摘 要:?針對伴有足中關(guān)節(jié)炎的扁平足患者，研究不同結(jié)構(gòu)和材料剛度的矯正鞋墊對其足部應(yīng)力集中和內(nèi)部關(guān)節(jié)軟骨及筋膜應(yīng)力的作用效果。在有限元分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合正交實驗設(shè)計，利用 CT 圖像數(shù)據(jù)建立患者足部及矯正鞋墊有限元模型。隨后，通過 footscan 系統(tǒng)對支撐相期間足底各區(qū)域應(yīng)力和接觸面積進(jìn)行測量，驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。然后，根據(jù)有限元分析結(jié)果，對比分析矯正鞋墊的作用效果。結(jié)果表明，足弓高度為 30 mm，楔形角度為 5°，剛度為 1 MPa 的矯正鞋墊的作用效果最優(yōu)。與裸足時的應(yīng)力峰值相比，足跟區(qū)表面和內(nèi)部的應(yīng)力峰值分別降低了62. 5% ( 由0. 152 MPa降至 0. 057 MPa) 和 77. 9% ( 由0. 245 MPa降至 0. 054 MPa) ; 足跖區(qū)表面和內(nèi)部的應(yīng)力峰值分別降低了 56. 0% ( 由 0. 125 MPa 降至0. 055 MPa) 和 72. 9% ( 由 0. 192 MPa 降至 0. 052 MPa) 。相比普通接觸式鞋墊，足底應(yīng)力分布更均勻，舟楔關(guān)節(jié)軟骨及筋膜應(yīng)力( 拉伸方向) 更小。研究結(jié)果為這種復(fù)合病癥下具有復(fù)合作用的矯正鞋墊設(shè)計提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對扁平足與足中關(guān)節(jié)炎的聯(lián)合治療具有臨床意義。

前言

骨關(guān)節(jié)炎是一種關(guān)節(jié)軟骨性質(zhì)改變的關(guān)節(jié)病，主要影響關(guān)節(jié)軟骨、關(guān)節(jié)囊、周圍韌帶和附近肌肉等小關(guān)節(jié)處［1-2］。致殘率很高的足中關(guān)節(jié)炎會對足弓區(qū)跗骨關(guān)節(jié)造成嚴(yán)重?fù)p傷，常表現(xiàn)為跗骨關(guān)節(jié)間隙變窄的退行性的改變［3］。目前發(fā)病原因不明確，但普遍認(rèn)為可能是多種因素( 如生物力學(xué)影響、代謝、遺傳因素等) 造成軟骨完整性被破壞［1］。而多發(fā)于青年人群的扁平足會造成韌帶松弛、肌腱無力、足弓區(qū)沖量較大等，從而引起足部及其內(nèi)側(cè)肌肉疼痛、關(guān)節(jié)異常，增加患足中關(guān)節(jié)炎的風(fēng)險［4］。

目前，有許多研究表明，生物力學(xué)因素在足部疾病的治療和矯正上起著重要的作用，而鞋墊類的生物力學(xué)作用得到了廣泛的關(guān)注。在一些體內(nèi)實驗中，已經(jīng)分析了特定的鞋墊在足底壓力釋放及分布方面的性能，以及在步態(tài)糾正及足部支撐方面的效果。張旻等［5］研究了帶有足弓支撐設(shè)計的楔形鞋墊對膝骨關(guān)節(jié)炎治療的改善效果。蘇宏倫等［6］研究了不同結(jié)構(gòu)和硬度的矯形鞋墊對扁平足的矯正效果。而國外，各種鞋墊設(shè)計的理念已引入到各種行業(yè)中，如假肢設(shè)計、矯形鞋墊等。Ｒao 等［3］研究了矯正鞋墊的干預(yù)對足中關(guān)節(jié)炎患者功能結(jié)果和疼痛的影響。

