当前位置： 疲劳性骨折 > 疲劳骨折术后 > 有限元分析在足部生物力学研究中的应用上
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年Courantz首先提出有限元分析(finiteelementanalysis,FEA)的概念，其基本思想是用较简单的问题代替复杂问题然后求解。最初FEA主要应用于飞机结构的静力和动力学特性分析。
随着计算机技术的进一步发展，FEA应用的领域逐渐由小应变、小位移、弹性材料以及静力学分析向大变形、热分子材料和非线性材料以及动力学分析的方向发展，并与生物力学领域的许多研究紧密结合起来。
最早将有限元方法(finiteelementmethod，FEM)引入骨骼应力应变分析中的是Brekelmans和Ry-bicki等，鉴于FEA在分析不规则物体力学特性方面具有独特的优势，其越来越广泛地应用于骨骼生物力学研究领域中。
足部是所有下肢运动的支点和人体承重点，在日常生活、劳动和运动中，发挥承重、缓冲、吸收震荡的重要作用。因此，为了更深入了解足部功能、预防足部疾病的发生，科研工作者对不同状态下正常和病理性足的受力情况进行了大量的分析研究。
由于足部结构复杂，不同载荷和运动状态下足部各组成部分应力都将发生改变，而这些应力和应变的改变都涉及到非线性计算，不能用精确的数学解析方程来进行分析和描述。受足踝复合体结构复杂性及在体实验条件的限制，以往研究大都局限在分析足与鞋垫的总体运动、地面支撑反作用力和足底压力分布，对不同载荷和运动状态下足各组成部分应力、应变变化规律研究较少，而此类研究能够使我们更深入地了解足部功能、预防足部疾病以及运动损伤的发生。
为了解决上述问题，国内外学者将FEA应用到足部生物力学分析研究中。通过建立足2D和3D有限元模型，对静止状态以及连续步态中不同阶段正常和病理性足部结构的应力、应变状态的变化情况进行研究，为进一步了解足各组成部分的功能、足部疾病、运动损伤的成因和康复、物理治疗、康复器械的制造以及特殊功能鞋的研制和开发提供了较为有效的研究手段。
1在足部损伤机制研究中的应用我国优秀运动员足踝部损伤最严重，足部损伤在普通人群中的发生率也较高，很多学者认为力学因素是导致足部损伤的主要原因。以往研究仅仅局限于足部整体受力分析，不能对足内部应力应变情况进行研究。FEA的引入可以更深入探讨足部损伤的机制。
国内吴立军等人根据“中国人虚拟工程”的数据建立了女性足弓第2和第5陌列的肌骨系统有限元模型，预测站立中期足弓的主应力变化迹线矢量图以及内在各组成部分的应力应变的分布图，为研究蹈骨应力性骨折、足底腱膜炎、足跟痛以及足弓塌陷的发生机制提供了依据四。足部损伤易发生在应力高集中区域。
研究发现跟骰关节的应力值在起步时相最高，为19.9MPa，且应力主要集中在关节面的中上部（临床上为足部关节炎的多发部位)，提示过高的应力可能是造成关节炎多发的主要原因[间。但也研究表明，足部损伤不但与高应力有关，还与足部骨骼的解剖学结构以及反复应力作用有关。
国外学者通过FEA研究发现，着地期足跟是承受支撑压力和应力的最主要部分，承受张应力的最大部位是跟骨载距突部，起步相时跟骨的最大应力值出现在跟腱附着处，距骨背部也是应力相对比较大的区域，虽然这些部位是应力集中区域，但并不是临床上足部疾病的多发处。
国内学者的研究也证实了上述观点。通过FEA对3个步态时相足部的受力情况分析显示：起步相跟、距骨的VonMises应力值最高，最大载荷导致后关节面VonMises等效应力中心前移，使绝大部分应力集中在后关节面的前下部邻近外侧，靠近Gissane角（中立位时应力集中区），从力学的角度分析了此区域是跟骨压缩性骨折的第一条骨折线常发的原因；距骨颈（临床发现距骨颈骨折约占足部骨折的3%和距骨骨折的50%）的应力值虽然相对较高但并不是整个距骨应力的最高区域，但此处恰好是距骨中解剖结构的最薄弱部位，所以造成距骨颈骨折高发。
对跳高起跳过程踏跳瞬间足后部骨骼的力学分析有力说明了致使足部损伤的力与解剖结构之间的关系。其研究表明：踏跳瞬间足跟落地，大部分地面冲击力通过后关节面传导至跟骨中部，产生较大的弯矩，导致跟骨三角区（解剖上是骨质较为疏松的部位)成为高应变区域，长时间受力可能会导致跟骨骨体发生疲劳性骨折；跟散关节面受到的应力相对也比较大且应力集中在关节面的中部，这也可能是造成此部位关节炎多发的主要原因：虽然起跳过程中作用于距骨颈部位的应力值明显小于距骨体，但其解剖结构特点使其成为距骨中极易发生损伤的部位；舟骨在足跟与地碰撞时所受应力不大，但当前足支撑时，大部分荷载需要经过该骨传至楔骨，因此，导致舟骨在踏跳后期容易发生损伤。
