足踝矫形器的计算生物力学研究

足踝矫形器对人体的生物力学影响大多基于实验测量，如步态分析、物理测量、医学影像、尸体实验、组织力学性能测量、界面参数测量等。但足踝矫形器对人体组织的应力分布的影响以及足踝矫形器自身的生物力学特性与矫形器设计直接相关，且通过以上研究手段难以获取数据。因此，计算生物力学方法被广泛用于足踝矫形器的生物力学研究，评估难以物理测量或者参数分析时间相应周期过长的生物力学因素，用以辅助矫形器的制造或者优化设计。计算分析可以对足踝矫形器受力、足踝受力以及矫形器与足踝接触界面的应力分布进行定量分析。对制造材料及形状等设计因素进行参数分析可以无需通过制造测试而快速得到结果相应。

计算生物力学分析方法在足踝矫形器的设计中评估参数一般包含足底应力分布，足踝软组织及关节受力以及矫形器变形和应力分布，例如观测矫形器厚度和刚度对足底应力分布以及足底软组织受力的影响。有研究基于有限元分析方法对糖尿病足矫形器进行优化设计时，分析了足底筋膜区域以及后跟区域足底软组织的应力分布，并发现矫形器侧边与足踝接触间隙显著影响足底软组织的应力分布。不同的生物力学参数对设计的影响作用不同，矫形器表面形状对足底应力分布影响最大，其次是矫形器材料刚度。有研究利用足踝及矫形器有限元模型进行分析发现全接触鞋垫可以降低足跟、跖骨头区域的最大应力值，但增加了中足区域和大拇趾区域的足底应力。

热塑性 AFO 存在的一个普遍问题是应力破坏，早在 1995 年就有研究利用有限元模拟方法分析了AFO使用状态下的应力分布，发现应力集中区包括脖颈区、足跟区以及小腿外侧区，但最高应力发生在脖颈区。在特定区域加强设计可以预防断裂，为了确定加强区域及评估加强效果有研究建立了 AFO 有限元模型并模拟步态支撑期，对比了不同加强方法下AFO的最大拉应力和变形。佩戴 AFO 会导致局部区域体感过热或出汗问题，改换设计材料时利用有限元模型分析对比不同设计的变形及应力，可以保证其生物力学功效不会降低。为了降低足底应力，需要找出最优化的厚度和材料组合，改变有限元模型中 AFO 不同层的厚度和材料，分析对足部软组织和骨头传递的拉力的影响作用，可以找出优化的 AFO 设计明显改善前中后足的应力分布，也因此改善 AFO 佩戴下的步态。 因为对模型调整修改的快速响应以及对难以测量参数分析的便利性，有限元分析已经作为一个重要环节在AFO制造过程中得以广泛应用。

足踝是人体运动和承重的最主要部分，其损伤或病变直接影响人体的基本运动功能。足踝矫形器是以非手术方法辅助加强足踝功能、缓解疼痛的有效干预手段，与此同时也会对改变足踝、下肢甚至脊柱的功能或造成继发伤害。因此大量研究评估了足踝矫形器对足踝、下肢及以上部分的生物力学影响。这些数据已成为足踝矫形器优化设计提高治疗有效性的必要条件。

目前，足踝矫形器的设计仍多基于经验，其矫正或康复效果存在广泛争议。随着医学影像技术、实验测量技术及计算生物力学技术的发展，更加深入全面的足踝乃至下肢生物力学技术将被更全面和深刻揭示，且广泛应用于足踝矫形器的设计和评估。人们已开始智能矫形器的研究，在矫形器中加入生物反馈和时时调节功能以及对环境监测提供主动动力、障碍避让等功能。以上研究将促使个性化定制足踝矫形器成为现实，并将大大提高产品的功能性和舒适性。三维打印技术和打印材料的突破将大幅缩短个性化定制足踝矫形器的制造周期。

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