近年來，隨著有限元方法和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的迅猛發(fā)展，有限元法對于不同鞋墊對足部載荷分布影響的預(yù)測起到了一種實驗輔助作用，特別是在骨科和康復(fù)領(lǐng)域中。Cheung 等［7］利用有限元法模擬不同手術(shù)和病理條件，通過仿真值與實驗值相比較，評估功能不全與支撐不同的相互作用。Cavanagh 等［8］對矯正鞋墊的材料建模提出了3 種有限元分析方法。與傳統(tǒng)尸體標(biāo)本研究方法和應(yīng)力采集系統(tǒng)相比，有限元方法可以得到足內(nèi)部的生物力學(xué)參數(shù)，組織內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變等信息，因此廣泛應(yīng)用于臨床手術(shù)的治療和矯形器械研發(fā)等方面。在足部復(fù)合病癥下，針對具有足弓支撐、足部緩沖和矯正姿態(tài)等復(fù)合作用的矯正鞋墊的設(shè)計研究較少，所以本課題建立了伴有足中關(guān)節(jié)炎的扁平足患者足部有限元模型，結(jié)合統(tǒng)計學(xué)知識，研究具有復(fù)合作用的矯正鞋墊對伴有足中關(guān)節(jié)炎的扁平足患者足部的影響及改善作用，以便早期的預(yù)防和矯正。

實驗方法

1. 1 有限元模型的建立

通過使用山東省文登整骨醫(yī)院的德國西門子公司 Perspective CT 設(shè)備，采集了一名伴有足中部骨關(guān)節(jié)炎的 18 歲男性扁平足患者站立中相位時的右足 CT 圖像。共采集二維斷層掃描圖像 255張，分辨率為 512 像素×512 像素，層厚 0. 5 mm、層距 1 mm，以 DICOM 格式存儲。患者體重 70 kg，無外傷及 手 術(shù) 史，在 掃 描 醫(yī) 學(xué) 影 像 前 簽 署 知 情 同意書。

利用 Mimics11. 0，對 CT 圖像進(jìn)行閾值分割、重建、迭代光順，得到初步的足部三維模型，以 STL 格式 存 儲。首 先，通 過 逆 向 工 程 軟 件 Geomagic Studio15. 0，對 初 步 模 型 進(jìn) 行 邊 界 曲 線 建 立 和NUＲBS 曲面構(gòu)造，得到足部骨骼和軟組織的優(yōu)化模型( 見圖 1( a) ) ，并以 IGES 格式輸出。其次，將需要的骨骼導(dǎo)入到 Proe5. 0 軟件中創(chuàng)建下關(guān)節(jié)曲面副本，再進(jìn)入 Solidworks2016 軟件中加厚，并于上關(guān)節(jié)面進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到關(guān)節(jié)軟骨模型( 見圖 1( b) ) ，同樣以 IGES 格式輸出。最后，將所有的幾何模型導(dǎo)入到 Hypermesh13. 0 有限元前處理軟件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分和單元建立，得到最終完整的足-鞋墊-地面有限元模型( 見圖 1( c) ) 。此模型包括 28 塊骨骼( 跟骨、距骨、骰骨、足舟骨、楔骨 3 塊、跖骨 5 塊、趾骨 14 塊) 、足舟骨和內(nèi)側(cè)楔骨間軟骨、足部韌帶和足底筋膜，共計 86 896 個節(jié)點(diǎn)、459 815 個實體單元和 117 個桁架單元。

足部模型中除軟組織外其他部分均設(shè)置為各向同性 的 線 彈 性 材 料，相 關(guān) 材 料 參 數(shù) 取 自 文 獻(xiàn)［9-12］( 見表 1) 。軟組織采用超彈性材料，參考Mooney-Ｒivilin 模 型，依 據(jù) Lemmond 和 Ｒeeves［13-14］的實驗結(jié)果，定義應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。足底筋膜和韌帶都視為不可壓縮材料。

