人体足部有限元模型构建及其个性化研究

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人体生物力学模型是人体损伤机理、病理及相应预防与治疗器械设计等研究的重要共性基础。目前,人体足部有限元模型已被广泛用于足部损伤及病患机理、损伤防护及康复医疗等器械的设计。现有的足部有限元模型的建立及应用研究尚存在一些不足与限制,如组织材料参数大多基于尸体实验获取,足部受力分析多为准静态过程且常采用通用足部模型等。因此,本研究针对当前足部有限元模型建模及应用过程中的不足,通过结合医学超声影像成像开展足部模型建模及静动态应用,以为后续冲击损伤分析、糖尿病足病理机理及康复策略研究奠定基础。本文目的在于获得活体足部软组织材料参数,并建立兼顾材料和几何两方面差异的个性化足部有限元模型,通过静站和步态仿真探究人体足部损伤机理。首先,以足部骨骼及软组织MRI影像数据为基础,基于HALL下肢有限元模型,开展足部模型的细化建模,并参考尸体足压缩变形实验与静站足底压力实验对模型进行验证。结果显示,足底变形仿真与实验结果之间的均方根误差0.22mm;分区压力仿真结果均在实验结果范围内,模型具有较高生物逼真度。其次,基于超声弹性成像技术(SWE),完成50位志愿者足底软组织特性测量及相关统计分析,并将软组织厚度及刚度数据划分为6个水平,结合足部模型,进行静站仿真分析。结果显示,由于软组织刚度变化引起的软组织应变差距可以达到16.7%,并且该变化也使足底峰值压力等结果产生了较大差距,这表明足底软组织材料特性差异对足部生物力学响应存在重要影响。因此,后续个性化建模有必要考虑软组织材料特性的个性化。最后,基于对偶克里金算法,分别利用志愿者MRI影像和光学扫描几何数据,建立两种个性化足部模型,并结合SWE实验获得的对应个体软组织特性数据完成模型步态验证。进一步,对5名志愿者的足部模型进行步态仿真分析,对比两种模型的生物力学响应结果,评估光学扫描法与MRI扫描法建模差异。结果表明,光学扫描个性化模型可以达到与MRI扫描模型相近的生物逼真度。因此,在足部个性化建模过程中,光学扫描法可以替代MRI扫描,进而缩短建模周期,实现快速个性化建模目的。本研究对足部活体实验和个性化几何建模进行耦合,实现了足部模型材料和几何两方面的个性化,并对光学扫描法个性化建模的准确性和可行性进行了评估,最终确立了精准高效的足部个性化建模方法。该研究将为个性化足部建模应用及后续足部运动损伤分析、足部医疗器械设计等奠定理论基础。
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