足底材料驗證,擴展閱讀,
目前，足部生物力學在體實驗研究通常囿於足底壓力和足部整體運動的分析上，由於無創性的實驗要求，而對人體內部運動和受力分布很少涉及。隨著有限元方法和現代醫學成像技術的迅猛發展，計算生物力學逐漸在生物力學研究的各個分支，特別在骨科和康復領域中發揮著與日俱增的作用。有限元分析方法能夠對具有複雜的幾何形狀，材料參數和不同受力條件下的物體進行參數化模擬仿真研究的能力，可得到通過實驗方法難以甚至無法得到的組織內部力學信息。因而，有限元法成為研究足部生物力學的強有力工具，可廣泛套用於臨床手術治療規劃，運動損傷機理分析和醫療矯形器械開發等方面。
有限元建模分析依賴於精確的解剖幾何模型。首先，過去很難得到真實的內部解剖結構形態，現在已經可以通過CT、MRI等斷層掃描設備得到；其次，三維幾何建模完成之後還需要賦予生物材料力學特性、邊界條件和載入條件，利用現代材料測試設備和三維運動捕捉分析系統，我們就可以從材料測試實驗、運動學和動力學實驗中分析獲得所需參數；然後，初步的計算結果還需跟在體或離體實驗進行比較驗證，必要時與臨床觀察和文獻研究進行對比分析，從而完成模型的驗證；最終，通過已驗證的有限元模型進行參數分析及比較，完成生物力學的評價分析，從而驗證研究假設並最終解決問題。
簡而言之，上述建模過程大體分為四大步驟：數據獲取、幾何建模、參數設定和模型驗證。
例如余嘉等研究人員對一名的女性右足沿橫斷面以間距為1 mm掃描獲得MR片，並且掃描時用定製的足踝支具來保持足踝關節處於正中無負重位。之後採用三維重建軟體對斷層掃描序列圖像進行骨骼和足外表面的三維幾何重建，重建模後的面模型導入三維CAD軟體中形成實體模型，然後套用有限元分析軟體進行格線劃分和分析計算。該足部有限元模型包含了28塊骨骼，分別是脛骨和腓骨遠端，跟骨，距骨，骰骨，舟骨，3塊楔骨，5塊跖骨，14塊趾骨，78條韌帶和足底筋膜及外圍軟組織。如圖1所示，足部主要韌帶和足底筋膜由其在骨骼上的附著點連線表示，定義為Truss 單元，主要相關肌肉定義為Connector單元, 其他結構定義為四面體單元 (C3D4)。關節面接觸定義為為無摩擦彈性接觸，由韌帶約束模擬關節運動。除了軟組織外，其他組織都設定為單一各向同性線彈性材料，具體參考引用相關文獻。
足底材料驗證
韌帶和足底腱膜視為不可壓縮材料，足底軟組織定義為Hyperelastic材料。足底軟組織的應變勢能的多項式形式模型採用公式（1）：
其中U指參考體積的每單位的應變能；
和
是材料表1中的參數；
和
是第一和第二應變偏不變數，定義如公式（2）和公式（3）所示，其中偏拉力定義如下：
Abaqus依據不同的材料的超彈性本構模型擬合出的應力應變曲線，結果表明相對於一次多項式模型，二次多項式材料模型可以很好的代表足底材料特性，特別在大應變部分的陡升行為，其材料模型係數為表1所列。
C10 | C01 | C20 | C11 | C02 | D1 | D2 |
0.08556 | -0.05841 | 0.03900 | -0.02319 | 0.00851 | 3.65273 | 0.00000 |
表1. 軟組織的超彈性材料模型係數.
已驗證的足部有限元模型可提供足底壓力分布和足內部骨骼和軟組織的應力、應變情況，可成為研究足踝生物力學的有力分析平台。
擴展閱讀
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