一体化假肢与传统假肢生物力学模型的比较

目的:应用有限元方法分析一体化假肢与传统假肢的应力分布特点,探讨一体化假肢的应力缓冲作用。方法:基于针对同一膝下截肢者设计的一体化假肢和传统假肢的真实几何构形,分别建立三维有限元模型,同时考虑残肢和接受腔之间的接触作用,选用摩擦系数为0.5。施加HeelOff步态时相的载荷,比较分析一体化假肢和传统假肢模型的应力分布。结果:①一体化假肢和传统假肢模型中,接受腔的应力分布基本一致,各区域的应力值也较为接近。接受腔和假腿的过渡区域都为高应力区;两个模型在此区域的应力值则差异较大,一体化假肢的最大应力分别为16.1MPa和17.8MPa,而传统假肢则达到23.7MPa和28.6MPa,传统假肢的应力分别高于一体化假肢47.2%和60.7%。高应力区的面积也呈现出传统假肢明显大于一体化假肢的现象,传统假肢的高应力区从前端和后端一直延伸到外侧面。②两个模型软组织表面的应力分布规律基本一致,最大正应力和最大剪应力都出现在正面末端。传统假肢模型中残肢表面的最大正应力和最大剪应力分别为581.2kPa和178.7kPa,一体化假肢模型中残肢表面的最大正应力和最大剪应力分别为416.8kPa和118.3kPa。结论:一体化假肢的外形美观,且价格低廉,轻便,易于截肢者接受。一体化假肢在接受腔和假腿的过渡区域产生较为明显的应力缓冲作用,也降低了残肢表面的应力,生物力学性能明显优于传统假肢,将成为未来假肢发展的一个重要方向。

内骨架一体化小腿假肢的生物力学研究

一体化假肢是以聚合物为材料从接受腔到假腿一体成型的新型下肢假肢 ,它比传统型假肢更经济、美观、轻便 ,具有较大的应用前景。目前的相关研究主要集中在设计与制作及少量的临床研究方面。由于一体化假肢与传统型假肢在结构上的差异 ,有必要对其进行应力分析。本研究的目的是开展内骨架一体化假肢的生物力学研究 ,本研究基于内骨架一体化小腿假肢的真实几何构型 ,建立三维有限元模型 ,计算该模型在模拟HeelOff步态时相的载荷作用下的应力分布 ;在保持该模型的几何形状不变的情况下 ,建立了三个不同壁面厚度的一体化小腿假肢的有限元模型 ,分析壁面厚度对一体化小腿假肢应力分布的影响 ;通过分别赋予模型四种不同高分子聚合物的材料力学特性值 ,分析不同材料的一体化假肢的应力分布特点 ;分别对模型施加与正常步态的五个典型时相对应的载荷 ,分析一体化小腿假肢在各步态时相的应力分布特点。本研究结果对一体化假肢设计有指导价值。

壁面厚度对一体化小腿假肢应力分布的影响

一体化假肢是以聚合物为材料从接受腔到假腿一体成型的新型下肢假肢 ,它比传统型假肢更经济、美观、轻便 ,具有较大的应用前景。如同传统假肢 ,应力分析对于一体化假肢的构型设计和优化具有重要的意义。由于假肢中的应力大小及分布与其所用材料的力学特性密切相关。本文的工作是基于一实验用内骨架一体化小腿假肢的真实几何构型 ,考虑残端软组织和骨 ,建立一体化小腿假肢的三维有限元模型 ;在保持假肢的几何形状不变的前提下 ,建立三个不同壁面厚度的一体化小腿假肢的三维模型 ,应用有限元分析方法 ,计算这些模型在模拟 Heel Off步态时相的载荷作用下的应力分布 ,分析壁面厚度对一体化小腿假肢应力分布的影响 ,为一体化小腿假肢壁面厚度的设计标准提供参考。结果表明 ,可以通过适当增加壁面厚度来减小一体化假肢的应力及软组织表面的压力。

一体化小腿假肢的三维有限元应力分析

建立一体化小腿假肢和残肢的三维模型 ,应用有限元分析方法 ,计算此模型在模拟 Mid- Stance步态时相的载荷作用下各节点的应力 ,从而得到此模型内外表面的应力分布 ,为一体化假肢设计的 CAD\CAM系统提供理论依据。计算结果表明 ,接受腔的应力值较小 ,假腿的应力值较大 ,高应力区出现在假腿下端及接受腔与假腿的交界区域。

一体化小腿假肢在不同步态时相的应力分布

在典型步态时相对一体化假肢进行应力分析,为一体化假肢的设计提供参考。采用一实验阶段的内骨架一体化小腿假肢的真实几何构型,并考虑残端软组织和骨,建立三维有限元模型,分别施加HeelStrike、FootFlat、Mid Stance、HeelOff和ToeOff5个典型步态时相的载荷,计算假肢内的应力分布,采用VonMises应力为分析指标。结果表明:一体化假肢和软组织各区域的应力在HeelOff步态时相均为最大,假腿、接受腔、交界区域的最大VonMises应力分别为30MPa、18MPa、32.1MPa,软组织表面最大正应力为703.8kPa。HeelOff为步态周期中最不利的步态时相,一体化假肢的设计应该重点考虑满足该步态时相的强度要求。

一体化小腿假肢对线角度优化设计

在一体化小腿假肢设计阶段,必须确定接受腔和腿管之间的正常对线角度。该文以矢状面和额状面2个对线角为设计变量,以异常对线下3个下肢生物力学特性参数与正常对线下相应取值偏差最小为优化目标,建立了优化计算模型。根据步态实验数据和小腿三维动力学模型,采用二次插值法,计算并获得了最优对线角。矢状面有0.32°屈膝角,额状面有2.85°内收角,与实验测量值基本一致。该算法可以用于一体化假肢的数字化设计和传统组件式假肢对线准则的制订。