了人在行走的状态下足部压力的分布，他的研究创新性的提出考虑足部软组织弹性的概念，考虑到了脚内部的受力情况。Lemmon等人在研究中考虑到鞋垫厚度对足底压力的影响，利用计算机技术模拟分析了不同鞋垫厚度对人类足部第二跖骨的压力特征变化，并在设计鞋垫厚度时将其承受压力作为重要的参考依据。Bandak等创建了一个较为详细的足部三维有限元模型，该模型中，使用了六面体网格划分，模型包括足部骨骼、肌肉组织、关节结构、足底筋膜组织以及足部韧带等，用于计算分析足部底面受到轴向冲击时的情况，该实验数据也已通过了其他学者研究论证。进入20 世纪以来，随着医学影像技术及图像可视化技术的快速发展，张明在考虑了材料的非线性、摩擦等前提下，基于磁共振成像（Magnetic resonance imaging，MRI）重建足部三维有限元模型，通过分析预测足底压力分布及足内部骨骼、软组织应力、应变情况，验证了临床试验中矫形鞋垫的形状比鞋垫的硬度对于降低足底压力的效果更加显著的结论。进一步的，孙波采用CT 图像建立足部三维复合模型，对一个连续的步态周期中不同时期步态下足部结构的应力应变情况进行研究分析。Chen基于医学影像创立人体足部三维有限元模型，根据步态实验的测试结果设定该模型的边界条件，并进行了足部从中立位置到离开地面位置的有限元模拟分析。但是在仿真过程中，Chen 通过固定足部模型，赋予刚性支撑地板来模拟和设定足部运动的边界条件，这在一定程度上不同于人体足部的运动行为。

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