站立相中足底矢状面方向力对拇趾及第一跖骨头的影响

站立相中足底矢状面方向力对拇趾及第一跖骨头的影响 站立相中足底矢状面方向力对拇趾及第一 跖骨头的影响 第l期钢制人工髋关节力学性能9 5. 6. 7. 8. 9 王以进骨科生物力系北京我民卫生出版社1988. Yamada.H.Strengthofbiologicalmaterials,1stedt,W&WCo,19”/0:158?265. Evans.FG.MechanicalPropertiesofBone,Artificia1limbs,1973.13,37-48. Bourne.G.H,ThebiochemistryandphysiologyofboneVo1.1,Structure,Vo1.2,Physiology andpathology,Vo1.3,Developmentandgrowth,1stedt.NewYork,AcademicPress,1972 Zienkiewicz0C.Thefiniteelementmethods.4thedt,NewYork.McGraw-Hill,1977:231?989. ANINVESTIGATIoNoNMECHANICALCHARACTERISTICS oFSTAINLESSSTEELToPJ0INToFTHIGHBoNE LiuHongxin {LaboratoryofMechanics,DepartmentofMechanicsShanghaiUniversi姆) Thispaperdealswiththemechanicalcharacteristicsofstainlesssteeltopjointofthighbone,such asstrength,dynamicalresponseanditscompatibilitywiththighbone.bymeansof3-D isotropic-parameterf’miteelementtechniqueIthasbeenshownthatthestainlesssteeltopjoint couldbeverycompatiblewiththighbonewellandhadexcellentmechanicalcharacteristicsfor medicalpurposes. KeywordsThighbone,Topjoint,Mechanicalcharacteristics,Biomechanics. (上捶第52页) 参考文越 1.CobbJ,ClaremontDJ.Transducersforfootpressuremeasurement:Surveyofrecent developmentMedBioEngComput.1995.33:525~533. 2BettsRP,FranksCIDuckworthTetalStaticanddynamicfoot-pressuremeasurementin clinicalorthropaedics.MedBioEngComput,1980.18:674~684. 3.CavanaghPR.Hewitt,JrJE,eta1.In-shoeplantarpressuremeasitremerit(areview)Foot,1992, 2:185--194. 4.刘金样.黄耀添.王军.先天性马蹄内翻足术后远期足底压应力分析,中华小儿外科杂志,1996,17(2)112~114 5.戴克戎,徐乃明,汤荣光,等微机化步态分析系统的研制与平地行走时足地接触力的三维分析,中华外科杂 志,1988,26(6):360--364. 6庞伯友,吴其常,张国栋,等中国正常人成人平地行走时足底持重点三维力分析测定,生物医学工程学杂 志,1990.7(4):289~292 7郭世俊.