有限元模型的建立和验证，是生物力学分析的必要前提，也是生物力学有限元研究的主要内容。
5.4.1.1 模型的建立
招募一名健康女性志愿者，年龄28岁，身高165cm，体重54kg，不存在肌骨系统疾病和畸形，未进行过足踝部外科手术。对该志愿者右脚及踝关节进行CT扫描，获取系列CT图像。将DICOM格式图像输入到医学图像处理软件MIMICSv10（Materialise公司，比利时鲁汉）中，进行图像分割处理。将分割后的各骨骼点云输入到逆向工程软件Rapidform XOR2（INUS科技有限公司，韩国首尔），将包括胫骨和腓骨远端在内的30块骨骼及其包裹软组织进行三维重建。
在该研究中，踝关节是重点关注的部位。因此，对踝关节所涉及的骨头进行区分皮质骨和松质骨，而将其他骨头设置为均匀弹性组织。最终，有限元模型在软件ABAQUS（美国达索系统）中建立，骨关节之间设置为无摩擦的接触关系。软组织被绑定在骨头上，对韧带和筋膜结构简化为桁架单元，并参考解剖图谱设置起点和止点。完整的三维有限元模型如图5-4所示。
图5-4 足踝三维有限元模型
5.4.1.2 模型验证条件
为了对模型进行验证，采用Funk等人[34]开展的尸体实验两种加载条件进行模拟分析：
（1）单纯冲击：胫骨和腓骨近侧6个自由度被完全固定，冲击器以5m/s的速度撞击接触板，作用在足底。冲击器质量为7kg，接触板质量为4.5kg，由泡沫部分和刚性部分组成。一旦接触足底，将给予模型270N（约为体重一半）压缩荷载。
（2）冲击与跟腱加载：与前者不同的是，对跟腱也进行了加载1.94k N。
在两种验证条件下，足底与接触板的摩擦系数均设置为0.6。
5.4.1.3 模型验证结果
如图5-5所示，为模拟计算与尸体实验测量地面反力和胫骨反作用力的比较，计算结果都处于试验测量区间范围内。在两种模拟状态下，地面反力分别为7.4k N和6.0k N，与实验测量平均值的偏差分别为11.1%和12.2%。在第1种模拟状态，胫骨反作用力的偏差小于0.6k N。在第2种模拟状态，胫骨反作用力的偏差相对较大，为27.5%。
该模型在此前的研究中已经通过了验证[37，36]。针对冲击问题计算的有效性，在本研究中，我们通过与尸体实验进行比较来重新对其进行验证。在单纯冲击状态，无论是有限元计算，还是尸体实验测量，都表明地面反力小于胫骨反作用力。在不同的实验设计中，最大测量力分布在3.8～9.8k N之间[34，37，38]。与此相反，在伴随跟腱加载的状态，其受力情况偏差非常大。本研究中，预测的跟腱力平均值为1940k N，而在实验中，该数值介于936～2644k N之间。
图5-5 有限元模型的验证
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