1. 2 載荷與邊界條件

當(dāng)患者正常靜態(tài)站立時，自身體重由雙足分擔(dān)，患者體重為 70 kg，則右足需承受約 350 N 的垂直重力。另外，足部還應(yīng)承受 75%重力載荷的跟腱力［15］。為了能夠模擬靜態(tài)站立狀態(tài)，載荷條件設(shè)置為在地面支撐物中心處施加 350 N 的地面支反力( ground reaction force，GＲF) ，跟骨跟腱連接處施加垂直向上的集中力載荷 262. 5 N。當(dāng)患者處于步態(tài)支撐相中期時( 右足單獨(dú)支撐) ，通過給患者自身體重增加慣性力的準(zhǔn)靜態(tài)方法近似模擬步態(tài)載荷，載荷條件設(shè)置為施加人體體重 85% 的 GＲF［16］以及640 N 的跟腱力，邊界條件設(shè)置為脛、腓骨上表面遠(yuǎn)端固定( 見圖 1( c) ) 。骨骼與軟組織之間接觸定義為共節(jié)點(diǎn)，舟骨和楔骨關(guān)節(jié)面是通過軟骨連接，而軟骨與上下關(guān)節(jié)面的接觸定義為綁定關(guān)系( 共節(jié)點(diǎn)) ，地面支撐物、鞋墊及足底軟組織之間定義為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為 0. 6［17］。最終，運(yùn)用 Abaqus 顯示分析求解器求解。為了驗證模型仿真結(jié)果的可靠性，采用 footscan 系統(tǒng)，利用高速測量和高分辨率傳感器，測出右足在步行狀態(tài)下支撐相的應(yīng)力分步圖，同時測得足底各區(qū)域應(yīng)力隨時間的變化曲線，并與仿真值進(jìn)行對比分析。

1. 3 矯正鞋墊的設(shè)計

對患者足部進(jìn)行掃描得到 STL 格式的三維立體圖，其點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過 Geomagic 幾何處理后生成IGES 文件，導(dǎo)入到 Solidworks2016 軟件進(jìn)行布爾運(yùn)算，最終得到表面接觸式鞋墊的大致輪廓，隨后根據(jù)《鞋類 襯里和內(nèi)墊實驗方法 靜摩擦力》( GB /T3903. 37—2008) 標(biāo)準(zhǔn)［18］，確定鞋墊基本輪廓。通過 CT 掃描，發(fā)現(xiàn)患者的右足舟骨與內(nèi)側(cè)楔骨間跗骨關(guān)節(jié)改變，顯示關(guān)節(jié)變窄、多發(fā)囊變窄、邊緣硬化，有足中關(guān)節(jié)炎的跡象。鞋墊設(shè)計要求足弓支撐與患者足弓的形狀基本相符，右足內(nèi)側(cè)( 左側(cè))足弓的后側(cè)( 靠近足舟骨與內(nèi)側(cè)楔骨位置) 高度需稍微增高且延長，起到支撐關(guān)節(jié)的作用。根據(jù)足底應(yīng)力采集數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)右足跖骨頭區(qū)的應(yīng)力分布偏外側(cè)，有輕微內(nèi)翻，則鞋墊設(shè)計為楔形結(jié)構(gòu)，且整體尺寸大于腳的尺寸，鞋墊后側(cè)呈半包裹式設(shè)計。但不同的足弓高度、楔形角度及鞋墊的材料剛度，對患者足底應(yīng)力大小及分布和足內(nèi)部筋膜、軟骨應(yīng)力大小的改善效果不同。為了得到最優(yōu)設(shè)計方案，采用正交實驗方法［19］，選取鞋墊的 3 個因素進(jìn)行分析，包括足弓支撐高度、楔形角度和材料剛度，每個因素各選取 3 個水平( 見表 2) 。目前，根據(jù)蘇宏倫等［6］對個性化扁平足矯形鞋墊的研究，足部最內(nèi)側(cè)弓高在 30 mm 左右最佳，根據(jù)鞋墊常用材料，選取彈性模量為 1. 0、1. 5、2. 5 MPa，最后使用 Solidworks2016 軟件創(chuàng)建出 9 種鞋墊模型，其橫切面曲線見圖 2( a) ，其基本外形輪廓見圖 2( b) 、( c) 。為了研究所設(shè)計的矯正鞋墊，對患者疼痛區(qū)域軟骨應(yīng)力以及足跟區(qū)、跖骨區(qū)應(yīng)力的作用效果，足底表面被劃分為 4 個區(qū)域，即足趾區(qū)、跖骨區(qū)、足弓區(qū)、足跟區(qū)。