临床骨科解剖学.第一版.天津.天津科学技术出版杜.1988.954~955. 一 52 第13卷第1期 1998年3月 玄分斫.,面.廊@医用生物力学 JOURNALOFAPPLIEDBIOMECHANICS Vol13.NO1 Mar..1998 .’=.’ja’u讨论;’ 站立相中足底矢状面方向力对躅趾 及第一跖骨头的影响 婊伟簧耀i军朱i军R3|.8l’燮王军朱立军,/f (武誓辽宁总队医院外二科第四军医大学西京医院骨年土研究所) 步态分析是生物力学的一个特殊分支.足底压力测定则是步态分析的重要组成部分.由于 它可提供一系列的时间,几何,力学等参数值.将l临床沿用已久的定性分析和直观描述转化为更 为客观的定量分析,因此其在骨科的应用越来越广泛.尤其是在足部疾病的研究中z.由于人 足的主要功能是站立和行走,因此测定分析足地之间的受力情况,有可能使后天性蹰外翻形 成机理的研究更加深一步. 一 ,行走时足底向前的力及躅趾蹬地时的力对鹏趾及第一跖骨头的影响 有些学者在对正常人常速行走时足底的三维力测定后指出.正常人常速行走时.在步态 周期的站立相中足底存在三个方向的力,即垂直左右和前后方向的力戴氏测定足底向前的 力出现在站立相的16.6?2.7.为体重的0.16?0.04.庞氏测定站立相开始时足跟向前的力峰值 为l3.39%体重,第五跖骨头区为7696g%体重,第一跖骨头区与上述两部位相似.也存在向前 的力,这种力也必然部分传递给坶趾.传递到路趾以外的力则在足的其它部分消耗.这些消耗包 括足底一鞋之间的摩擦力鞋尖对其它足趾的阻挡等方面,图1是站立相早期跚趾及第一跖骨的 受力情况分析. Z ?I1l lE一一lIiii_~-一|l ,6J, (一lf一1(三 .’ , 一 f四) 图1站立相早期碑趾及第一跖骨的受力情况 {一)坶趾及第一跖骨《二)《三)示角增大但z角相同时.力G.z增大.(二)《四)表示角相同但z角不同时,力 G.相同.但力Z不同角为前进方向与蹲趾轴线的夹角.角为蹲趾外翻角 传递给孵趾向前的力突然被已经静止的鞋阻挡时,在鞋尖不同跨趾 蹲趾一鞋尖内倒缘及 拇趾一鞋底接触面必然向后作用于拇趾一向后的综合力G,而后者由蹲趾与鞋底间的摩擦力所 产生.力G可分解成两个力,一个则是使蹲趾外翻的力G.力G一力G×tg#(公式1)在力G同样 大时,因为力G.一力G×tg#,力G是定值,tg#值随角的增大而增大.另一个是沿跚趾纵轴作用 伶.,,0,,, ,, f 第1期站立相中足底矢状面方向力对跨趾及第一跖骨头的影响51 于第一跖骨头旋转中一GO点的力G,力G力G/cos#(公式2).角为踞趾纵轴与前进方向的夹 角.力G产力G/cosv,cos值随角的增大而减小,即力G,G随角的增大而增大.力G作用于 0点,同样第一跖骨作用于0点一力G.力G,G大小一致.方向不一致,两力的台力为力z,是使 第一跖骨头内移力量见图1(一).由公式2得知:力Z=2×力G:(或G)×sin,因sin随角的增 大而增大,故力Z随趾外翻角的增大而增大.见图1(--)图l(三)表示”角不变时,角增大.力Z增 大.总知,力z随角”和角的增大而增大.而使蹲趾外翻的力G随角的增大而增大.在站立相晚 期趾离地前,蹲趾蹬地.地面也存在作用于蹲趾外翻的力和第一跖骨头向内移的力. 一一艇一 图2趾离地前坶趾蹬地时坶趾及第一跖骨头的受力情况 (一)侧位图,力Y=力y/sins.(--)册趾蹬地时的正位图.在力y相同时,使l母趾外翻的2Q2=力Yxg?,沿坶趾纵 轴传递于第一趾骨头旋转中一bo点的力QI=力Y×c0s?以下机理同图二3Jy相当于力G 图2(一1为蹲趾蹬地时的侧面图,踺趾对地面的垂直压力为力Y’地面对蹰趾的反作用力为 力Y,力Y’是蹲趾蹬地时坶趾作用于地面的摩擦力.