足踝生物力学研究及其在手术和辅具治疗中的应用

Biomechanics of the foot and ankle is fundamentally related to the etiology and treatments of foot problems including deformities, pathology and injuries. The etiology, prevention and treatments of foot problems are requiring more biomechanical evidence. Over the lase decade, biomechanical investigation of the foot has been widely conducted and provided valuable information, but there are still large gaps and limitations: (1) most detection focused on the regulations of motions outside of the body, parameters of which were insufficient to understand the etiology of foot problems and consequences of treatments, (2) foot and ankle have been investigated partially, evaluation on the entire foot and ankle being inadequate, and (3) biomechanical studies were limited to the musculoskeletal elements including the bones, muscle/tendons, ligaments and fascia, while biological effects such as blood flow and muscle oxygen supply were not considered. This project aims to （1) combine experimental and computational methods to investigate the foot and ankle biomechanics in multi-perspectives and -levels, （2) associate the biomechanical behaviors with the biological behaviors of the foot and ankle, and （3) establish a platform for understanding consequences of surgical and orthotic intervention, so as to provide scientific guidance to surgical treatment, implant and orthosis design, and application of 3D printing.

多数足踝畸形、疾病及损伤的发生及治疗都与生物力学紧密相关，足踝生物力学研究被越来越多应用于探索病理，预防损伤和预判治疗效果方面。近十几年来足踝的生物力学研究取得了较大进展，但仍然存在较大不足和局限性，主要体现在：1）研究多停留在外部运动规律的层次上，其测量参数难以直观反应病理和治疗影响；2）对足踝内部的探究多局限于足踝局部，而局部干预对足踝其他部位乃至整个足踝的影响作用研究不足；3）足踝的生物力学研究仍然被主要限制在肌骨生物力学范畴内，忽略了血流和肌氧等参数的影响。本研究拟结合生物力学实验和数字仿真技术，对足踝病态及治疗的生物力学问题进行多角度多层次的研究，同时注重反映肌骨力学指标与血管血流和肌氧之间的关联；本研究还将建立一个多层面的足踝生物力学研究平台，为足踝病理探究、治疗及康复方案的制定，以及内植物或辅具设计和3D打印技术的应用提供科学指导和可量化数据。

项目背景：足踝生物力学探究足踝肌骨系统的运动和力学规律，揭示畸形、疾病及损伤状态对足踝功能的影响以及评估相关治疗方案的有效性，是解释病理、预防损伤和手术方案制定以及预评估的必要高效的基础手段。虽然足踝的生物力学研究取得了较大进展，但仍然存在较大不足和局限性。针对以上问题，本课题结合生物力学实验和数字仿真技术，对足踝病态及治疗的生物力学问题进行了多角度多层次的研究。.主要研究内容：首先，研究建立了足踝肌骨系统包含部分血管的生物力学模拟平台。该平台从外部实验测量至内部生物力学环境计算包含了详实全面的研究途径；其次建立了全面系统的生物力学数据和信息数据库。项目已经进行了多种功能状态的足踝在不同支撑状态下的生物力学研究，涵盖参数无以计数；最后，面向足踝功能障碍人群的个性化康复训练需求，开发了近红外血氧检测评估及神经反馈训练技术。.重要结果：重要成果分为研究平台的建立及建模和实验方法的创新， 以及应用生物力学研究平台研究足踝疾病的病理及治疗方法对整个足踝的生物学影响。1）研究平台的建立及建模和实验方法的创新主要从以下方面展开：建立肌骨系统多体模型，分析不同状态下的肌肉力和关节力；完善为不同研究目的的有限元模拟方法；血流及血氧传递的模拟；肌氧的测量用于评估下肢肌肉疲劳状态；超声波的组织特性检测。2）生物力学研究平台已经应用于扁平足、踝关节炎、拇外翻、足底筋膜炎及跟骨痛、跟骨骨折、糖尿病足脚踝扭伤、足底支撑干预下肢关节等问题的治疗效果评估。.关键数据及其科学意义：外部的足踝整体及局部运动范围、运动角度速度、各个关节运动力矩、主要肌肉的肌肉力、内部关节的接触力及力矩、接触界面的应力分布、足踝内部各组织的应力应变、位移形变等。以上数据系统完备，可用于解决运动、康复、临床及多种健康多个方向复杂的人体生物力学研究需求以及为多种足踝相关问题提供直接数据参考和理论依据。