研究最大足底应力/鞋垫设计使用脚图中显示图像的超弹性的软组织

文摘

鞋垫的形状,以及随之而来的足底压力分布产生重要影响的整体健康。本文通过有限元方法,最大应力值和应力分布,研究了足底的鞋垫设计不同,它是平面和custom-molded(形)表面。此外,鞋垫厚度、鞋跟的高度和不同的材料被用来最小化最大应力,实现最均匀的应力分布。本文中使用的脚形状和细节是进口网络图中显示图像。结果表明,custom-molded鞋垫降低最大应力比平面鞋垫增加了40%。在增加厚度的鞋垫类型,应力分布更加均匀和最大应力值降低10%;然而,增加1厘米的厚度变得无效的超过一个阈值。通过增加鞋跟高度(程度的鞋垫),最大应力从脚跟到脚趾和变得更加均匀。因此,这种情况下是非常有用的为控制压力在0.2°到0.4°摄氏度custom-molded鞋垫1°平的鞋垫。通过改变材料的鞋垫,最大应力的值仍然几乎不变。 The custom-molded (conformal) insole which has 0.5 to 1 cm thickness and 0.2° to 0.4° degrees is found to be the most compatible form for foot.

1。介绍

脚痛的原因之一是不自然的应力分布(1),类风湿性关节炎患者,不适当的应力分布导致脚部疼痛水平升高(2]。这个问题可以很容易地避免利用合适的鞋垫。因此,减少足底压力通过确定适当的厚度,鞋跟的高度,弹性材料用于鞋垫具有关键的重要性。

在跖骨应力分布区域可以通过实验方法测量,如pedobarography和F-scan [3]。Pedobarograph设备可以测量压力分布的唯一不同模式下走(4]。出现在1978年,pedobarography决定下的平均压力及其分布足底和描述图必要的定性/定量分析标记最大和临界压力5]。然而,这种方法仅限于测定足底之间的压力分布和pedograph的表面光滑,不能用于徒步检查压力分布,在使用鞋垫。因此,它不能用于研究压力分布在鞋垫的脚由于设计变量的形状和材料(4,5]。

其他实验方法是F-scan给上级结果相比,后一种方法。F-scan系统通常用于提供动态压力,力,脚和时间信息功能和步态分析使用薄膜传感器(6]。由于使用灵活、层流和敏感的传感器,它可以塑造适合脚表面,F-scan传感器可以嵌入在鞋垫的变量设计和实时记录的压力。最新版本已经成为更多的功能和被用来记录下的压力分布步行走/跑不同的模式和不同的种族和性别7]。F-Scan也适用于设计和测试的矫正器,卸载糖尿病脚,和评估/修改鞋和运行技术精英运动员(6,7]。然而,即使F-scan无法衡量内部压力和压力之间的软组织和骨组织的脚。因此,它不能提供一个完整的压力分布和其内部交互的基本单位的脚,不能支持的骨科研究人类健康的可持续发展。相应的实验方法,如pedobarography和F-scan不是成套包设计和应力分析步行,特别是在昂贵的制造阶段。因此,有必要对建模与仿真软件包,如有限元方法(FEM),这让生物医学工程设计师获得洞察不同参数的影响影响压力步行,鞋垫的制作之前,避免相关的成本。

最近的计算功能的开发以及有限元分析(FEA)的进步,作为一种数值方法,对解决工程问题,创造了伟大的影响包括在脚应力分布。有限元法能够填补之间的差距,内部应力计算软,脚骨组织,因此,适用于鞋垫的设计。有很多研究应力分布的有限元分析,包括不当应力分布在行走障碍患者的脑后事故(8)、应力分布和等效应力在受伤的脚9,研究肌腱对应力分布的影响(10]。特别是,脚应力分布对鞋垫的设计和材料检验了有限元法,考虑线性和弹性11]。此外,厚度的影响也考虑使用有限元分析并与实验数据(12]。然而,我们所知的,非线性、超弹性的性质并没有全面检查,结果,数值结果并不关注实验的结果。

在本文中,我们表明,改变鞋垫设计中扮演着重要的角色在改变应力分布和脚的大小。我们还表明,应力值没有影响最为显著,应力分布也同样重要。我们研究了厚度的影响,鞋跟的高度,鞋垫的形状,材料减少施加于脚的最大应力。此外,我们有定量研究趋势,应力分布的配置,脚的变化及其机制。在随后的章节中,我们将首先介绍数据采集的方法和步骤在我们的分析。改进和实现高数值模拟结果和实验结果之间的一致性,三维,脚(骨架)的详细模型导入到有限元模型,包括骨矿物质密度(BDM)和软组织。接下来,该模拟方法及其结果将与验证。最后,我们将检查变量的影响考虑和讨论的趋势和总体设计指南。

