步态分析主要是指从运动学和力学的层面对足踝步态进行理论研究和模拟仿真,从而为研究人体运动提供一定的理论指导和学理支撑。针对足踝在运动过程中各组织受力及力传递复杂的问题,本文以足踝为研究对象,建立足部骨骼模型,通过步态运动介绍、逆向工程技术、Opensim仿真以及有限元仿真对足部运动及其力学功能进行了理论分析与仿真研究,并根据探究结果针对跟骨及骨折模式的治疗做进一步分析。本文的主要研究内容及结果如下:(1)足踝步态介绍及运动学分析。通过对足踝骨肌系统的简介,步态分析流程和周期的研究以及踝关节活动方式的研究,建立系统坐标,并以此为基础结合步态理论研究进行运动学分析。(2)足踝骨肌模型的逆向重建。以计算机断层成像理论为依据,进行研究对象的数据采集和处理,生成足部医学图像,并根据逆向工程技术,通过MIMICS软件对足踝模型进行逆向建立,同时根据表面处理技术,利用Geomagic Warp软件对腿足模型做精细化处理。(3)足踝行走、跑步和跌落的步态研究。利用人体运动仿真软件Opensim对人体正常行走、跑步和高处跌落等步态展开研究,生成步态变化的一系列曲线,根据研究结果结合骨肌建模仿真基本原理,利用ABAQUS软件对足踝模型进行静立状态的静力学分析和高处跌落的动力学分析,得到各足骨、韧带之间的应力和应变以及足踝与地面的接触应力等。结果表明在正常站立及行走状态下,各足骨以及韧带变化情况均在正常范围值内,而高处跌落时先与地面接触的跟骨、距骨会产生较大的应变和接触力,同时韧带会急剧变化,当跌落速度或高度达到一定值时,会超出足骨以及韧带承受范围,从而造成骨折或者韧带拉伤等。(4)跟骨骨折机制及固定后的稳定性研究。根据步态仿真的结果,针对高处跌落的临界状态,进一步对跟骨的骨折机制进行理论分析和有限元仿真,并采取三种典型的固定方式,对固定后的跟骨进行仿真对比。对比结果显示,采用医院定制的钢板固定后的跟骨与原始跟骨的力学状相差甚微,从而验证了固定方式的有效性和术后跟骨的稳定性。