步态周期中踝关节有限元模型的构建及生物力学分析

作者：白子兴; 曹旭含; 孙承颐; 杨艳军; 陈思; 温建民; 林新晓; 孙卫东^*

来源：中国组织工程研究, 2022, 26(09): 1362-1366.

• 步态周期
• 踝关节
• 支撑末期
• 有限元
• 生物力学

背景:踝关节属于人体最重要的承重关节之一,在行走过程中发挥着重要作用,目前缺少有关踝关节在步态周期中应力的相关研究。目的:基于有限元法分析步态周期中踝关节的应力大小及区域变化。方法:首先通过Mimics 16.0软件及Rapidform XOR364软件构建踝关节有限元模型;利用此踝关节模型与Anderson构建的胫距下关节面有限元模型的应力及接触面积进行对比,验证模型的有效性;最后通过ABAQUS有限元分析软件,模拟踝关节在步态周期中平衡站立工况及支撑末期工况的应力状态,通过对比相同区域不同工况的应力变化,分析踝关节在步态周期中的作用,探讨踝关节失稳状态下踝关节的应力变化。结果与结论:(1)构建的踝关节有限元模型共包括44 551个单元、16 718个节点,并验证了其有效性与合理性;(2)平衡站立工况下:主要应力集中在距腓前韧带(A、B)、胫距前韧带(C、D)、胫距后韧带近端(F)、胫距关节下表面(H);踝关节最大应力在胫距后韧带近端附着点(F),为10.670 MPa;最小应力在内踝胫骨关节面(J),为2.965 MPa;(3)支撑末期工况下:主要应力集中在距腓前韧带(A、B)、胫距前韧带(C、D)、胫距关节下表面(H)、外踝距骨关节面(K);踝关节最大应力在胫距前韧带近端(D),为23.00MPa;最小应力在胫距后韧带近端附着点(F),为3.478MPa;(4)提示构建的踝关节有限元模型高度还原了踝关节的力学环境,明确了步态周期中踝关节的应力规律,为临床踝关节相关疾病的诊疗与术后康复提供了思路。

• 单位
  北京中医药大学; 中国中医科学院望京医院