基于三点力原理对足内翻矫形器矫正效果的有限元分析

宁天亮; 王坤; 王领彪; 韩鹏飞

doi:10.12307/2023.710

摘要：背景:三点力学是踝足矫形器矫正与预防足部各类疾病的有效方法,目前关于3D打印踝足矫形器的临床应用研究已普遍存在,但其涉及三点力学矫正的数值模拟与有限元分析报道相对较少,缺乏相关生物力学实验验证. 目的:通过有限元法对踝足矫形器与足部复合模型进行三点力加载分析,观察在三点力干预下佩戴踝足矫形器的足部矫正效果,验证三点力的有效性及踝足矫形器的可靠性. 方法:基于医学图像处理软件Mimics构建1例健康志愿者足踝三维模型,采用Rodin 4D与Geomagic逆向工程软件对各模型进行优化处理,设计个性化踝足矫形器模型.利用Solidworks软件对足踝模型进行内侧翻转10°以模拟足内翻病态,通过ANSYS软件结合三点力学原理对足部施力区进行静力加载,在满足人体足部痛阈时分析足踝各组织形变与应力变化,利用显示动力学进一步验证踝足矫形器施加三点力的有效性. 结果与结论:①设计的个性化踝足矫形器具有预防足踝内翻和固定作用,在未穿戴踝足矫形器时,受到1 N·m内翻载荷后足踝内翻1.81 mm,而穿戴踝足矫形器后仅为0.44 mm,变形率降低75.7%,预防内翻效果明显增强;②仅冠状面矫正时,跟骨力系过小会加剧患者前足内翻,调整足跟内侧与内踝上方矫正力后,前足内翻角与跟骨位得到改善,但足部内侧趾骨区仍有不同程度内收移位,会加剧患者前足内收畸形;③冠状面、水平面两组三点力系统联合作用矫正效果优于单冠状面,表现为在足跟内侧、第一跖骨干内侧、外踝下方与内踝上方的力(25,10,10,20 N)作用下,前足内侧趾骨无内收移位,前足内翻角减小,并沿X轴外翻矫正1.395 mm,跟骨外翻矫正1.227 mm,在变形比例放大云图下跟骨内翻角由10.21°矫正至7.25°,内翻角改善28.9%;④两平面三点力作用下,足底外侧跖骨负荷减小,内侧跖骨负荷增加,矫正后足底骨骼应力显著得到改善,进一步验证了三点力原理的可靠性,该研究为临床患者穿戴踝足矫形器治疗足内翻提供了重要理论支撑.