基于abaqus的足踝生物力学分析

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1、基于ABAQUS的足踝生物力学分析余嘉，黄伟志，张明香港理工大学生物医学工程跨领域学部，中国香港摘要:目的通过建立三维足部有限元模型，应用ABAQUS有限元软件分析研究高跟鞋对足踝生物力学的影响。方法通过三维重建MRI断层扫描图像，建立基于解剖结构，包括软组织，韧带和足底筋膜，考虑材料的非线性和关节接触的足部及高跟鞋的三维有限元模型，并通过对比足部的有限元模拟结果与在体实验和尸体实验结果来验证模型的可靠性。结果有限元分析结果表明，鞋跟高度和鞋底刚度将影响足底压力和跖骨应力，随着鞋跟高度的改变，足弓高度和足底筋膜拉力也有不同。结论基于

2、ABAQUS有限元分析软件，已验证的足部有限元模型能预测足底压力分布和足内部骨骼软组织的应力、应变情况，可成为研究足部生物力学的有力分析平台。关键词:有限元，步态分析，足底压力，高跟鞋，超弹性1.前言足部是人体运动和承重的最主要部分，被认为是一个半刚体多关节的复杂骨肌结构。常见足部问题有足底疼痛、拇外翻、病理性平足、糖尿病足、踝关节扭伤、骨折及其他运动相关的损伤。不正常的受力分布和不合脚的鞋都被认为是导致足部疾病的主要原因之一。深入理解足部肌骨系统的力传递机理有助于了解足部问题的发病机理和提出改进治疗的方案。目前由于实验测量手段的限

3、制，昂贵的实验费用，实验具有有创性等局限，足部生物力学实验研究通常局限于足底压力和足部整体运动的分析上，而对其内部运动和受力分布很少涉及。随着有限元方法和现代医学成像技术的迅猛发展，计算生物力学逐渐在生物力学研究的各个分支，特别在骨科和康复领域中发挥着与日俱增的作用。其采用的有限元分析方法由于具有强大的建模功能，能够对具有复杂的几何形状，材料参数和不同受力条件下的物体进行参数化模拟仿真研究的能力，可得到实验方法无法或难以得到的内部信息。因而有限元法成为研究足部生物力学的强有力工具，可广泛应用于临床手术治疗规划，运动损伤机理分析和医疗

4、矫形器械开发等方面。针对其他已知足部模型的不足，本文通过三维重建足部MRI断层扫描图像，应用Abaqus有限元分析软件，建立基于足部功能解剖结构的三维有限元模型，研究评价高跟鞋的不同设计参数对足部受力情况的影响，可为深入理解足部疾病的发病机理提供有用帮助。2012SIMULIA中国区用户大会12.材料和与方法2.1足部模型建立本模型基于对一名年龄28岁，身高165cm，体重54公斤的女性右足沿横断面以间距为1mm扫描获得MR片，并且扫描时用定制的足踝支具来保持足踝关节处于正中无负重位。之后采用Mimics软件对断层扫描序列图像进行骨

5、骼和足外表面的三维几何重建，重建模后的面模型导入三维CAD软件RapidForm软件中形成实体模型，然后应用有限元分析软件Abaqus/CAEv6.11进行网格划分和采用Abaqus/Standard模块分析计算。该足部有限元模型包含了28块骨，分别是胫骨和腓骨远端，跟骨，距骨，骰骨，舟骨，3块楔骨，5块跖骨，14块趾骨，78条韧带和足底筋膜及外围软组织。足底筋膜简化为由跟骨与跖趾关节的5条分支组成，韧带附着点的参考足踝解剖交互式三维软件（Interactivefootandankle），如图1所示。图1.足部骨骼及韧带附着点示意图

6、(底斜视图和内侧视图).除大拇指趾外的趾骨间用2mm的实体单元来模拟中间的软骨及其他连接性的组织。足部主要韧带和足底筋膜由其在骨骼上的附着点连线定义为Truss单元，主要相关肌肉定义为AxialConnector单元,其他结构定义为四面体单元(C3D4)。关节面接触定义为为无摩擦弹性接触，由韧带约束模拟关节运动。除了软组织外，其他组织都设定为单一各向同性线弹性材料，具体参考引用相关文献（Yu，2008）。2.2足底材料验证韧带和足底腱膜视为不可压缩材料，足底软组织定义为Hyperelastic材料（Lemmon，1997）。足底软组

7、织的应变势能的多项式形式模型采用公式（1）（Abaqus，2011）：2____21ij2iU=∑Cij(I1−3)(I2−3)+∑(Jel−1)（1）i+j=1i=1Di22012SIMULIA中国区用户大会____其中U指参考体积的每单位的应变能；C和D是材料表1中的参数；I1和I2是第iji__一和第二应变偏不变量，定义如公式（2）和公式（3）所示，其中偏拉力定义如下：λi=-1/3JelλI，Jel和λi分别是弹性体积比和主拉力。____2__2__2I1=λ1+λ2+λ3（2）____(−2)__(−2)__(−2)I2=

8、λ1+λ2+λ3（3）如果N=1，则公式（1）简化为Mooney-Rivlin模型，为公式（4）：12U=C(I−3)+C(I−3)+(J−1)（4）101012eD1如果N=2，则公式（1）简化为减缩二次多项式，为公式（5）：__