任武 張雪玲 陳秋冰 李佳 閆慧娟 胡彬彬

0 引言

高跟鞋受到現(xiàn)代社會眾多女性的喜愛，也是女性愛美的體現(xiàn)，但是穿高跟鞋對人體足部踝部產(chǎn)生的生物力學(xué)特性改變的研究還不足，常有新聞報道某些女性因為高跟鞋崴腳而健康受損。人體足部是整個骨骼系統(tǒng)中的重要承重部分，也是人體重要的減振和承重結(jié)構(gòu)之一，其在人體生物結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中扮演著重要的角色。

近年來關(guān)于高跟鞋對人體足部影響的研究主要體現(xiàn)在： Hamandi等[1]通過步態(tài)分析研究了年輕女性分別穿1 cm、5 cm和7 cm高跟鞋時足部生物力學(xué)特性，表明隨著鞋跟高度的增加，膝關(guān)節(jié)力矩和地面反力都有不同程度的增大；Cha[2]測量了受試者穿不同高跟鞋的足底壓力、肌電圖和腰骶角來評估其足部生物力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)長期穿高跟鞋會使人體足部產(chǎn)生適應(yīng)性生物力學(xué)變化；Zeidan等[3]探索了穿不同高度高跟鞋時足部橫弓的變化，隨著足跟高度的增加，橫弓高度增加而橫弓長度有所降低。Jae-Wan等[4]分析多位女性青年在穿低、中、高跟鞋時踝關(guān)節(jié)背屈肌和趾屈肌等肌肉的肌力變化，得出長期穿著高跟鞋與踝部肌肉疾病密切相關(guān)的結(jié)論。Yu等[5]建立的足踝三維有限元模型并做了對比，結(jié)果顯示隨著足跟的增高，距腓前韌帶內(nèi)的張力和應(yīng)變增加，而在中等跟高時足底筋膜內(nèi)的張力和應(yīng)變降低，說明穿戴適當(dāng)高度的高跟鞋可以治療足底筋膜炎。Wiedemeijer等[6]探究了穿高跟鞋走路對步態(tài)的影響，研究發(fā)現(xiàn)足跟高度的增加使足底屈曲增加，身體平衡會發(fā)生改變。Sylvia[7]對比了不同女性穿著不同高度高跟鞋的生物力學(xué)差異，通過運動學(xué)分析，得出穿著不同高度高跟鞋對運動步態(tài)有一定程度的影響。Karimi等[8]通過建立足部骨骼的三維有限元模型，對足部應(yīng)力、應(yīng)變進行研究，設(shè)計出一種可自由調(diào)節(jié)的高跟鞋。Kim等[9]通過研究扁平足和正常足人員穿著高跟鞋下樓梯時的肌肉狀態(tài)，得出扁平足在穿著高跟鞋上下樓梯時易受到更大程度損傷的結(jié)論。Deng等[10]設(shè)計出了一種具有高跟鞋和平底鞋雙重功能的可調(diào)鞋，能滿足女性在不同場合下對鞋跟高度的需求。Chantarapanich等[11]以CT掃描數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過有限元方法，探討了足部骨骼在不同坡度鞋墊下的應(yīng)力變化。Sinclair等[12]分析了不同高度高跟鞋對下肢關(guān)節(jié)的影響，并對志愿者骨骼進行運動學(xué)仿真研究。Mishra等[13]通過多名人員著高跟鞋在傾斜地面上行走的姿態(tài)，得出足部可變曲率半徑，為增強高跟鞋的穩(wěn)定性和美觀性提供了幫助。