2。方法

有限元法用于分析软、硬骨之间的内部应力分布的组织。提供有效和准确的有限元模拟的输入数据,我们需要一个3 d模型的脚从脚有足够的细节(骨架)和骨矿物质密度(BDM)。鞋垫设计CAD软件,特别是在SolidWorks和获得一个精确的模型,几乎所有细节的脚和相关的BDM,我们已抓获然后进口扫描图像。脚和脚踝的3 d模型已经准备从图中被称为标准DICOM格式图像的图像,一般用于医学摄影和代表“医学数字成像和通信”[15,16]。750张照片是在三个不同的方向。这些图片导入到模仿10软件。使用这个软件,软组织骨组织分离,成为独立的3 d模型,机械性能的需求转移。模拟的输出是一个shell /中空的三维模型;结果,它应该被改造成一个坚实的对象之前被出口到有限元软件进行分析。模型成为固体SolidWorks 2013然后他们组装和模拟的帮助下SolidWorks模拟2013。转移的示意图(再生)SolidWorks的3 d模型,代表了坚实的骨组织,软组织,和鞋垫,如图1。

18鞋垫的设计分析,26块骨头的脚和2为胫骨和腓骨骨被认为和建模17]。软组织熊非线性超弹性的特性,从实验测试获得的,假设一个奥格登超弹性的模型(18]。然而,线性弹性假定为骨组织和鞋垫和线性位移对压力在三个方向。骨组织授予完全自由位移。肌腱的影响是嵌入在部队的定义和肌腱的方向相同。机械性能是假定均匀。以上假设适用于比较分析。材料属性被发表在表1(11,13,14]。

元素类型被认为是四面体和所有组装模型元素的数量是不同的在16000年和25000年之间根据鞋垫的形状。人被认为是70公斤的重量和静态加载,比赛是白种人,雅利安人。此外,整个重量的一半力量进入足跟腱(在相反的方向11]。鞋垫和脚之间的摩擦系数是0.611]。厚度和鞋跟高度评估为2000 MPa鞋垫弹性。五个厚度(0.25,0.5,0.75,1和2厘米)和三个高度的高跟鞋(3度0.25°,0.5°,1°)为custom-molded(形)鞋垫和三个厚度(0.25,0.5,1厘米)和四个高度的高跟鞋(4度0.25°,0.5°,1°,和2°)平鞋垫检查。custom-molded鞋垫或正形鞋垫,覆盖了整个脚,使其完全需要的格式的脚,覆盖/填充所有的肿块,肿块的脚,而平鞋垫有平面脚与鞋内底平面。软组织被认为均匀和跟腱被认为是唯一的肌腱和韧带和其他被忽略。我们的结果上应力的分布,其最大,均匀性有很高的一致性与实验报告平鞋垫和custom-molded设计。在更多的细节,我们的仿真结果在后面的脚最大应力区域(后脚跟)不到5%的差异与实验结果为4毫米厚度平面鞋垫。此外,我们所有的仿真结果都表现出相同的趋势发表的实验报告平面和custom-molded鞋垫(12]。

3所示。结果与讨论

鞋垫的形状会极大地影响最大应力及其分布。图2描绘了一般应力分布模式步行,鞋垫的两个类型之间的比较认为,custom-molded(图2(一个))和(图2 (b)鞋垫。两个鞋垫具有相同的厚度、弹性和学位。custom-molded鞋垫的最大应力较低,不到40%的平坦的鞋垫。平的鞋垫的最大应力约为100 KPa时约60 KPa custom-molded鞋垫。此外,custom-molded鞋垫有更好更均匀应力分布,较平坦的鞋垫。在后一种情况下,鞋跟上的最大应力区域高出84%在跖骨最大应力,在中期的脚,他们的价值观之间97 KPa和52个KPa。另一方面,在custom-molded鞋垫(形),鞋跟上的最大应力区域仅为4%高于最大应力在跖骨,这可能是由于从众的鞋垫与自然的脚的形状,在custom-molded设计。换句话说,在鞋垫custom-molded设计已经在几乎所有形状的支撑脚的方向,这将导致一个更统一的应力分布和更少的最大应力。

