人体足横弓静力内在维持结构的生物力学研究.pdf

摘要 摘要 目的：使用正常成人新鲜尸体足标本，静态下通过生物力学加载机对汇常 及韧带或骨骼损伤后的足标本进行不同载荷的加载，利用数字散斑相关法、电 阻应变片法及足底压力测试系统，来测量人体足横弓主要骨结构的位移变化、 主要骨结构的表面应力变化和足底压力分布变化。同时，围绕『F常人体足部主 要骨、韧带结构建立正常人体足横弓三维有限元模型，对模型模拟实验操作， 分析有限元模型正常和韧带、骨骼损伤后足横弓主要骨结构的形态和应力变化。 从尸体标本和有限元模型两方面，了解足横弓静力性内在维持结构的生物力学 响应，建立合理的足部生物力学模型，为足横弓生物力学的研究提供平台，为 足横弓塌陷的发生机理进行初步探讨，并为治疗方案的选择提供理论依据。 材料和方法：1、6例正常成人新鲜尸体足标本(包括胫腓骨下1／3)，去除 踝关节以上的软组织。解剖显露连接内侧楔骨与第二跖骨基底部的背侧韧带、 骨间韧带及跖侧韧带、足舟骨、内侧楔骨、中间楔骨、外侧楔骨、骰骨及5根 跖骨，标记足横弓的主要骨结构。具体分为8种工况：①完整状态；②切断连 接内侧楔骨与第二跖骨基底部的背侧韧带；③切断连接内侧楔骨与第二跖骨基 底部的骨间韧带：④切断连接内侧楔骨与第二跖骨基底部的跖侧韧带：⑤一枚 螺钉从内侧楔骨拧入第二跖骨基底对韧带损伤修复固定；⑥第二趾截除(保留 跖趾关节)；⑦第二跖骨骨折(远1／3处)；⑧带部分跖骨的第二趾截除(远 Device)，采集各个工况下标本的 个电荷耦合图像传感器CCD(ChargeCoupled 灰度图像，利用数字散斑相关分析计算各个工况足横弓整体刚度变化及主要骨 性结构的同步位移变化，对结果进行统计分析。2、通过静态电阻应变测试仪和 微型箔式电阻应变片，在上述各工况下，同步测量足横弓主要骨性结构(足舟 骨、内侧楔骨、中间楔骨、外侧楔骨、骰骨、第1巧跖骨)的表面应力和应变， 对结果进行分析。3、利用TekScan便携足底压力测量系统及鞋垫式传感器，在 上述工况下，同步采集足底压力分布图，分析前足5个跖骨头及蹲趾下的峰值 压力，了解韧带、骨骼损伤对足底压力分布的影响。4、选取一侧正常新鲜尸体 足标本进行CT扫描，采集图片，在Dell 650工作站，利用同济大学 prestionTM final和建模前处理软件包、绘图软件Qcad、 自行开发的图像提取工具jpeg．Test 摘要 图像处理软件Gimp、有限元分析软件Ansys和Abaqus，建立包括胫腓骨下端的 足部三维有限元模型。模型包括骨骼、关节、韧带和足底软组织成分。对模型 施与适当的边界条件和约束，模拟上述实验操作，分析模型在不同载荷下足部 骨骼结构的位移及最大yonmise应力分布。并同标本生物力学测试结果进行比 较。 结果：1、采集6个标本、10块骨骼、8种工况、7个加载阶段的实时位移 灰度图像。完整状态(工况1)下，随载荷的增加，足横弓的高度逐级下降，前 足逐渐变宽。在最大载荷1200N时，纵向位移舟骨下降最大，为5．18_+0．38mm， 第五跖骨下降最小，仅为1．57±O．13mm；前足的横向位移第一跖骨表现为内收， 其余跖骨为外展，第五跖骨最大，为2．84_+0．25mm；第二跖骨最小，为 1．79±O．28mm。背侧韧带切断(工况2)后，足横弓在纵向和横向上的位移均有 所增加，但与完整状态相比各骨性结构的位移变化均无统计学意义(p0．05)。 骨间韧带切断(工况3)后，足横弓在纵向和横向上的位移均有所增加，与工况 2相比，纵向位移均无统计学意义(p0．05)；5个跖骨头及第一、二跖骨基底 部的横向位移均有统计学意义(p0．05)。跖侧韧带切断(工况4)后，足横 弓在纵向和横向上的位移均继续增加，但不显著。重建(工况5)后，足横弓的 高度显著回升，各骨性结构的纵向和横向位移显著减小。第二趾截除(工况6) 后，足横弓各骨性结构的纵向、横向位移都有增加。但同工况5相比，各骨性 结构的位移下降都没有统计学意义(p0．05)。第二跖骨骨折(工况7)后， 足横弓整体呈下降显著趋势，纵向位移显著增加，同工况6相比，有统计学意 义(p0．05)；横向位移继续增加，但