膝關(guān)節(jié)對(duì)于足底支撐的生物力學(xué)響應(yīng)：人體下肢計(jì)算機(jī)仿真

1、2015年3月 第1卷 創(chuàng)刊號(hào) World Journal of Complex Medicinene，Mar.2015，Vol.1，No.1531.香港理工大學(xué)深圳研究院，深圳 5180572.香港理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程跨領(lǐng)域?qū)W部，香港3. 北京航空航天大學(xué)生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，北京 100191本研究的主要目的是通過建立人體膝踝足有限元模型量化膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)在行走過程中對(duì)于不同足底支撐的生物力學(xué)響應(yīng)。以外側(cè)楔形鞋墊為例，利用步態(tài)分析獲取肌肉模型和有限元模型的輸入條件，通過肌肉模型計(jì)算得出的肌肉力進(jìn)一步定義有限元模型在各個(gè)足底支撐作用下的肌肉加載邊界條件。有限元仿真結(jié)果表明外側(cè)楔形鞋墊減小了內(nèi)側(cè)

2、半月板和股骨關(guān)節(jié)軟骨處的接觸壓強(qiáng)。有限元；膝關(guān)節(jié)；生物力學(xué)；足底支撐R318.08 LIU Xuan1,2, ZHANG Ming1,2, FAN Yubo31.The Hong Kong Polytechnic University Shenzhen Research Institute, Shenzhen 518057, China2.Interdisciplinary Division of Biomedical Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong, China3.School of Biologica

3、l Science and Medical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, ChinaThe primary objective of this study is to establish a comprehensive fi nite element model of the human kneeanklefoot to quantify the biomechanical responses of knee structures to various foot supports in gait. Laterally wedg

4、ed insoles (LWI) were fabricated for interventions. Gait analyses were performed to obtain input information for the muscle model and fi nite element model. Muscle model was also applied to provide muscle loading boundaries in each foot support condition for the fi nite element model. The simulation

5、 results indicated that LWI diminished the contact pressure at the medial meniscus and femoral cartilage.fi nite element; knee joint; biomechanics; foot support關(guān)節(jié)炎是一種包括破壞和修復(fù)機(jī)制的代謝活躍的機(jī)能性疾?。簧锘瘜W(xué)和力學(xué)的因素都有可能觸發(fā)炎癥的產(chǎn)生1。膝關(guān)節(jié)在人體負(fù)載運(yùn)動(dòng)，例如行走過程中發(fā)揮著樞紐的作用，對(duì)于負(fù)載傳導(dǎo)的力學(xué)刺激較之其它關(guān)節(jié)更為敏感。通過改變足底支撐預(yù)防和減緩膝關(guān)節(jié)炎的發(fā)展在近年來作為非侵入式治療手段引起了人們的重

6、視。收稿日期：2015-02-10； 修回日期：2015-03-15基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（11272273, 11120101001）；香港大學(xué)教育資助委員會(huì)基金 (PolyU 532611E)作者簡(jiǎn)介：劉璇，博士后研究員，研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)工程，電子信箱liuxuan_cn; 張明（通信作者），教授,研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)工程，電子信箱: .hk引用格式：劉璇,張明, 樊瑜波.膝關(guān)節(jié)對(duì)于足底支撐的生物力學(xué)響應(yīng)：人體下肢計(jì)算機(jī)仿真J.世界復(fù)合醫(yī)學(xué), 2015 , 1(1): 47-51.54膝關(guān)節(jié)炎在膝關(guān)節(jié)的內(nèi)側(cè)最容易發(fā)生2，這是由于地面反作用力在步態(tài)的

7、站立相始終指向膝關(guān)節(jié)的內(nèi)側(cè)，導(dǎo)致關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)承受較大的載荷。外側(cè)楔形鞋墊的原理正是通過墊高外側(cè)足部，改變膝踝足的力線角度以達(dá)到減小內(nèi)側(cè)膝關(guān)節(jié)負(fù)載的目的。盡管如此，對(duì)于楔形鞋墊是否有效，科研界仍存在爭(zhēng)論。目前，關(guān)于足底支撐對(duì)膝關(guān)節(jié)影響的研究大多還局限于步態(tài)分析。通過這種實(shí)驗(yàn)手段后期的動(dòng)力學(xué)分析僅能提供合力矩，不能解答載荷在關(guān)節(jié)內(nèi)部究竟是如何分布，從而使得人們難以了解關(guān)節(jié)損傷以及炎癥導(dǎo)致的疼痛究竟發(fā)生于何處。而有限元分析作為一種十分成熟的工程計(jì)算機(jī)模擬方法可以預(yù)測(cè)模型結(jié)構(gòu)中任意元素的應(yīng)力應(yīng)變，近年來在探索膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)響應(yīng)方面也展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)3。我們通過現(xiàn)有的足踝有限元模型也已經(jīng)對(duì)足和足部支撐的相

