【摘 要】
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人体足踝结构复杂,且各骨块之间的运动学和动力学信息难以从活体上测量,有限元数值分析方法和尸体足踝步态模拟亦难以获得令人满意的仿真结果,导致足踝疾病的病理研究以及临床治疗方案的优化研究处于瓶颈状态。因此,建立人体足踝多体运动学和动力学模型,通过步态仿真,验证模型的有效性并获得足踝各骨块之间的运动学和动力学数据,对于足踝与运动和受力有关的疾病发病机理探讨和治疗方案优化具有重要的理论意义和临床应用价值。
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人体足踝结构复杂,且各骨块之间的运动学和动力学信息难以从活体上测量,有限元数值分析方法和尸体足踝步态模拟亦难以获得令人满意的仿真结果,导致足踝疾病的病理研究以及临床治疗方案的优化研究处于瓶颈状态。因此,建立人体足踝多体运动学和动力学模型,通过步态仿真,验证模型的有效性并获得足踝各骨块之间的运动学和动力学数据,对于足踝与运动和受力有关的疾病发病机理探讨和治疗方案优化具有重要的理论意义和临床应用价值。本文创新性工作包含以下几个方面:（1）本文基于人体足踝CT数据建立了足踝软硬组织的几何模型;在此基础上在ADAMS软件中建立足踝多体运动学和动力学仿真模型,模型包含前足、前中足、中足、后足以及胫腓骨五块刚体和软组织柔性体,相邻刚体用球铰副连接并添加韧带约束,软组织与临近刚体定义绑定关系。（2）定义足底软组织与地面刚体的接触关系,利用活体步态实验测得的胫骨运动学和动力学数据来驱动模型并施加肌腱力仿真人体步态。将得到的足底反作用力以及关节运动角度和文献报道中的进行对比分析,发现仿真结果与活体测量结果具有很好的一致性,从而验证了模型的精确性和可靠性。随后,进行假肢脚实验以及尸体样本实验,完成步态试验机的验证。（3）将得到的足踝模型应用于足底筋膜炎发病机理研究。基于实验测量数据对跟腱拉伸和足底筋膜拉伸两种足底筋膜炎治疗机理进行了仿真分析和对比研究,重点分析了两种治疗方法中足底筋膜的伸长量,根据研究结果提出跟腱拉伸和足底筋膜拉伸相结合的治疗方案。（4）通过模拟不同的足踝运动姿态对踝关节扭伤机理进行了仿真分析。分别分析了跖屈角度和内翻角度对踝关节扭伤中韧带的影响。仿真结果表明,跖屈和内翻中前胫距韧带和前距腓韧带的拉力都很高,容易达到断裂极限。而前胫距韧带对于内翻角度的更改更为敏感。同时,通过在软件中设置韧带断裂点,找到踝关节韧带发生断裂的姿态角度组合。找到的安全运动范围,可以为踝关节康复训练以及踝关节护具设计提供参考数据。人体足踝多体运动学和动力学模型的构建和验证将为人体足踝日常活动的运动学和动力学仿真分析提供重要的工具,为临床足踝系统发病机理和治疗效果的生物力学研究提供新的方法和手段。
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