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高跟鞋與足部跖間應力的有限元分析

發布于:2024-01-25 19:31
有限元分析

      當今都市社會,高跟鞋已成為女性必不可少的時尚裝備,然而穿著高跟鞋所引起的跖間神經瘤已成為女性足部的常見疾病之一,極大危害了女性足部健康。Thomson等報道,中年女性跖間神經瘤的發病率較中年男性甚至超過10倍。早在1876年有關跖間神經瘤疾病的臨床表現就已有報道,隨后的研究發現其發病機制與足部長期的異常生物力學有很大關系,穿高跟鞋和過緊的鞋被認為是導致跖間神經瘤發生的主要原因之一,但其確切的誘發機制以及跖間神經瘤為何總是高發于第3、4跖骨間尚不明確,導致醫生在臨床治療中對于是否松解跖間深橫韌帶、如何確定切除趾底總神經的起始點等無法做出準確預判。有限元分析是一種有效的力學定量研究手段,已經廣泛應用于肌骨系統生物力學特性研究。
      本課題組在前期建立的三維足-踝-鞋計算生物力學平臺基礎上,模擬分析穿高跟鞋平衡站立和行走時高跟鞋對前足內部跖間區域軟組織應力的改變情況,定量分析足部異常生物力學誘發跖間神經瘤的機制。
      基于1名無任何足部疾病女性志愿者(身高165cm,體重54kg,年齡28歲),取右足在無負重時正中位進行MR冠狀面斷層掃描,獲得層厚1mm的圖像序列。結合解剖學知識,通過三維醫學圖像重建軟件Mimics14.1分割并重建足部各個主要部分,其中包含28塊骨骼、78根韌帶和5列足底筋膜、9條肌肉及足部外圍軟組織。再導入SolidWorks2003軟件進行三維重建,最后導入有限元分析軟件ABAQUS建立有限元模型。通過鞋設計軟件ShoeCAD(Excel-Last公司,香港)設計高跟鞋實體模型,分別建立0、2.54、5.08、7.62cm[0、1、2、3″(英寸)]4種跟高高跟鞋足底支撐模型。足-踝-鞋有限元模型如圖所示。相關的足踝和高跟鞋有限元模型材料屬性見表。
      該足-踝-鞋計算模型平臺在脛骨和腓骨遠端完全約束,鞋底有地板模擬地面支撐。首先,分別模擬平衡站立于0、2.54、5.08、7.62cm的高跟足底支撐上,根據參數分析反推,于跟腱處分別施加75%、65%、80%和160%的半體重力(270N),模擬站立重心與實驗志愿者足底壓力中心一致。對于穿高跟鞋行走的情況,先建立鞋與足的接觸,然后根據實際情況施加跟腱力和其他8條外肌肉,驅動模型行走運動。角度參數通過采集的志愿者步態分析數據獲得,肌肉力大小根據肌肉的生理橫截面積和標準化的肌電信號數據計算獲得,地面垂直反作用力分別取支撐相3個典型步態周期時刻,包括后跟著地期(29%)、站立中期(57%)和蹬地期(73%)。圖2所示為志愿者步態實驗中地面垂直反作用力隨著步態周期的變化曲線。
      處于平衡站立時,穿4種不同跟高高跟鞋足部跖間應力分布曲線如圖3所示。跟高越高,跖間應力越大,即跟高和跖間應力呈現正相關。其中,穿跟高0、2.54、5.08、7.62cm高跟鞋時第3、4趾間的應力分別為17、23、32、53kPa,是各跖間中最大的,而第4、5趾間的應力與穿同跟高高跟鞋時其他趾間應力相比為最小。
      穿5.08cm高跟鞋行走時步態周期下的趾間應力通過上述足-踝-鞋有限元模型對穿跟高為5.08cm高跟鞋行走時的步態周期進行模擬,得到足部跖間應力分布曲線。在一個步態周期內,從后跟著地到蹬地期,各跖間應力都呈現出上升的態勢,特別是3、4趾間在后跟著地期、站立中期、蹬地期的應力分別為31、66、90kPa,都遠高于同期其他跖間的應力值。圖穿5.08cm高跟鞋行走時步態周期下各趾間組織應力。


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