8、互作用有了一定的了解4 。在此基礎(chǔ)上本文建立了一個(gè)包括肌肉模型和三維有限元模型在內(nèi)的下肢計(jì)算生物力學(xué)平臺(tái)，以外側(cè)楔形鞋墊為例，研究在步態(tài)站立相的多個(gè)時(shí)刻膝關(guān)節(jié)對(duì)于足部支撐的響應(yīng)。我們對(duì)一名年齡34歲身高174cm體重70kg的受試者進(jìn)行步態(tài)分析。該受試者無下肢肌骨系統(tǒng)疾病，膝踝足力線角度處于正常范圍。三雙傾斜角度分別為0, 5, 10°的外側(cè)楔形鞋墊Laterally Wedged Insoles (LWI) 由邵氏硬度A65的高密度EVA材料（英國A.Algeo公司）制備。0°無傾斜角度為對(duì)照組，10°為在可接納的舒適程度范圍內(nèi)的最大傾斜角度，5°為處

9、于兩者中間的傾斜角度。 實(shí)驗(yàn)設(shè)備為Vicon運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（英國Vicon公司）和AMTI測(cè)力臺(tái) (美國AMT公司)。受試者分別穿著3雙鞋墊以正常步速行走，每雙鞋墊分別測(cè)試3次，每次行走測(cè)試時(shí)間為5秒。由步態(tài)分析獲得的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)以及地面反作用力信息作為肌肉模型和有限元模型的輸入條件。圖 1 步態(tài)分析Fig. 1 Gait analysis2015年3月 第1卷創(chuàng)刊號(hào)取受試者右腿在非負(fù)重狀態(tài)下的中立位進(jìn)行核磁共振掃描，所得圖像用MIMICS v14 (比利時(shí)Materialise公司) 做幾何重建，生成的面模型通過Rapidform XOR3 (韓國INUS科技公司) 轉(zhuǎn)換成體模型再輸入ABAQU

10、S v6.11 (美國達(dá)索公司) 進(jìn)行有限元建模與分析。鞋墊的幾何模型在Rapidform 中生成，然后參照步態(tài)分析所得運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)在ABAQUS中與下肢模型對(duì)準(zhǔn)。下肢模型結(jié)構(gòu)（圖2左圖）包括26塊足部骨骼和包裹其外的軟組織，脛骨，腓骨，髕骨以及于遠(yuǎn)端截?cái)嗟墓晒?。膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)還包括半月板，股骨和脛骨面的關(guān)節(jié)軟骨，前/后交叉韌帶，內(nèi)/外側(cè)副韌帶。鞋墊的有限元模型由六面體單元?jiǎng)澐?。下肢模型中除了足踝韌帶和足底筋膜用非抗壓性的桁架單元模擬之外，其它實(shí)體均由四面體單元?jiǎng)澐?。圖2右圖顯示膝關(guān)節(jié)處的網(wǎng)格劃分。模型包含155615個(gè)節(jié)點(diǎn)。ABAQUS中的自動(dòng)面對(duì)面的接觸算法用來定義骨骼面之間以及半月板和軟骨之間的相互作用?？紤]到關(guān)節(jié)面的潤滑度，設(shè)定接觸為無摩擦接觸。足部和鞋墊的材料特性參照本課題組先前建立的足踝有限元模型設(shè)定5。膝關(guān)節(jié)韌帶用超彈性材料來定義，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系由文獻(xiàn)6 獲得。膝關(guān)節(jié)處關(guān)節(jié)軟骨的彈性模量為12MPa，泊松比為0.45 7。半月板的彈性模量為59MPa，泊松比為0.49 8。圖 2 下肢有限元模型Fig. 2 The fi nite element model