半月板損傷研究新突破：南方醫(yī)科大學(xué)利用虛擬仿真技術(shù)探索ACF材料鞋墊的優(yōu)勢(shì)
研究背景?
半月板作為維持下肢運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定和緩解地面沖擊的重要結(jié)構(gòu)，時(shí)刻承受著巨 大的壓力，也十分容易損傷。反復(fù)的急慢性損傷最終都可導(dǎo)致半月板撕裂，不 僅如此，當(dāng)半月板撕裂發(fā)生后，不論是手術(shù)治療還是保守治療都很難阻止膝關(guān) 節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎（Knee Osteoarthritis，KOA）的發(fā)生。具有緩沖性能的鞋墊可通過 減緩和吸收足與地面撞擊產(chǎn)生的沖擊，從而緩解膝關(guān)節(jié)所受到的壓力，延緩半 月板損傷。而傳統(tǒng)的 EVA 材料鞋墊的減震效果較差，對(duì)于損傷的膝關(guān)節(jié)并不能 夠起到良好的保護(hù)作用。
現(xiàn)有三種新型材料（ACF、U35 和 UF）已被證實(shí)具有 較好的減震效果，但其是否可以緩解半月板撕裂膝關(guān)節(jié)的壓力，延緩 KOA 的發(fā)生有待進(jìn)一步的研究。
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研究目的?
本課題旨在評(píng)價(jià)不同材料的壓縮力學(xué)特性，探究其對(duì)健康男性大學(xué)生步態(tài) 的影響及其在體緩沖性能，并利用有限元方法分析其對(duì)內(nèi)側(cè)半月板撕裂膝關(guān)節(jié) 的保護(hù)作用。
對(duì) EVA 、ACF、U35?和?UF四種材料，進(jìn)行 5、10 和 20mm/min 的壓縮力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)， 對(duì)比其應(yīng)力-應(yīng)變曲線及能量吸收性能。
篩選 12 名男性健康大學(xué)生受試者，采集受試者穿 4 種鞋墊進(jìn)行行走和慢摘 要 II 跑時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，觀察膝關(guān)節(jié)角度的變化。
采集受試者穿 4 種材料鞋墊進(jìn)行 5、10 和 15cm 高度的高臺(tái)單腿垂直下落 足底壓力數(shù)據(jù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。
采集一名受試者右側(cè)膝關(guān)節(jié)的影像學(xué)數(shù)據(jù)構(gòu)建健康及損傷膝關(guān)節(jié)有限元 模型，并加載 10cm 高臺(tái)垂直下落足跟壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析。
1. 獲得了 4 種材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，HFU 材料在壓縮速率為 5 和 10 mm/min 時(shí)單位體積能量吸收最大，ACF 材料在壓縮速率為 20 mm/min 時(shí)最大。
2.受試者穿著 ACF、 HFU 和 U35 鞋墊慢跑時(shí)的膝關(guān)節(jié)屈曲角度分別為 （55.03±3.69）°、（55.08±2.88）°和（54.88±2.28）°，與穿著 EVA 鞋墊時(shí) （54.42±2.95）°無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。
3. 在 10cm 高度垂直下落足底峰值壓力結(jié)果中，ACF 和 HFU 鞋墊與 EVA 鞋墊有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，其中 ACF 鞋墊在 10cm 高度結(jié)果最小（2174.16±270.63）N。 三種新型材料鞋墊的 10cm 高度垂直下落足底峰值壓力體重比結(jié)果與 EVA 鞋墊 均有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。
4.使用 3 種新型材料鞋墊的膝關(guān)節(jié)應(yīng)力均小于 EVA 鞋墊，撕裂的內(nèi)側(cè)半月 板應(yīng)力峰值（MPa）：12.32（EVA），10.19（HFU），9.33（U35），9.02（ACF）。
研究結(jié)論
1. ACF 材料與 EVA 材料具有相似的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形式，且具有應(yīng)變率效 應(yīng)，HFU 材料和 ACF 材料的能量吸收性能優(yōu)于 EVA 材料。 2.ACF、HFU 和 U35 鞋墊均可有效降低足底應(yīng)力，其中 ACF 鞋墊效果最好。（通 過對(duì)于損傷膝關(guān)節(jié)應(yīng)力分布比較推斷，10cm高度垂直下落時(shí)，各個(gè)材料的減震 性能：ACF材料＞U35材料＞HFU材料＞EVA材料。）
3.內(nèi)側(cè)半月板后角發(fā)生放射狀撕裂后，三種新型材料均可通過有效降低關(guān)節(jié) 間應(yīng)力的方式保護(hù)損傷的膝關(guān)節(jié)，其中ACF材料制成的ACF人工軟骨鞋墊效果最佳。
資源來源：《南方醫(yī)科大學(xué)——不同材料緩沖鞋墊對(duì)半月板撕裂保護(hù)作用的虛擬仿真研究》