1.4 正交實驗的設(shè)計

正交實驗設(shè)計是通過正交表處理因素水平數(shù)較多實驗的設(shè)計方法［20］，根據(jù)試驗的因素數(shù)、因素的水平數(shù)以及是否具有交互作用等需求查找相應(yīng)的正交表，從而挑選出具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗。根據(jù)鞋墊的設(shè)計要求，選取了 3 因素 3 水平進(jìn)行試驗，且不考慮因素間的交互作用。根據(jù)正交實驗結(jié)果，對不同區(qū)域組織的應(yīng)力峰值進(jìn)行處理，得到不同足弓高度、楔形角度和剛度下的應(yīng)力峰值均值，實驗安排如表 3 所示，將原本需 27 次的試驗減少為 9 次進(jìn)行。同時，利用極差分析法，針對主要分析對象，計算極差 Ｒ 值，其值越大表示該因素對結(jié)果的影響最大且為主要因素。Ｒ 值的運(yùn)算表達(dá)式為

通過比較 Ｒ 值大小區(qū)分各因素主次順序，以此選取各因素水平，確定最優(yōu)方案鞋墊。但此方案是在指定的因素水平下得到，其選擇得恰當(dāng)與否還需通過因素與指標(biāo)關(guān)系趨勢確定，根據(jù)實驗指標(biāo)的變化趨勢，找到真正意義上的最優(yōu)方案。

1. 5 足部力學(xué)的影響

考慮到患者足弓區(qū)的舟骨與內(nèi)側(cè)楔骨間跗骨關(guān)節(jié)出現(xiàn)改變，關(guān)節(jié)軟骨的受力大小對足中關(guān)節(jié)炎的發(fā)展有較大影響，同時鞋墊的足弓支撐高度對軟骨的受力影響很大。為進(jìn)一步驗證最優(yōu)方案，需針對穿著不帶足弓支撐和楔形角度的普通接觸式鞋墊的情況，對比足跟區(qū)和跖骨區(qū)內(nèi)外部應(yīng)力以及關(guān)節(jié)軟骨的應(yīng)力峰值。普通接觸式鞋墊的厚度設(shè)置為 5 mm，材料剛度為 1 MPa，鞋墊表面與患者足底表面的曲線形狀貼合。扁平足會造成患者的距骨下關(guān)節(jié)過度旋前和足底跖骨筋膜應(yīng)力( 筋膜在拉伸方向上的受力大小) 增加，進(jìn)而可能引發(fā)足底筋膜炎［21］，造成足底疼痛和其他并發(fā)癥( 如足跟部疼痛或腱鞘炎) 的產(chǎn)生。此外，始于跟骨結(jié)節(jié)，分開至各趾的足底筋膜，對足弓和軟組織結(jié)構(gòu)起一定的支持和保護(hù)作用。所以，與普通接觸式鞋墊和裸足情況進(jìn)行對比，分析不同鞋墊作用下對足底筋膜應(yīng)力的改善情況，避免炎癥的發(fā)生而導(dǎo)致足底疼痛和其他并發(fā)癥( 如足跟部疼痛或腱鞘炎）的出現(xiàn)。

