任武 張雪玲 陳秋冰 李佳 閆慧娟 胡彬彬

0 引言

高跟鞋受到現代社會眾多女性的喜愛，也是女性愛美的體現，但是穿高跟鞋對人體足部踝部產生的生物力學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構之一，其在人體生物結構系統(tǒng)中扮演著重要的角色。

近年來關于高跟鞋對人體足部影響的研究主要體現在： 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特性，表明隨著鞋跟高度的增加，膝關節(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特性，發(fā)現長期穿高跟鞋會使人體足部產生適應性生物力學變化；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的結論。Yu等[5]建立的足踝三維有限元模型并做了對比，結果顯示隨著足跟的增高，距腓前韌帶內的張力和應變增加，而在中等跟高時足底筋膜內的張力和應變降低，說明穿戴適當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差異，通過運動學分析，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，對足部應力、應變進行研究，設計出一種可自由調節(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論。Deng等[10]設計出了一種具有高跟鞋和平底鞋雙重功能的可調鞋，能滿足女性在不同場合下對鞋跟高度的需求。Chantarapanich等[11]以CT掃描數據為基礎，通過有限元方法，探討了足部骨骼在不同坡度鞋墊下的應力變化。Sinclair等[12]分析了不同高度高跟鞋對下肢關節(jié)的影響，并對志愿者骨骼進行運動學仿真研究。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特性有重要影響，并和踝關節(jié)扭傷、拇指外翻和退行性關節(jié)病等足部相關疾病發(fā)生的概率有密切關系?，F有國內外學者對穿不同高度的高跟鞋對足部生物力學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特性進行數值模擬，得到足部的應力和位移變化數據，建立的模型可為今后足部更精確模型提供幫助，所得結果可為女性足部健康提供數據支持，也為臨床上足部相關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，體質量50 kg，進行足部CT斷層掃描成像，將得到的DICOM圖像文件導入Mimics軟件中進行三維重建。導入的CT斷層掃描圖像見圖1：左足諸小關節(jié)對位良好，關節(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果產生干擾。

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入Mimics軟件中三維重建，重建后的模型還包含有噪聲和雜質，需導入Geomagic Studio軟件中優(yōu)化處理，得到符合人體解剖結構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，考慮到足部結構的復雜性，足部神經、血管、組織在力學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，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 有限元仿真設置

在ANSYS/workbench中同時導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)。進行網格劃分時，采取自適應網格劃分方法，在ANSYS軟件中讀取單元數量和節(jié)點數量。皮膚模型單元總體積為6.18×10-4m3，總質量為0.694 89 kg。當高跟鞋鞋跟高度為1 cm時，鞋跟模型單元總體積為2.7×10-5m3，總質量為1.6×10-2kg；整體單元數量為88 907個，節(jié)點數量為51 373個。當高跟鞋高度為6 cm時，鞋跟模型單元總體積為9.5×10-5m3，總質量為5.7×10-2kg；整體單元數量為181 100個，節(jié)點數量為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關系，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α，α為有限元模型旋轉角度分量。依照表1和表2，高跟鞋鞋跟高度通過改變模型的參數α實現。該健康女性受試者體質量為50 kg，因此在其足部有限元模型上施加500 N的體質量載荷，載荷的施加和邊界條件的設置根據人體的實際情況得出，模型如圖3(b)，然后根據不同鞋跟高度分別計算其應力和應變。

表1 腳長與鞋跟高度關系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表1和表2的數量關系，分別設置相關仿真參數，并模擬仿真得到人體穿高跟鞋時足部的最大應力和最大位移等數據。

表2 有限元模型計算參數

2 結果

按照第1節(jié)參數設置，在計算機中進行相關計算仿真，得到的結果如下。

2.1 高跟鞋鞋跟高度為1 cm

模型的參數α設置為38°，鞋跟高度為1 cm。如圖4(a)足部整體最大應力為50.35 MPa，最大位移變化為8.43 mm，足部骨骼最大應力為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、應力云圖和骨骼應力云圖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α設置為35°，鞋跟高度為2 cm，如圖4(b)足部整體最大應力為50.40 MPa，最大的位移變化為8.43 mm，足部骨骼最大應力為50.40 MPa。

2.3 高跟鞋鞋跟高度為4 cm

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

2.4 高跟鞋鞋跟高度為6 cm

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

2.5 高跟鞋鞋跟高度為8 cm

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

2.6 高跟鞋鞋跟高度為10 cm

模型的參數α設置為0°，鞋跟高度為10 cm。如圖4(f)足部整體最大應力為61.28 MPa，最大位移變化為8.46 mm，足部骨骼最大應力為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力也相應增加，在8 cm以下最大位移和應力增加較慢，但當鞋跟超過8 cm時，位移和應力增加較快，當鞋跟高度達到 10 cm時，足部最大位移增至8.47 mm，最大應力達到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)生在踝關節(jié)處，說明不論鞋跟高度是多少，相應的最大應力和位移發(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力的關系曲線。隨著高跟鞋高度的增加，足部整體最大應力也逐步增加，但當鞋跟高度大于8 cm時，足部最大應力急劇增加。

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，足部的最大應力和最大位移隨之升高，當鞋跟高度在0～8 cm時，最大應力和最大位移較小，但當鞋跟高度超過8 cm時，足部最大應力和最大位移急劇增加，且最大變形出現在踝關節(jié)處。踝關節(jié)對維持人體的步態(tài)和平衡狀態(tài)具有重要作用。踝關節(jié)處骨骼皮膚的應力和變形較大時，踝部可能產生損傷甚至出現疾病，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 討論與結論

人體足部具有復雜的解剖結構，穿高跟鞋易對足部的生物力學特性產生影響?，F有的國內外相關研究聚焦于穿高跟鞋時的足部生物力學特性變化趨勢，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研究還有待發(fā)展。本文在前人的基礎上構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特性進行數值模擬，得到應力和位移的變化趨勢。計算結果顯示，當鞋跟高度超過8 cm時，足部的最大應力和最大位移急劇增加，最大變形出現在人體踝關節(jié)處。所得結果既可為女性足部健康提供幫助，又可為臨床上足部相關疾病的研究提供數據支撐。

限于實驗條件和作者現有知識的局限，未來研究需在以下方面進一步探索。

(1) 由于足部解剖結構的復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特性，但仿真得到的數據與人體足部真實的力學變化規(guī)律還有一定差距，還需要與臨床結合進行驗證，進一步優(yōu)化模型。

(3) 為了便于計算，因血管、神經、組織的復雜性和在本研究中的特點，本研究將皮膚與血管、神經、組織綜合等效為一定的綜合力學彈性體，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特性還應進一步細化模型。