以上研究表明，高跟鞋的高度對女性足部的生物力學(xué)特性有重要影響，并和踝關(guān)節(jié)扭傷、拇指外翻和退行性關(guān)節(jié)病等足部相關(guān)疾病發(fā)生的概率有密切關(guān)系?，F(xiàn)有國內(nèi)外學(xué)者對穿不同高度的高跟鞋對足部生物力學(xué)特性變化的研究較多，但大部分研究僅考慮足部骨骼系統(tǒng)，對于骨骼皮膚綜合系統(tǒng)模型的足部生物力學(xué)研究還有待發(fā)展。為建立更準確的足部模型，本文在某健康女性足部的骨骼有限元模型基礎(chǔ)上加上皮膚模型，對穿不同高度高跟鞋女性的足部生物力學(xué)特性進行數(shù)值模擬，得到足部的應(yīng)力和位移變化數(shù)據(jù)，建立的模型可為今后足部更精確模型提供幫助，所得結(jié)果可為女性足部健康提供數(shù)據(jù)支持，也為臨床上足部相關(guān)疾病的研究提供定量支撐。

1 材料與方法

1.1 圖像采集

圖像資料來自新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院第三附屬醫(yī)院影像科，人員是19歲健康女性,身高160 cm,腳長24 cm，體質(zhì)量50 kg，進行足部CT斷層掃描成像，將得到的DICOM圖像文件導(dǎo)入Mimics軟件中進行三維重建。導(dǎo)入的CT斷層掃描圖像見圖1：左足諸小關(guān)節(jié)對位良好，關(guān)節(jié)間隙正常，未見骨折征象，足部基本健康，以避免足部疾病對仿真結(jié)果產(chǎn)生干擾。

圖1 足部CT斷層掃描DICOM圖像定位Figure 1 The DICOM image localization of foot CT tomography

1.2 足部三維模型

將采集的健康女性足部影像文件導(dǎo)入Mimics軟件中三維重建，重建后的模型還包含有噪聲和雜質(zhì)，需導(dǎo)入Geomagic Studio軟件中優(yōu)化處理，得到符合人體解剖結(jié)構(gòu)的足部骨骼皮膚三維模型。

1.2.1 足部皮膚模型三維重建

使用Mimics軟件對足部皮膚進行三維重建，考慮到足部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，足部神經(jīng)、血管、組織在力學(xué)特性上和皮膚綜合為一定的黏彈性實體，將生成的STL文件導(dǎo)入Geomagic Studio逆向工程三維軟件中，消除圖像中包含的噪聲和雜質(zhì)，保存為有限元軟件能夠識別的IGS格式，見圖2(a)。

圖2 足部三維模型重建Figure 2 Foot 3D model reconstruction

1.2.2 足部骨骼模型三維重建

足部骨骼重建步驟與足部皮膚重建步驟類似，其區(qū)別在于骨骼和皮膚的特定閾值不同，需選擇合適的足部骨骼灰度值。利用Mimics和Geomagic Studio軟件重建的足部骨骼三維模型見圖2(b)。

1.3 有限元仿真設(shè)置

在ANSYS/workbench中同時導(dǎo)入足部皮膚和骨骼的重建模型，建立其有限元模型，見圖3(a)。進行網(wǎng)格劃分時，采取自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法，在ANSYS軟件中讀取單元數(shù)量和節(jié)點數(shù)量。皮膚模型單元總體積為6.18×10-4m3，總質(zhì)量為0.694 89 kg。當(dāng)高跟鞋鞋跟高度為1 cm時，鞋跟模型單元總體積為2.7×10-5m3，總質(zhì)量為1.6×10-2kg；整體單元數(shù)量為88 907個，節(jié)點數(shù)量為51 373個。當(dāng)高跟鞋高度為6 cm時，鞋跟模型單元總體積為9.5×10-5m3，總質(zhì)量為5.7×10-2kg；整體單元數(shù)量為181 100個，節(jié)點數(shù)量為106 979個。

圖3 足部綜合有限元模型及施加載荷Figure 3 Comprehensive finite element model of the foot and applied load