反复应力作用同样是导致足部损伤的另一个主要原因。国内学者通过分析正常足负重后第一跖列的空间位置改变与拇趾外翻和外展的关系，发现在步态周期反复应力的作用下，第一距列支持结构力量会逐渐减弱，当疲劳或者慢性损伤达到一定程度后不能维持关节结构的正常位置时就会产生拇趾外翻畸形。
对扁平足第二跖骨动态应力的研究表明：扁平足的第二骨动态应力比正常足增加了8%~21%，研究说明了为何扁平足更易发生第二跖骨骨折的力学机制吗。虽然上述研究建立的模型相对比较简化，材料力学性能和运动方式约束条件的设置不完全符合人体实际的运动过程，但可以从中了解不同状态下足跟部不同部位应力应变的变化趋势，特别是应力集中区，为临床足病的发生机制、预防和治疗提供一定的理论依据。
2在病态足研究中的应用生物力学因素在探求足部疾病病因的产生机制、治疗和防治以及康复方面具有重要作用。近几年，随着计算机建模功能的增强，特别是有限元软件的不断完善，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动力学和静力学仿真研究，有限元方法在足部疾病治疗的研究中应用越来越广泛。
通过足部三维建模的有限元分析，可以模拟病态足的变异情况来探讨足部受力情况的改变，更深入地了解足部疾病的产生机理，为治疗、预防和康复治疗提供理论依据。对糖尿病患者的研究发现，足底软组织硬化以及皮肤刚度的改变是造成足部疾病的主要原因。
利用FEM模拟糖尿病患者中间蹈骨头足底内部应力的分布与正常人的区别，结果表明糖尿病患者应力明显集中在模拟足前部的足底垫上，糖尿病足位于第一和第二蹈骨头下软组织的张应力分别是正常足的4倍和8倍：且随着足底组织硬化加重，第一和第二跖骨头下软组织峰值接触应力分别增加38%和50%。
这提示糖尿病患者最初足部损伤很可能不是作用在皮肤表面而是在深层组织，位于内侧跖骨下面远端骨突的软组织更容易受到伤害。有课题组用有限元模型模拟糖尿病足软组织硬度增加对足部应力变化的影响，发现随着软组织硬度的增加，足部应力主要集中在足跟部和中间蹈骨区，研究结果从力学机制上证实了临床上导致这两个部位容易发生溃烂的原因。
通过有限元模型模拟平衡站立期皮肤刚度与糖尿病患者足部应力变化的关系，结果表明随着皮肤刚度的增加，整个足部的接触面积减少了47%，脚前掌、中部和后跟的接触面积分别减少了39%、78%和41%：脚前掌和脚后跟变成与地面接触的主要部分，且相对较高的VonMises应力出现在脚后跟中部、距骨头特别是第二和第三跖骨头底的足底筋膜，因此易造成足后跟疼痛和局部的足部溃疡：足底压力峰值的增大比例远小于皮肤刚度的增大比例，提示在糖尿病早期，皮肤刚度的变化可能是导致足底压力增大以及局部溃疡的主要原因。
国外学者还利用逆向有限元分析方法，验证了非线性材料参数对糖尿病患者足跟部软组织建模的重要性，计算了足跟与不同材料和厚度鞋之间的接触应力关系，从力学角度为缓解病人足跟部疼痛提供了理论依据。
如何评价疗效好坏一直是困扰临床医生的主要问题，通过FEA模拟不同治疗手段后足部的受力情况，可为临床工作者采取有效的治疗方法和评价手术效果提供理论帮助和实践指导。
国内学者根据CT图像建立跟骨关节内冠状面骨折的三维有限元模型，分析H型、T型和Y型三种钢板对跟骨骨折的固定效果，其结果证实骨折后通过T型钢板固定得到的应力分布最接近正常跟骨，对骨折固定最牢固的是H型钢板。对跟骨骨折后形成的后关节面压缩性畸形的研究结果显示：跟骨骨折治愈后，腓骨肌腱炎高发几率与跟骨外侧壁应力增高长期刺激腓骨肌腱密切相关；距下关节后关节面压力增高以及畸形愈合导致的关节面不平是导致距下关节关节炎（几乎达到%）多发的主要原因：跟骰关节炎发病率上升也与跟骨骨折后造成跟骰关节应力增高有关。
研究表明，为了获得良好的跟骨骨折治疗效果，应尽量使跟骨恢复到伤前的解剖形态。为了缓解足跟疼痛和治疗足底腱膜炎，临床上经常采用松解足底腱膜的方法，但FEM研究切断跖腱膜，观察到完全切断后足弓明显变形，足底长韧带承受的张应力是正常状态下平均值的2倍多。
虽然松解足底腱膜可能缓解应力集中和相关的足跟疼痛，但这种手术方案也可能导致足弓不稳和临床上的中足疼痛。因此临床治疗足底腱膜炎应首先考虑非手术疗法，如果必须进行足底腱膜松解，应考虑仅松解部分的足底腱膜以保持足弓结构的完整性。
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