足踝矯形器的計算生物力學研究

足踝矯形器對人體的生物力學影響大多基于實驗測量，如步態(tài)分析、物理測量、醫(yī)學影像、尸體實驗、組織力學性能測量、界面參數(shù)測量等。但足踝矯形器對人體組織的應(yīng)力分布的影響以及足踝矯形器自身的生物力學特性與矯形器設(shè)計直接相關(guān)，且通過以上研究手段難以獲取數(shù)據(jù)。因此，計算生物力學方法被廣泛用于足踝矯形器的生物力學研究，評估難以物理測量或者參數(shù)分析時間相應(yīng)周期過長的生物力學因素，用以輔助矯形器的制造或者優(yōu)化設(shè)計。計算分析可以對足踝矯形器受力、足踝受力以及矯形器與足踝接觸界面的應(yīng)力分布進行定量分析。對制造材料及形狀等設(shè)計因素進行參數(shù)分析可以無需通過制造測試而快速得到結(jié)果相應(yīng)。

計算生物力學分析方法在足踝矯形器的設(shè)計中評估參數(shù)一般包含足底應(yīng)力分布，足踝軟組織及關(guān)節(jié)受力以及矯形器變形和應(yīng)力分布，例如觀測矯形器厚度和剛度對足底應(yīng)力分布以及足底軟組織受力的影響。有研究基于有限元分析方法對糖尿病足矯形器進行優(yōu)化設(shè)計時，分析了足底筋膜區(qū)域以及后跟區(qū)域足底軟組織的應(yīng)力分布，并發(fā)現(xiàn)矯形器側(cè)邊與足踝接觸間隙顯著影響足底軟組織的應(yīng)力分布。不同的生物力學參數(shù)對設(shè)計的影響作用不同，矯形器表面形狀對足底應(yīng)力分布影響最大，其次是矯形器材料剛度。有研究利用足踝及矯形器有限元模型進行分析發(fā)現(xiàn)全接觸鞋墊可以降低足跟、跖骨頭區(qū)域的最大應(yīng)力值，但增加了中足區(qū)域和大拇趾區(qū)域的足底應(yīng)力。

熱塑性 AFO 存在的一個普遍問題是應(yīng)力破壞，早在 1995 年就有研究利用有限元模擬方法分析了AFO使用狀態(tài)下的應(yīng)力分布，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)包括脖頸區(qū)、足跟區(qū)以及小腿外側(cè)區(qū)，但最高應(yīng)力發(fā)生在脖頸區(qū)。在特定區(qū)域加強設(shè)計可以預(yù)防斷裂，為了確定加強區(qū)域及評估加強效果有研究建立了 AFO 有限元模型并模擬步態(tài)支撐期，對比了不同加強方法下AFO的最大拉應(yīng)力和變形。佩戴 AFO 會導(dǎo)致局部區(qū)域體感過熱或出汗問題，改換設(shè)計材料時利用有限元模型分析對比不同設(shè)計的變形及應(yīng)力，可以保證其生物力學功效不會降低。為了降低足底應(yīng)力，需要找出最優(yōu)化的厚度和材料組合，改變有限元模型中 AFO 不同層的厚度和材料，分析對足部軟組織和骨頭傳遞的拉力的影響作用，可以找出優(yōu)化的 AFO 設(shè)計明顯改善前中后足的應(yīng)力分布，也因此改善 AFO 佩戴下的步態(tài)。 因為對模型調(diào)整修改的快速響應(yīng)以及對難以測量參數(shù)分析的便利性，有限元分析已經(jīng)作為一個重要環(huán)節(jié)在AFO制造過程中得以廣泛應(yīng)用。

足踝是人體運動和承重的最主要部分，其損傷或病變直接影響人體的基本運動功能。足踝矯形器是以非手術(shù)方法輔助加強足踝功能、緩解疼痛的有效干預(yù)手段，與此同時也會對改變足踝、下肢甚至脊柱的功能或造成繼發(fā)傷害。因此大量研究評估了足踝矯形器對足踝、下肢及以上部分的生物力學影響。這些數(shù)據(jù)已成為足踝矯形器優(yōu)化設(shè)計提高治療有效性的必要條件。

目前，足踝矯形器的設(shè)計仍多基于經(jīng)驗，其矯正或康復(fù)效果存在廣泛爭議。隨著醫(yī)學影像技術(shù)、實驗測量技術(shù)及計算生物力學技術(shù)的發(fā)展，更加深入全面的足踝乃至下肢生物力學技術(shù)將被更全面和深刻揭示，且廣泛應(yīng)用于足踝矯形器的設(shè)計和評估。人們已開始智能矯形器的研究，在矯形器中加入生物反饋和時時調(diào)節(jié)功能以及對環(huán)境監(jiān)測提供主動動力、障礙避讓等功能。以上研究將促使個性化定制足踝矯形器成為現(xiàn)實，并將大大提高產(chǎn)品的功能性和舒適性。三維打印技術(shù)和打印材料的突破將大幅縮短個性化定制足踝矯形器的制造周期。

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