表1是腳長和鞋跟間的參數(shù)關(guān)系，θ為鞋跟高度與腳長的夾角，為達到精確計算目的，有限元分析中除了考慮不同方向平移分量，還需加上旋轉(zhuǎn)分量。在有限元模型中改變θ角大小，系統(tǒng)自動計算出模型參數(shù)α，α為有限元模型旋轉(zhuǎn)角度分量。依照表1和表2，高跟鞋鞋跟高度通過改變模型的參數(shù)α實現(xiàn)。該健康女性受試者體質(zhì)量為50 kg，因此在其足部有限元模型上施加500 N的體質(zhì)量載荷，載荷的施加和邊界條件的設(shè)置根據(jù)人體的實際情況得出，模型如圖3(b)，然后根據(jù)不同鞋跟高度分別計算其應(yīng)力和應(yīng)變。

表1 腳長與鞋跟高度關(guān)系Table 1 The data analysis of foot length and high heel

將鞋跟分為1 cm、2 cm、4 cm、6 cm、8 cm和10 cm等6種不同高度，在有限元軟件中根據(jù)表1和表2的數(shù)量關(guān)系，分別設(shè)置相關(guān)仿真參數(shù)，并模擬仿真得到人體穿高跟鞋時足部的最大應(yīng)力和最大位移等數(shù)據(jù)。

表2 有限元模型計算參數(shù)

2 結(jié)果

按照第1節(jié)參數(shù)設(shè)置，在計算機中進行相關(guān)計算仿真，得到的結(jié)果如下。

2.1 高跟鞋鞋跟高度為1 cm

模型的參數(shù)α設(shè)置為38°，鞋跟高度為1 cm。如圖4(a)足部整體最大應(yīng)力為50.35 MPa，最大位移變化為8.43 mm，足部骨骼最大應(yīng)力為50.35 MPa。

圖4 高跟鞋不同高度時足部骨骼皮膚綜合位移云圖、應(yīng)力云圖和骨骼應(yīng)力云圖Figure 4 Comprehensive bone skin displacement,stress cloud diagrams and bone stress cloud diagrams of the foot at different heights of high heels

2.2 高跟鞋鞋跟高度為2 cm

模型的參數(shù)α設(shè)置為35°，鞋跟高度為2 cm，如圖4(b)足部整體最大應(yīng)力為50.40 MPa，最大的位移變化為8.43 mm，足部骨骼最大應(yīng)力為50.40 MPa。

2.3 高跟鞋鞋跟高度為4 cm

模型的參數(shù)α設(shè)置為28°，鞋跟高度4 cm。如圖4(c)足部整體最大應(yīng)力為51.70 MPa，最大位移變化為8.44 mm，足部骨骼最大應(yīng)力為51.70 MPa。

2.4 高跟鞋鞋跟高度為6 cm

模型的參數(shù)α設(shè)置為20°，鞋跟高度為6 cm。如圖4(d)足部整體最大應(yīng)力為51.74 MPa，最大位移變化為8.44 mm，足部骨骼最大應(yīng)力為51.74 MPa。

2.5 高跟鞋鞋跟高度為8 cm

模型的參數(shù)α設(shè)置為10°，鞋跟高度為8 cm。如圖4(e)足部整體最大應(yīng)力為51.72 MPa，最大位移變化為8.45 mm，足部骨骼最大應(yīng)力為51.72 MPa。

2.6 高跟鞋鞋跟高度為10 cm

模型的參數(shù)α設(shè)置為0°，鞋跟高度為10 cm。如圖4(f)足部整體最大應(yīng)力為61.28 MPa，最大位移變化為8.46 mm，足部骨骼最大應(yīng)力為51.72 MPa。

從有限元模型建立和仿真計算得到足部的位移云圖和最大位移位置，可得：(1)隨著高跟鞋的高度不斷增加，腳踝部受到的最大位移和最大應(yīng)力也相應(yīng)增加，在8 cm以下最大位移和應(yīng)力增加較慢，但當(dāng)鞋跟超過8 cm時，位移和應(yīng)力增加較快，當(dāng)鞋跟高度達到 10 cm時，足部最大位移增至8.47 mm，最大應(yīng)力達到61.28 MPa。(2)以高跟鞋高度4 cm為例，如圖5所示。隨著高跟鞋高度的增加，足部的整體變形分布基本一致，最大位移均發(fā)生在踝關(guān)節(jié)處，說明不論鞋跟高度是多少，相應(yīng)的最大應(yīng)力和位移發(fā)生部位皆類似。

