网球运动员半月板损伤的有限元混合建模研究

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目的:在网球运动中,膝关节半月板损伤较为普遍,且发病机制复杂。根据人体与网球的不同位置关系,正手击球技术有开放式、半开式、关闭式三种站位技术。本研究的目的是探讨网球半开放式站位击球技术与膝关节半月板损伤之间的关系,找出膝关节半月板损伤的机理和规律。方法:通过VICON三维红外动作捕捉系统和测力台同步采集损伤运动员和健康运动员的正手挥拍击球动作的数据,使用Visual-3D软件计算出髋、膝关节角度以及关节力矩。将经过VICON软件处理的动作数据以.TRC格式导入OpenSIM软件,经过缩放模型、逆运动学、残差计算、逆动力学步骤得出相关肌肉的肌力值。拍摄损伤运动员膝关节的CT、MR图像,通过MIMICS软件使二维断层图像还原成三维体模型,以格式.STL导入到有限元前处理软件Hypermesh中进行网格划分、材料赋值等步骤,再将OpenSIM与有限元模型进行耦合定义网球正手半开放式站位中膝关节的运动,通过Ls-dyna非线性计算器求解来计算半月板的应力分布,计算结果通过Hyperview显示。结果:(1)受试者A在水平面上的动作为先内旋再外旋,之后再次内旋,最后再次外旋,有二次转动的现象,受试者B在踏上测力台时呈内旋姿态,之后外旋发力,仅做了一次外旋动作。受试者A与B髋关节在水平面上变化趋势大致相同,但是受试者A的旋转角度值大于受试者B,且旋转时间也长于受试者B。此外,对比受试者A的髋关节和膝关节水平面上的力矩,力矩方向完全相反,使胫骨和股骨会产生相对扭动,对半月板会产生扭转以及压缩载荷。受试者B髋关节和膝关节水平面上的力矩,力矩方向相同。(2)对比受试者A、B的肌力数据发现受试者A的产生膝关节外旋运动的两块肌肉肌力值有两个波峰,受试者B控制外旋的肌肉只有一次波峰出现。(3)半月板表面出现应力集中现象的发生时间与地面反作用力、髋关节外旋力矩、膝关节外旋角度、膝关节内旋力矩峰值发生的时间吻合。结论:曲屈状态下股骨和胫骨的反向力矩是导致膝关节半月板高应力(损伤)的主要原因。运动员上步转髋的动作中,膝关节在转动过程中没有固定,在挥拍击球过程中出现了反复的扭转,使胫骨和股骨产生了相对扭动,对半月板产生了扭转和压缩载荷,这种复合载荷导致半月板应力升高,并出现应力集中现象,增大了半月板损伤的风险。在训练中可以加强膝关节的稳定性的训练,从意识上对膝关节的扭动加以控制以降低受伤的风险。
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