在我国,特别是近些年,随着经济的不断发展和人民生活水平的不断提高,人们对于如何更好地提高自身生命质量的要求更加强烈。人体生物力学研究正是从力学的角度来研究人体的生物学相关理论和运动机理,从而为临床医学和康复医学的发展提供有力的理论指导和帮助。本研究所的“中国力学虚拟人”项目是国家自然科学基金2006年批准立项的重点项目(30530230),其研究目标是建立一个中国标准的人体的“骨骼-肌肉-韧带”生物力学系统,进行人体局部和整体的静力学、运动学和动力学研究,从而解决医学上出现的相关生物力学问题。本论文的研究内容是“中国力学虚拟人”项目中的子课题之一:人体足踝骨肌系统建模与相关力学问题研究;同时本课题也是我所与复旦大学附属华山医院足踝外科、英国Salford大学人类功能康复研究中心(CRHPR)建立的国际合作项目,并得到了英国皇家学会(UK Royal Society)的项目支持(Grant: IPJ/2006/R3)。力学解剖结构上,足踝部不仅包括26块骨骼,而且骨骼结构与错综复杂的韧带、跖腱膜、肌肉肌腱等软组织形成了稳定的关节结构和足弓结构;在功能上,足踝起到支撑承重、吸收震荡、传递运动和杠杆平衡等作用,是人类直立行走的基本保证。然而现实生活和临床医疗中,足踝的生物力学研究未得到应有的重视,目前随着人们对足踝认识的不断深入,其重要性也逐渐显现出来。在人体生物力学研究领域中,足部生物力学研究正是随着足外科的发展在近些年内渐渐兴起,主要由于以下几方面因素:首先,从临床角度来说,随着各种足部疾病发病率不断上升,如糖尿病并发症糖尿病足、　外翻足、老年跟痛足等,医学工作者迫切地需要知道这些足部病理现象的原因和科学的治疗方法;再者,从市场角度来说,各种功能鞋、矫形器和运动鞋有着很大的消费市场,患者与消费者往往要求这类鞋具、支具有特殊功能、穿着舒适并具有保护作用;最后,从技术角度来说,各种测量技术和计算机软硬件的快速发展为足部生物力学研究提供了必要条件,包括运动捕捉系统、压力平台、鞋内压力传感器、超声波测量、CT和MRI三维扫描技术、各种逆向工程反求软件以及有限元分析软件等等。本论文正是基于以上背景进行人体足踝系统的建模仿真和相关实验测量的研究,主要内容包括以下几个方面:(1)基于健康人体的足踝三维MRI扫描数据,建立了三种常见姿态(背屈状态、平衡站立姿态和后跟提起姿态)下足踝三维几何实体模型与有限元模型,这三组模型中均包含了足部全部骨骼以及组成踝关节的胫骨和腓骨末端部分、韧带和跖腱膜、关节软骨和外部软组织结构等的详细几何信息,数据完整、解剖相似性高,并对这三种姿态的几何与有限元模型中的数据信息进行了模块化的处理和管理,模型中建立的各模块化组织结构可独立使用,且二次改建的可行性高。(2)为了给足踝模型仿真分析提供必要的依据和信息,我们以健康的足踝为研究对象,对行走、站立和跳跃状态下的足踝受力状态进行了测量与分析。其中,以每分钟行走的步数这一频域指标作为基本参数,测量了不同步速行走时站立相中足底反力情况,通过统计分析和回归分析量化了步态中的一些关注的力学参数值,以及它们与步速、体重和身高的关系;此外还测量了四条浅层足外在肌(胫骨前肌、腓骨长肌、比目鱼肌和腓肠肌)在不同运动状态(正常步行、跳跃状态以及双足平衡站立时重心前移情况)下表面肌电信号,从而定性地研究和分析了它们在这些运动过程中肌力发力情况。(3)以平衡站立姿态下的足踝有限元模型为例,对模型进行了详细的论证和验证工作。针对模型中的几何结构的简化和假设、单元选择、关节接触问题处理、材料属性确定等内容进行了详细的分析比较和论证,解决了一些关键性的技术问题;此外还设计了活体实验验证方案,将足底反力、足底压力分布和足部垂直压缩变形这三项指标同步采集,用以比较足踝有限元模型预测的相应结果,从而验证了足踝模型的有效性和正确性。此足踝模型的活体验证方案将当前几种常用的足踝研究测量方法有效的结合在一起,对人体没有任何伤害性。同时基于以上被验证的模型,开发了一个人体足踝模型仿真软件,整个软件由几何模型、有限元模型、原始数据、相关参数与基本算例五部分组成,将以上建立的足踝几何模型和有限元模型整体模型、各骨骼的独立模型以不同的数据格式提供给用户,为研究人员和医学工作者提供一个足踝模型仿真分析平台;同时附上了原始MRI扫描数据、足踝模型中的相关参数和一个典型站立姿态下的算例介绍;此足踝模型软件正在注册中,属于国内外足踝有限元仿真的首个软件。(4)对行走步态中的三个典型姿态(后跟着地、站立中相与后跟离地)进行了准静态有限元模拟,仿真计算中考虑了不同姿态下足踝外在肌的肌力作用;仿真结果与实验测量结果(足底压力和足底反力)一致性高,同时结果量化了这三个姿态下足踝内外部组织结构的受力信息,包括骨组织上的应力应变分布和软组织受力状态的变化等,这为全面认识行走步态中足踝内部的受力情况提供了重要的参考。(5)采用此足踝有限元模型研究和分析了足踝结构中两个基础力学问题:一是分别模拟了站立载荷下跖腱膜、弹簧韧带、足底长韧带和短韧带独立释放后的情况,与健康状态下同样站立载荷时的模型预测结果进行了多方面的比较,量化了它们在维持足弓静态稳定性中所起的相对力学作用;二是通过模拟站立位下足底载荷分布变化情况,定量地分析了跖骨的应力应变的分布变化情况,从而增加对跖骨生物力学的认识,并据此对　外翻矫形手术方案的要求提出理论支持。(6)对健康年青测试者、健康年长测试者和II型糖尿病患者三组人群进行正常行走步态下足底压力分布测量和统计分析;同时通过改建前面建立的足踝有限元模型,分别对以上三组人群足底软组织受力状态进行了计算仿真,分析了足底软组织层属性改变对足踝内部的受力影响。通过测量与仿真,对不同测量人群的足底软组织的外部受力情况和内部受力状态进行了比较,得到了正常人和糖尿病患者足部受力的差异,为预防糖尿病患者发生足部溃疡提供有用的力学信息。总之,本文以足踝三维有限元建模和分析为中心,同时将实验测量与临床问题结合起来。文中建立的三种典型姿态下足踝肌骨系统的三维几何和有限元模块化的模型,为人体足踝系统生物力学研究提供了一个分析平台,可以应用于足踝基础生物力学研究,也可以结合临床医学和康复医学中一些具体足踝部问题进行模型二次改建后进行相关的力学仿真分析;本文还针对足踝生物力学的一些基本问题进行了实验测量研究与相应的有限元仿真,量化了足踝的内外部力学信息,为足踝的临床和康复生物力学的发展提供了重要的力学依据。