地面作用于蹲趾的摩擦力为Y,力v为力Y,, Y的合力,力y=JJy/sins,,为足侧位时蹿趾轴线与地面的夹角,在力Y相同时.因sine值随角, 增大而增大.故力v随角,增大而增大.故力v随角,增大而减小,力Y在人体的矢状面上.图2(二1是 蹲趾蹬地时正面图,力y可分解成两个力.力Q沿趾纵轴作用于第一跖骨头旋转中心0点.力Q 则为使坶趾外翻的力.力Q一力y/cosw.Q:=力Y×tg?角为蹰趾轴线与矢状面的夹角因 COScL’值随角的增大而减小,而tgm随角的增大而增大,当力y是定量时.力Q,Q随角的增 大而增大.如果把力y看作为力G,那由于力y所产生的使坶趾外翻的力及使第一跖骨头内移的 力的机理同图1中的解释及说明.总之,在步态周期站立相的早期及晚期存在着使蹲趾外翻的力 和使第一跖骨头内移的力,这种力的反复作用.可能与坶外翻的形成有关. 二,易患蹲外翻因素下婚趾及第一跖骨头的力学分析 f一1高跟鞋 图(3)是着高跟鞋站立时足的受力情况分析,穿高跟鞋站立时.1/2身体重量J作用高跟鞋底 后产生两个分力,一个是垂直于鞋底平面的力J:.另一个是与鞋底平面相平行的下滑的力J.因 为一个人的重量是定量.因此下滑力J.随鞋底与地面的角度的增加而增大,J,=力J×sin6,而 力J则随高跟鞋角度的增大(鞋跟高度增加)而减小,力J一力J×cosJ.力J的减小等于鞋底与 足底之间的摩擦力减小(摩擦力=力×摩擦系数),即减小了足趾下滑的阻力.当力J与鞋底之间 产生的摩擦力小于下滑力J时,足趾必然向前作用鞋尖一个力.同时鞋尖必然向后作用于足趾 一 个反作用力,鞋尖,蹭趾内侧鞋界及野趾鞋底之间必然向后作用于跚趾一个综台力,这一综台 52医用生物力学第13卷 力是使第一跖骨头内移,和蹲趾外翻的力.其机理已在一中阐述.穿高跟鞋走路时,鞋向后作用 于蹲趾的力应为静态站立时鞋向后作用于蹲趾的综合力一站立相早期野趾向前的力.因此,穿 高跟鞋站立时.鞋即存在作用于黔趾向后的综合力G.而穿高跟鞋行走时,则力G明显增大.加上 高跟鞋以尖的多.强迫孵趾外翻角增大,同时也加大了蹲趾轴线与前进方向的夹角fIl所以穿高 跟鞋时,鞋作用于蹲趾外翻的力G使第一跖骨头内移的力z均较着平跟鞋时明显增大.其机理 可参见一中的说明及另外在趾离地前的瞬间蹲趾蹬地.地面作用于蹲趾外翻的力Q和使 第一跖骨头内移的力z也随蹲趾轴线与矢状面的夹角m及蹲趾外翻角的增大而增大.机理参见 一 中的及图示. . 童 图3静止高跟鞋站立时足的受力情况分析 (一)力着高跟鞋时足的示意图.(二),(三)表示鞋跟高度不同(鞋底与地面夹角不同).脚的向下滑力J随角的不 同而不同 (二)外八字脚,尖鞋 由一的推理中得知.使野趾外翻的力G=力G×tgg,而使第一跖骨头内移的力Z一2×力 G/cosg×Sin(站立相早期).而在趾离地前的瞬间,姆趾蹬地,地面作用于蹲趾外翻的力Q=力 Y×tge).使第一跖骨头内移的力z一2X力G/cosg×sin”外八字脚加大蹲趾轴线与前进方向 的夹角(站立相早期)及蹲趾轴线与矢状面的夹角?(趾离地前的瞬间.蹰趾蹬地).而尖鞋不但加 大了上述的角,,而且还加大了蹿趾外翻角,因此在相同的力G,力v下,使野外翻的力及第一 跖骨头内移的力z增大,机理见一中的内容及图示. (三)韧带松弛和肌力减退 韧带松弛和肌力减退后,其制止第一跖骨头内移和蹲趾外翻的力量明显减弱.在相同的易 患因素影响下.其更易发生蹲外翻.女性肌肉韧带发育较男性软弱松弛可能是女性易患蹲外翻 的另一个原因. (四1第一跖骨长 第一跖骨长的人蹲趾一般鞍2,4趾长.因蹲趾突出的缘故,在站立相早期足向前的力大小 一 致的情况下,鞋向后作用于坶趾的力G及趾离地前,地作用腭趾的力y相对增大.而作用在其 它足趾的力相对减小.从而使跚趾外翻的力G,Q和第一跖骨头内移的力z均增大.参见一中说 明及图一.二及其说明 ‘(下转第9页, , 一 ?.