基于三点力原理对足内翻矫形器矫正效果的有限元分析

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1.81mm,而穿戴踝足矫形器后仅为0.44mm,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1.227mm,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。

基于逆向工程和3D打印的踝足矫形器产品设计

传统工艺如石膏制作的足踝矫形器存在气密性低、制作效率低、舒适度差等缺点。针对此问题,文章采用逆向工程结合3D打印技术对踝足矫形器进行定制式设计,获取足部STL数据,联合逆向建模软件Geomagic studio与Rodin 4D对矫形器关键部位修型,用Grasshopper进行轻量化设计,降低打印成本与质量,通过有限元分析验证其力学性能,使用聚乳酸通过FDM 3D打印技术打印实物,并进行穿戴测试。结果表明:重建后模型精度最大偏差为0.868 mm,标准偏差0.0471 mm,模型构造精准。镂空后的矫形器在30 N碰撞集中载荷下,2 mm厚度矫形器晶格中部峰值应力为16.32 MPa,最大变形1.49 mm,晶格右侧峰值应力为15.64 MPa,最大变形0.78 mm,峰值应力均小于PLA材料抗拉强度,最大变形均小于产品本身厚度2 mm,力学强度性能符合后续生产设计要求,实物穿戴测试表明产品舒适度较好。