結(jié)果

從footscan足底應(yīng)力分布和各區(qū)域應(yīng)力變化曲線可見，在支撐相中期約為430 ms[22]時刻的足跟內(nèi)側(cè)應(yīng)力值為0.12 MPa(見圖3(a))。圖3(b)為足底表面所劃分的4個區(qū)域，對應(yīng)時刻下有限元模擬值為0.130 MPa(見圖3(c))，跖骨區(qū)測量值和仿真值的接觸面積分別為1 761和1 784 mm2，足跟區(qū)分別為1 976和1 948 mm2，總體來說，所建模型的仿真結(jié)果更接近于真實值，誤差相對較小。從圖3(d)站立相的仿真結(jié)果可知，在裸足情況下，足跟區(qū)表面峰值應(yīng)力為0.152 MPa，跖骨區(qū)為0.125 MPa，軟骨為0.108 MPa。

根據(jù)表3的實驗結(jié)果得到如圖4所示的不同因素水平下的足底以及軟骨應(yīng)力峰值均值的變化趨勢。從圖中可以看出，材料剛度對足跟區(qū)、跖骨區(qū)和軟骨的應(yīng)力峰值均值作用一致。1 MPa時相對于裸足情況下，足跟區(qū)的表面應(yīng)力峰值均值降低了63.2%(由0.152 MPa降至0.056 MPa)，跖骨區(qū)的表面應(yīng)力峰值均值降低了56.0%(由0.125 MPa降至0.055 MPa)，而軟骨應(yīng)力峰值均值增加了23.1%(由0.109 MPa升至0.133 MPa)。足弓高度為30 mm時，足跟區(qū)及軟骨的應(yīng)力峰值均值效果最佳，足跟區(qū)應(yīng)力峰值均值降低62.0%(由0.152 MPa降至0.058 MPa)，軟骨應(yīng)力峰值均值增加了13.9%(由0.109 MPa升至0.123 MPa)，但跖骨區(qū)在足弓高度為20 mm時最佳。楔形角在5°時，對于跖骨區(qū)和軟骨的效果最佳，跖骨區(qū)的應(yīng)力峰值均值降低了52.0%(由0.125 MPa降至0.060 MPa)，軟骨的應(yīng)力峰值均值增加了17.6%(由0.109 MPa升至0.127 MPa)，但對于足跟區(qū)并不是最優(yōu)選擇。由表4的結(jié)果可知，因素H、D、E的R值分別為0.074 1、0.036 2、0.003 5，即RH>RD>RE，則各因素的主次順序為H、D、E，足弓高度為主要因素。

圖5(a)展現(xiàn)了兩種鞋墊作用下軟骨的應(yīng)力云圖。從應(yīng)力分布情況下，二者大致相同，但從應(yīng)力峰值情況下，最佳方案鞋墊小于普通接觸式，相對于裸足情況，最佳方案鞋墊應(yīng)力峰值只增加了9.1%(由0.109 MPa升至0.118 MPa)，而普通接觸式應(yīng)力峰值增加9.2%(由0.109 MPa升至0.119 MPa)。圖5(b)顯示了穿著最佳方案鞋墊對足中部軟組織內(nèi)部的應(yīng)力大小較普通鞋墊有明顯的降低。對主要應(yīng)力集中區(qū)域的作用效果如圖5(c)所示，相對于裸足情況，穿著鞋墊會降低應(yīng)力集中區(qū)域表面和內(nèi)部的應(yīng)力峰值，但穿著最佳鞋墊情況下，足底應(yīng)力分布更加均勻且效果最好，改善了之前應(yīng)力分布不均的情況。其中，足跟區(qū)表面和內(nèi)部的應(yīng)力峰值分別降低了62.5%(由0.152 MPa降至0.057 MPa)和77.9%(由0.245 MPa降至0.054 MPa);足跖區(qū)表面和內(nèi)部的應(yīng)力峰值分別降低了56.0%(由0.125 MPa降至0.055 MPa)和72.9%(由0.192 MPa降至0.052 MPa)。

