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當今都市社會，高跟鞋已成為女性必不可少的時尚裝備，然而穿著高跟鞋所引起的跖間神經(jīng)瘤已成為女性足部的常見疾病之一，極大危害了女性足部健康。Thomson等報道，中年女性跖間神經(jīng)瘤的發(fā)病率較中年男性甚至超過10倍。早在1876年有關(guān)跖間神經(jīng)瘤疾病的臨床表現(xiàn)就已有報道，隨后的研究發(fā)現(xiàn)其發(fā)病機制與足部長期的異常生物力學有很大關(guān)系，穿高跟鞋和過緊的鞋被認為是導致跖間神經(jīng)瘤發(fā)生的主要原因之一，但其確切的誘發(fā)機制以及跖間神經(jīng)瘤為何總是高發(fā)于第3、4跖骨間尚不明確，導致醫(yī)生在臨床治療中對于是否松解跖間深橫韌帶、如何確定切除趾底總神經(jīng)的起始點等無法做出準確預(yù)判。有限元分析是一種有效的力學定量研究手段，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于肌骨系統(tǒng)生物力學特性研究。
本課題組在前期建立的三維足-踝-鞋計算生物力學平臺基礎(chǔ)上，模擬分析穿高跟鞋平衡站立和行走時高跟鞋對前足內(nèi)部跖間區(qū)域軟組織應(yīng)力的改變情況，定量分析足部異常生物力學誘發(fā)跖間神經(jīng)瘤的機制。
基于1名無任何足部疾病女性志愿者(身高165cm，體重54kg，年齡28歲)，取右足在無負重時正中位進行MR冠狀面斷層掃描，獲得層厚1mm的圖像序列。結(jié)合解剖學知識，通過三維醫(yī)學圖像重建軟件Mimics14.1分割并重建足部各個主要部分，其中包含28塊骨骼、78根韌帶和5列足底筋膜、9條肌肉及足部外圍軟組織。再導入SolidWorks2003軟件進行三維重建，最后導入有限元分析軟件ABAQUS建立有限元模型。通過鞋設(shè)計軟件ShoeCAD(Excel-Last公司，香港)設(shè)計高跟鞋實體模型，分別建立0、2.54、5.08、7.62cm［0、1、2、3″(英寸)］4種跟高高跟鞋足底支撐模型。足-踝-鞋有限元模型如圖所示。相關(guān)的足踝和高跟鞋有限元模型材料屬性見表。
該足-踝-鞋計算模型平臺在脛骨和腓骨遠端完全約束，鞋底有地板模擬地面支撐。首先，分別模擬平衡站立于0、2.54、5.08、7.62cm的高跟足底支撐上，根據(jù)參數(shù)分析反推，于跟腱處分別施加75%、65%、80%和160%的半體重力(270N)，模擬站立重心與實驗志愿者足底壓力中心一致。對于穿高跟鞋行走的情況，先建立鞋與足的接觸，然后根據(jù)實際情況施加跟腱力和其他8條外肌肉，驅(qū)動模型行走運動。角度參數(shù)通過采集的志愿者步態(tài)分析數(shù)據(jù)獲得，肌肉力大小根據(jù)肌肉的生理橫截面積和標準化的肌電信號數(shù)據(jù)計算獲得，地面垂直反作用力分別取支撐相3個典型步態(tài)周期時刻，包括后跟著地期(29%)、站立中期(57%)和蹬地期(73%)。圖2所示為志愿者步態(tài)實驗中地面垂直反作用力隨著步態(tài)周期的變化曲線。
處于平衡站立時，穿4種不同跟高高跟鞋足部跖間應(yīng)力分布曲線如圖3所示。跟高越高，跖間應(yīng)力越大，即跟高和跖間應(yīng)力呈現(xiàn)正相關(guān)。其中，穿跟高0、2.54、5.08、7.62cm高跟鞋時第3、4趾間的應(yīng)力分別為17、23、32、53kPa，是各跖間中最大的，而第4、5趾間的應(yīng)力與穿同跟高高跟鞋時其他趾間應(yīng)力相比為最小。
穿5.08cm高跟鞋行走時步態(tài)周期下的趾間應(yīng)力通過上述足-踝-鞋有限元模型對穿跟高為5.08cm高跟鞋行走時的步態(tài)周期進行模擬，得到足部跖間應(yīng)力分布曲線。在一個步態(tài)周期內(nèi)，從后跟著地到蹬地期，各跖間應(yīng)力都呈現(xiàn)出上升的態(tài)勢，特別是3、4趾間在后跟著地期、站立中期、蹬地期的應(yīng)力分別為31、66、90kPa，都遠高于同期其他跖間的應(yīng)力值。圖穿5.08cm高跟鞋行走時步態(tài)周期下各趾間組織應(yīng)力。
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