关键词：
膝关节
急停侧切
急停起跳
应力
有限元分析
摘要：
研究目的:前交叉韧带(Anterior Cruciate Ligament,ACL)损伤是足球运动中常见的损伤之一,损伤率高达40%,且常发生于急停起跳和急停侧切等动作中。据调查,超过25%的患者ACL损伤后,未能恢复到原先的活动水平,且会引起膝关节炎等膝关节慢性疾病。目前虽有大量研究探讨了足球运动员在完成ACL损伤高危动作时的下肢运动学、动力学等特征,但并未明确膝关节内部结构的受力情况。因此,本研究尝试通过分析不同助跑速度下,足球运动员完成ACL损伤高危动作时膝关节的运动生物力学特征,并结合有限元模型分析膝关节各软组织的应力响应,旨在得出动作和助跑速度对膝关节ACL、股骨软骨、半月板等的应力应变的影响,研究结果将有助于深入理解ACL的损伤风险,为预防股骨软骨和半月板因过大的应力而导致膝骨关节炎的发生提供思路。研究方法:本研究以8名足球运动员为研究对象,运用红外光点运动捕捉系统(Nokov Mars2H)和三维测力台(Bertec)采集运动员完成急停侧切和急停起跳时膝关节运动学、动力学特征,通过Witty-Manual光栅系统测量获得完成测试动作时的助跑速度(快速4.5±0.2m/s、常速3.5±0.2m/s、慢速2.5±0.2m/s)。通过已验证的膝关节有限元模型,将实验获得的运动学、动力学特征作为模型的边界条件和载荷,模拟足球运动员在ACL损伤高危特征时刻下,以三种不同速度完成急停侧切和急停起跳时膝关节内部结构的应力情况。采用重复设计的2×3双因素方差分析,确定动作和助跑速度对膝关节运动学和动力学影响。若因素间存在显著性交互作用,则通过配对T检验分析不同动作是否具有显著性差异,通过单因素方差分析分别比较不同速度是否具有显著性差异。统计分析的显著性标准定为一类误差概率不大于0.05。研究结果:(1)在水平向后地面反作用力峰值时刻,不论速度,运动员完成急停起跳动作时的膝关节屈曲角度显著高于急停侧切时(P<0.001);不论动作,与常速相比,运动员快速完成ACL损伤高危动作时水平地面反作用力显著增大(P<0.001);运动员以快速完成动作时垂直地面反作用力显著高于慢速(P=0.002);不论速度,与急停起跳动作相比,运动员在完成急停侧切动作时膝关节屈曲力矩显著增大(P<0.001);与急停起跳动作相比,急停侧切时的垂直地面反作用力显著高于完成急停侧切动作时(P=0.003)。(2)在屈曲角最大时刻,不论速度,运动员完成急停起跳动作时的膝关节屈曲角度显著高于急停侧切时(P<0.001),与急停侧切动作相比,运动员在完成急停起跳动作时的垂直地面反作用力显著增大(P<0.001);不论动作,与慢速相比,运动员快速完成ACL损伤高危动作时膝关节屈曲力矩显著增大(P<0.05);与常速和慢速相比,运动员水平地面反作用力显著增大(P=0.01)。(3)在水平向后地面反作用力峰值时刻,与常速和慢速相比,以快速完成急停侧切时,ACL von Mises应力峰值较高。在不同速度下,股骨软骨应力峰值均出现在外侧股骨软骨前端,应力主要集中于股骨软骨中部及外侧边缘。与常速和慢速相比,以快速完成急停侧切时,股骨软骨von Mises应力峰值较高,半月板的von Mises应力峰值从数值来看,从高到低依次为快速、常速、慢速(13.15 Mpa vs.12.61 Mpa vs.9.66 MPa),峰值均分布在外侧半月板前角。(4)在膝关节屈曲角度最大时刻,足球运动员完成急停侧切时ACL von Mises应力峰值出现前交叉韧带前内侧束与股骨连接处,应力主要分布于前内侧股骨端和后外侧胫骨端。与常速和慢速相比,以快速完成急停侧切时,ACL von Mises应力峰值较高。股骨软骨von Mises应力峰值均出现在外侧股骨软骨前端,应力主要分布在内、外侧股骨软骨中部。半月板的von Mises应力峰值则出现在外侧半月板前角,应力主要分布于内、外侧半月板前角部位。与常速和慢速相比,以快速完成急停侧切时,半月板von Mises应力峰值较高。结论与建议:与急停起跳相比,足球运动员完成急停侧切时表现出较小的膝关节屈角、较大的水平地面反作用力以及较大的伸膝力矩,这些似乎使ACL负荷更易增大。在快速状态下,尤其是伸膝力矩,这种变化特征比常速和慢速更加明显。此外,足球运动员在完成急停侧切动作时,ACL、股骨软骨及半月板应力峰值在快速状态下最高,在慢速状态下应力值最低。而在急停起跳时,ACL、股骨软骨、半月板在常速和慢速下较高。ACL应力峰值均位于股骨止点处,应力主要集中在中部和股骨止点处,股骨软骨和半月板的外侧von Mises应力峰值均大于内侧,且股骨软骨von Mises应力峰值位于外侧软骨前端,半月板的von Mises应力峰值位于外侧半月板前角部位,意味着前角损伤率相
