足踝矯形器的計算生物力學研究

足踝矯形器對人體的生物力學影響大多基于實驗測量，如步態分析、物理測量、醫學影像、尸體實驗、組織力學性能測量、界面參數測量等。但足踝矯形器對人體組織的應力分布的影響以及足踝矯形器自身的生物力學特性與矯形器設計直接相關，且通過以上研究手段難以獲取數據。因此，計算生物力學方法被廣泛用于足踝矯形器的生物力學研究，評估難以物理測量或者參數分析時間相應周期過長的生物力學因素，用以輔助矯形器的制造或者優化設計。計算分析可以對足踝矯形器受力、足踝受力以及矯形器與足踝接觸界面的應力分布進行定量分析。對制造材料及形狀等設計因素進行參數分析可以無需通過制造測試而快速得到結果相應。

計算生物力學分析方法在足踝矯形器的設計中評估參數一般包含足底應力分布，足踝軟組織及關節受力以及矯形器變形和應力分布，例如觀測矯形器厚度和剛度對足底應力分布以及足底軟組織受力的影響。有研究基于有限元分析方法對糖尿病足矯形器進行優化設計時，分析了足底筋膜區域以及后跟區域足底軟組織的應力分布，并發現矯形器側邊與足踝接觸間隙顯著影響足底軟組織的應力分布。不同的生物力學參數對設計的影響作用不同，矯形器表面形狀對足底應力分布影響最大，其次是矯形器材料剛度。有研究利用足踝及矯形器有限元模型進行分析發現全接觸鞋墊可以降低足跟、跖骨頭區域的最大應力值，但增加了中足區域和大拇趾區域的足底應力。

熱塑性 AFO 存在的一個普遍問題是應力破壞，早在 1995 年就有研究利用有限元模擬方法分析了AFO使用狀態下的應力分布，發現應力集中區包括脖頸區、足跟區以及小腿外側區，但最高應力發生在脖頸區。在特定區域加強設計可以預防斷裂，為了確定加強區域及評估加強效果有研究建立了 AFO 有限元模型并模擬步態支撐期，對比了不同加強方法下AFO的最大拉應力和變形。佩戴 AFO 會導致局部區域體感過熱或出汗問題，改換設計材料時利用有限元模型分析對比不同設計的變形及應力，可以保證其生物力學功效不會降低。為了降低足底應力，需要找出最優化的厚度和材料組合，改變有限元模型中 AFO 不同層的厚度和材料，分析對足部軟組織和骨頭傳遞的拉力的影響作用，可以找出優化的 AFO 設計明顯改善前中后足的應力分布，也因此改善 AFO 佩戴下的步態。 因為對模型調整修改的快速響應以及對難以測量參數分析的便利性，有限元分析已經作為一個重要環節在AFO制造過程中得以廣泛應用。

足踝是人體運動和承重的最主要部分，其損傷或病變直接影響人體的基本運動功能。足踝矯形器是以非手術方法輔助加強足踝功能、緩解疼痛的有效干預手段，與此同時也會對改變足踝、下肢甚至脊柱的功能或造成繼發傷害。因此大量研究評估了足踝矯形器對足踝、下肢及以上部分的生物力學影響。這些數據已成為足踝矯形器優化設計提高治療有效性的必要條件。

目前，足踝矯形器的設計仍多基于經驗，其矯正或康復效果存在廣泛爭議。隨著醫學影像技術、實驗測量技術及計算生物力學技術的發展，更加深入全面的足踝乃至下肢生物力學技術將被更全面和深刻揭示，且廣泛應用于足踝矯形器的設計和評估。人們已開始智能矯形器的研究，在矯形器中加入生物反饋和時時調節功能以及對環境監測提供主動動力、障礙避讓等功能。以上研究將促使個性化定制足踝矯形器成為現實，并將大大提高產品的功能性和舒適性。三維打印技術和打印材料的突破將大幅縮短個性化定制足踝矯形器的制造周期。

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