在不同厚度和不同的结果custom-molded鞋垫弹性计算,原理图3。在增加厚度从0.25厘米到2厘米,最大应力在鞋跟从65.94 KPa减少到60.87 KPa和跖骨增加从52.136 KPa 61.92 KPa。图给出了最大应力的变化通过改变custom-molded鞋垫的厚度,它表明,超过0.75厘米,最大应力在所有地区仍然相对稳定;因此,最优厚度介于0.5和1厘米。

平鞋垫的结果在四种不同厚度和两个不同的弹性图绘制4。通过增加厚度从0.25厘米到1厘米,跟区域的最大应力减小从100.1 KPa 90.9 KPa和跖骨地区增加从1.36 KPa 2.24 KPa。如果降低最大应力,应力分布偏离一致性,根据图4。巨大的集中应力约100 Kpa脚后跟区域显示,压力并不是分布在平坦的鞋垫。此外,图提供了证据表明,增加的厚度变得无效的高于某个阈值,约0.75厘米。因此,厚度在0.5和0.75厘米是有利的。

最大应力几乎是独立的鞋垫材料,揭示了从我们的仿真结果。我们已经检查了鞋垫材料的影响及其对不同区域的最大应力影响custom-molded鞋垫的脚和一个典型的2厘米厚的鞋垫。结果总结在表2。表报告两种典型的模拟结果高(很难在年轻的模块的骨头)和低年轻(非常柔软的鞋垫)模块2000 Mpa和0.3 Mpa和显示所有地区发生轻微变化的压力。这个观察是由于压力的经验丰富的步行量主要是几何形状的函数和鞋垫配置对脚,不是鞋垫的材料。

在数据5和6,最大应力及其分布示意图绘制custom-molded和平坦的鞋垫厚度0.5厘米和2000 MPa与不同的鞋垫弹性度(高度的高跟鞋)。增加鞋垫的学位,或鞋跟高度,成为有害0.3°摄氏度以上,custom-molded设计,演示,分别在图5。然而,custom-molded设计,在低程度鞋垫下面0.3°,增加鞋垫学位是很有用的,因为它降低了最大应力对脚。后脚跟地区的最大应力减小从62.32 KPa 51.42 KPa但在跖骨从53.69 KPa增加到73.16 KPa,通过增加学位0°1°。根据图5,推荐使用一个优化范围鞋垫度降到最低压力值在每个区域的脚。结果表明,这种期望的程度约0.2°0.4°custom-molded鞋垫设计。

平鞋垫设计,从96.291 KPa跟地区的最大应力减小到85.385 KPa但在跖骨从1.78 KPa增加到2.06 KPa,通过增加学位0°2°。图6显示,增加的程度变得有害超过一定阈值但在较低的程度可能是有用的。因此,结果表明,利用最优范围的鞋垫程度降到最低压力值在每个区域的脚。这种期望的程度高于1°平鞋垫设计,从仿真结果显示。

4所示。结论

在本文中,我们调查了鞋垫设计参数的最佳范围通过足底压力分布的有限元建模与仿真、平面和custom-molded表面鞋垫。鞋垫厚度、鞋跟的高度和不同的材料被用来确定最大应力,达到产量的设置最统一的应力分布。详细的仿真进行了一个典型的70公斤的人从图中进口脚的全部细节图片。柔软的鞋垫几乎相同的应力分布和最大应力值作为鞋垫。鞋垫的形状中扮演一个重要的角色在步行水准的压力和减少的最大压力。Custom-molded鞋垫有明显更好的应力分布和最大应力要小得多(约40%)相比,平坦的鞋垫,这是非常重要的制造和选择舒适的鞋垫。厚度的增加使应力分布更加均匀,减少最大应力值高达10%,在两个鞋垫类型。然而,增加的厚度变得无效的厚度超过0.75厘米。由微小的鞋垫增加学位(鞋跟高度)从0.2°到0.4°custom-molded鞋垫及以上1°平坦的鞋垫,最大应力值降低至少4%,应力分布更加均匀。鞋垫度进一步提高,最大应力从脚跟到跖骨后继海拔,最大应力变得非常高,这个事实并不理想。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是在经济上支持的科学,研究和技术(统计),伊朗。作者要感谢病患所提供的产品和服务,更是促进了这项研究,包括CAD软件。

引用

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