兩種鞋墊對足底筋膜應(yīng)力也有一定的改善作用。如圖6所示，穿著普通接觸式鞋墊時，第1跟筋膜應(yīng)力相對于裸足時的0.870 MPa有所增加，為1.036 MPa，其他筋膜應(yīng)力相比裸足情況均有不同程度的降低。而穿著最優(yōu)方案鞋墊下效果更好，對足底筋膜應(yīng)力均有降低作用，第1～第5跟筋膜的應(yīng)力分別降低了27.2%(由0.870 MPa降至0.634 MPa)、39.5%(由0.833 MPa降至0.504 MPa)、43.5%(由0.857 MPa降至0.484 MPa)、43.7%(由0.895 MPa降至0.504 MPa)和32.2%(由0.855 MPa降至0.580 MPa)。

討論

對于伴有中足關(guān)節(jié)炎的扁平足患者來說，矯正鞋墊的干預(yù)可有效地恢復(fù)足弓支撐和改善足弓結(jié)構(gòu)，尤其對青少年患者可以起到及時的預(yù)防和矯正作用。而且，足底應(yīng)力及分布的改變是對足中關(guān)節(jié)炎治療的基本機(jī)制[3]。鞋墊的干預(yù)對足部疼痛和活動度的改善尤其重要，不同結(jié)構(gòu)形狀和材料的鞋墊對患者的影響不同，但相比鞋墊剛度，結(jié)構(gòu)形狀是優(yōu)先考慮因素[16]。

有限元方法能夠有效地對鞋墊形狀和其他參數(shù)設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行評估，無需制作以及重復(fù)實驗。而仿真值和測量值的誤差較小，可以理解為是由于模型本身的結(jié)構(gòu)、材料的簡化、人體重心的不確定以及邊界條件的不準(zhǔn)確而造成的，這些問題的解決也是未來有限元模型更加精確化研究的方向。本課題通過對內(nèi)部軟組織及足中關(guān)節(jié)間軟骨應(yīng)力情況的研究，可觀察到在矯正鞋墊的干預(yù)下內(nèi)部載荷轉(zhuǎn)移以及應(yīng)力分布的情況。足中關(guān)節(jié)炎的發(fā)生會引起足弓的下降，從而可能造成扁平足，而扁平足患者在足跟區(qū)的壓強(qiáng)變化率最大[23]，且在跖骨區(qū)第3跖骨的應(yīng)力與正常組相比有較大差異[24]，所以，對軟組織內(nèi)部進(jìn)行剖切，觀察足跟區(qū)與跖骨區(qū)以及足中部軟組織的內(nèi)部受力情況。相比裸足情況，鞋墊的足弓支撐分擔(dān)了一部分足跟區(qū)、跖骨區(qū)的應(yīng)力，使軟骨的應(yīng)力峰值有所增加，但在足中內(nèi)部發(fā)生骨關(guān)節(jié)炎的舟楔關(guān)節(jié)周圍，軟組織的應(yīng)力峰值在最優(yōu)方案鞋墊下降低效果最好，從而可以減少和緩解足中關(guān)節(jié)炎造成的周圍軟組織損傷和疼痛，預(yù)防慢性關(guān)節(jié)炎引起并發(fā)癥的發(fā)生。此外，足跟區(qū)的軟組織內(nèi)部應(yīng)力峰值為表面的1.61倍，與Fernandez等的1.6倍的結(jié)論[25]相似。