圖5 足部位移云圖和最大位移位置Figure 5 Foot displacement cloud map and maximum displacement position

圖6(a)為不同高跟鞋高度和足部整體最大變形的關(guān)系曲線。隨著高跟鞋高度的增加，足部最大位移也基本逐步增加，但當(dāng)鞋跟高度大于8 cm時，足部變形急劇增大。圖6(b)為不同高跟鞋高度和足部整體最大應(yīng)力的關(guān)系曲線。隨著高跟鞋高度的增加，足部整體最大應(yīng)力也逐步增加，但當(dāng)鞋跟高度大于8 cm時，足部最大應(yīng)力急劇增加。

圖6 穿不同高度高跟鞋時足部整體最大變形和最大應(yīng)力Figure 6 Maximum deformation and maximum stress of the whole foot at different high heel heights

綜上，隨著高跟鞋高度的增加，足部的最大應(yīng)力和最大位移隨之升高，當(dāng)鞋跟高度在0～8 cm時，最大應(yīng)力和最大位移較小，但當(dāng)鞋跟高度超過8 cm時，足部最大應(yīng)力和最大位移急劇增加，且最大變形出現(xiàn)在踝關(guān)節(jié)處。踝關(guān)節(jié)對維持人體的步態(tài)和平衡狀態(tài)具有重要作用。踝關(guān)節(jié)處骨骼皮膚的應(yīng)力和變形較大時，踝部可能產(chǎn)生損傷甚至出現(xiàn)疾病，為了保證足部的安全和健康，建議女性選擇0～8 cm的高跟鞋。

3 討論與結(jié)論

人體足部具有復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，穿高跟鞋易對足部的生物力學(xué)特性產(chǎn)生影響。現(xiàn)有的國內(nèi)外相關(guān)研究聚焦于穿高跟鞋時的足部生物力學(xué)特性變化趨勢，但大部分研究僅考慮足部骨骼系統(tǒng)模型，對于骨骼皮膚綜合系統(tǒng)模型的足部生物力學(xué)研究還有待發(fā)展。本文在前人的基礎(chǔ)上構(gòu)建了足部皮膚和骨骼的綜合模型，對穿不同高度高跟鞋的足部生物力學(xué)特性進行數(shù)值模擬，得到應(yīng)力和位移的變化趨勢。計算結(jié)果顯示，當(dāng)鞋跟高度超過8 cm時，足部的最大應(yīng)力和最大位移急劇增加，最大變形出現(xiàn)在人體踝關(guān)節(jié)處。所得結(jié)果既可為女性足部健康提供幫助，又可為臨床上足部相關(guān)疾病的研究提供數(shù)據(jù)支撐。

限于實驗條件和作者現(xiàn)有知識的局限，未來研究需在以下方面進一步探索。

(1) 由于足部解剖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和軟硬件的限制，后續(xù)可增加CT斷層掃描圖像的樣本數(shù)量，提高重建幾何模型的精確度。

(2) 有限元仿真分析能夠模擬穿高跟鞋女性的足部生物力學(xué)特性，但仿真得到的數(shù)據(jù)與人體足部真實的力學(xué)變化規(guī)律還有一定差距，還需要與臨床結(jié)合進行驗證，進一步優(yōu)化模型。

(3) 為了便于計算，因血管、神經(jīng)、組織的復(fù)雜性和在本研究中的特點，本研究將皮膚與血管、神經(jīng)、組織綜合等效為一定的綜合力學(xué)彈性體，在今后的有限元建模中如需進一步研究以上組織器官的力學(xué)特性還應(yīng)進一步細化模型。