目前，已有關(guān)于扁平足矯正鞋墊的研究，其目的是減少前腳掌和后跟部位的應(yīng)力，有效支撐內(nèi)側(cè)縱弓，緩解疼痛，改善足弓內(nèi)部結(jié)構(gòu)。但在復(fù)合病癥下具有復(fù)合作用功能鞋墊的研究較少，且對患有足部關(guān)節(jié)炎(特別是足中關(guān)節(jié)炎)的患者在鞋墊干預(yù)下足弓區(qū)內(nèi)部軟骨的力學(xué)研究鮮有報道。本研究設(shè)計的鞋墊，是基于足弓高度、楔形角和剛度，考慮了患者足部內(nèi)外應(yīng)力的改善以及筋膜應(yīng)力的影響情況。圖4結(jié)果顯示，最優(yōu)水平的選擇對各區(qū)域應(yīng)力峰值降低的作用效果不一致，但之間的差值很小。為了減小患者在舟骨和內(nèi)側(cè)楔骨間關(guān)節(jié)受力而減輕疼痛，將軟骨應(yīng)力峰值大小作為主要參考，從而發(fā)現(xiàn)足弓高度并不是越大越好，楔形角為5°時軟骨應(yīng)力峰值最小，而鞋墊剛度的不同對其影響較小。再根據(jù)極差分析結(jié)果，R值最大者為主要因素，并選取其最優(yōu)水平，從而得到的最優(yōu)方案為H3D3E2，即足弓高度為30 mm、楔形角為5°、剛度為1 MPa的鞋墊。與此相比，普通鞋墊沒有足弓支撐和楔形角度，其較軟的材料對足底起到一定的緩沖作用，且扁平足易引發(fā)足弓外翻，對足弓結(jié)構(gòu)沒有起到改善作用。Kerrigan等[26]發(fā)現(xiàn)，楔形角度為5°的鞋墊更加舒適，且5°的外側(cè)楔形鞋墊可以減少膝內(nèi)翻力矩，對人的姿態(tài)起到一定的矯正作用。Zhang等[27]利用有限元模擬了在站立相時期脛骨后腱功能的障礙對足弓的影響，表明筋膜的松懈和后腱功能的障礙會造成在缺乏足弓支撐下周圍軟組織結(jié)構(gòu)衰弱和足弓伸長，從而導(dǎo)致進(jìn)行性扁平足。而長時間的筋膜載荷會導(dǎo)致應(yīng)力升高，炎癥發(fā)生，加重關(guān)節(jié)炎患者疼痛。相比裸足情況，普通接觸式鞋墊和最優(yōu)鞋墊均可降低筋膜應(yīng)力，且后者更好，第一根筋膜應(yīng)力相對較高可能是扁平足患者內(nèi)側(cè)足弓塌陷且關(guān)節(jié)炎發(fā)生在內(nèi)側(cè)跗骨關(guān)節(jié)而導(dǎo)致的。

脛骨后肌為內(nèi)側(cè)縱弓提供了動態(tài)支撐[21]，而本模型缺少對小腿肌肉的建立，鞋墊不同區(qū)域包括足弓支撐部分的材料一致。因此，在建立更加完整足部模型的前提下，變剛度鞋墊對足部不同區(qū)域的影響將是下一步的研究方向。

結(jié)論

通過圖像分割和網(wǎng)格劃分，建立了伴有足中骨關(guān)節(jié)炎的扁平足患者有限元模型，且仿真結(jié)果較為準(zhǔn)確。利用正交實驗設(shè)計，可科學(xué)高效地對鞋墊不同因素的水平參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選組合。相比普通鞋墊，所設(shè)計的足弓支撐高度為30 mm、楔形角為5°、材料剛度為1 MPa的鞋墊作用效果更好，使足弓得以支撐，姿態(tài)得以矯正，筋膜應(yīng)力得以緩解，足底內(nèi)外應(yīng)力分布更加均勻。復(fù)合作用鞋墊對復(fù)合病癥的相互作用影響具有矯正作用，對這種足中關(guān)節(jié)炎和扁平足復(fù)合病癥的治療有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：略
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PART? 01

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