自由式滑雪空中技巧運動員落地穩(wěn)定瞬間人體膝關(guān)節(jié)軟骨損傷風險的研究

付彥銘

（1.沈陽體育學院 實驗室管理中心，遼寧沈陽110102；2.東北大學 機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽110819）

自上世紀80年代我國開展自由式滑雪空中技巧運動項目以來，該項目發(fā)展運行良好。該項目突出運動員高超的技巧性、靈活性、柔韌性和控制能力，與中國人運動特點和身體特征相符合，現(xiàn)已成為我國冬奧會雪上項目中奪金的重點項目之一。自由式滑雪空中技巧要求運動員自助滑開始，經(jīng)過出臺起跳、空中翻轉(zhuǎn)，直至落地滑行整個階段，體現(xiàn)出“穩(wěn)定、難度、準確、優(yōu)美”的技術(shù)特點［1－2］。自由式滑雪空中技巧運動膝關(guān)節(jié)損傷位列運動員發(fā)病率之首。運動員落地瞬間膝關(guān)節(jié)軟骨承受了相當大的沖擊力，因此自由式滑雪空中技巧項目也是冬奧項目中的高危運動項目。據(jù)不完全統(tǒng)計，退役和現(xiàn)役運動員中因訓練或比賽造成膝關(guān)節(jié)損傷的人員比例高達近80%［3］。在日常訓練和比賽中，運動員每一次落地膝關(guān)節(jié)都受到強大的沖擊力作用。在動作規(guī)范、專項力量、技術(shù)合理的前提下，膝關(guān)節(jié)韌帶及軟組織損傷發(fā)病率相對較低，但在非常規(guī)動作或日積月累的沖擊力刺激下，膝關(guān)節(jié)軟骨產(chǎn)生瞬間應(yīng)力將導致半月板損傷的風險大大提升［4］。

人體膝關(guān)節(jié)包含脛骨、腓骨、股骨和髕骨等骨組織，以及韌帶、肌肉和半月板等周圍軟骨組織。各組織之間受力相互影響和制約，并通過神經(jīng)系統(tǒng)反饋與協(xié)調(diào)維持膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定，可以說膝關(guān)節(jié)是人體最復雜的關(guān)節(jié)。因此，膝關(guān)節(jié)損傷的機理研究和膝關(guān)節(jié)損傷康復研究始終是業(yè)界關(guān)注的重點。雖然隨著醫(yī)學成像技術(shù)的飛速發(fā)展，借助CT、MR等醫(yī)療設(shè)備可以清晰查看膝關(guān)節(jié)內(nèi)部組織斷層圖像，但二維成像的局限性始終無法避免。圖像的三維重建是逆向工程技術(shù)和三維可視化研究的主要內(nèi)容，同時也是人體三維有限元分析的重要基礎(chǔ)。隨著多學科交叉研究的不斷開展，近年來很多研究者將三維重建、仿真與有限元分析應(yīng)用于人體運動以及關(guān)節(jié)運動中［5－6］。筆者針對自由式滑雪空中技巧項目，應(yīng)用逆向工程技術(shù)對膝關(guān)節(jié)進行三維重建，應(yīng)用有限元方法分析落地瞬間人體膝關(guān)節(jié)軟骨仿真模型并最終得出應(yīng)力分布情況，力圖為醫(yī)療、康復、科學訓練以及運動防護領(lǐng)域提供較為直觀、科學的理論依據(jù)和量化指標。

1 研究方法

1.1 實驗設(shè)備及軟件

50 HZ索尼高清攝像機3臺、計算機（Intel i5 2.40 GHz，RAM：8 G，OS：win7 64位）、金牌教練運動視頻分析系統(tǒng)、醫(yī)學影像三維重建軟件Mimics Research 17.0×64、逆向工程軟件 Geomagic Studio 2012（64 bit）、Abaqus 6.14有限元軟件。DICOM數(shù)據(jù)為飛利浦256i CT和飛利浦3.0TMR醫(yī)療檢測設(shè)備測試得出，設(shè)備及膝關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)來自中國醫(yī)科大學附屬盛京醫(yī)學（滑翔院區(qū)）放射科。

1.2 實驗對象與場地

本研究所選的研究對象為4名自由式滑雪空中技巧國家隊現(xiàn)役男性運動員［身高h＝（1.75±4.2）m，體重 m＝（67.6±2.8）kg］，并從中選出一名接隊員（近平均值）作為志愿者（已簽署告知書），22歲，身高1.76 m，體重68.4 kg，無膝關(guān)節(jié)損傷史。實驗用2周臺場地規(guī)格：著陸坡角度為38°，臺高3.6m，出臺角度67°，訓練期間向后翻騰直體兩周動作和向后翻騰直體一周接屈體一周動作（以下稱bLL和bLT動作）落地瞬間的視頻解析。由于該項目需佩戴運動裝備，故對所穿戴的運動裝備也進行稱重，結(jié)果為9.2 kg（包括雪鞋、雪板以及頭盔）。

1.3 實驗方法

1.3.1 運動學分析 3臺高清攝像機分別對4名運動員出臺瞬間（1臺）和落地瞬間左右兩側(cè)（2臺）進行拍攝。從拍攝視頻中篩選bLL、bLT成功落地動作，并用金牌教練運動視頻分析系統(tǒng)軟件分別對出臺瞬間重心速度和落地瞬間左右兩側(cè)下肢關(guān)節(jié)角度進行二維解析。

1.3.2 DICOM數(shù)據(jù)導入 在中國醫(yī)科大學附屬盛京醫(yī)學（滑翔院區(qū)）防射科對志愿者右膝進行CT和MR檢測，得到DICOM格式的CT和MR數(shù)據(jù)，后期將導入Mimics軟件中，完成膝關(guān)節(jié)骨和軟骨的三維重建工作。

1.3.3 圖像重建與配準 將CT數(shù)據(jù)進行閾值分割，利用Dynamic Regional Growing算法將軟組織和半月板從骨組織中分離，實現(xiàn)目標提取，并完成膝關(guān)節(jié)骨組織建模與裝配。同理根據(jù)MR測試數(shù)據(jù)對膝關(guān)節(jié)軟骨組織進行提取、重建和裝配。Mimics軟件中的Merge很好地實現(xiàn)了對半月板及骨組織的融合功能，在合理選取解剖學標志點的前提下，與已經(jīng)重建好的骨組織進行配準，達到預定要求后將骨組織與軟組織進行融合。

1.3.4 力學模型分析 以棍圖形式建立人體落地時刻的力學模型，做XYZ三個方向的受力分析。在分析過程中，充分考慮膝關(guān)節(jié)角度、騰空最大高度、著陸坡角度和身體姿態(tài)等相關(guān)問題，為接下來的有限元分析確定邊界條件和力值的大小。

1.3.5 有限元建模與分析 對重建的膝關(guān)節(jié)模型以IGES格式導入Abaqus有限元軟件中，經(jīng)過材料屬性定義、接觸面定義、定義單元格式、網(wǎng)格劃分和施加載荷等步驟，最終查看計算結(jié)果得到膝關(guān)節(jié)軟骨在落地瞬間的應(yīng)力分布云圖。從應(yīng)力分布云圖中可以清晰看到應(yīng)力集中位置和所受壓強大小。

2 結(jié)果與分析

2.1 運動學分析結(jié)果

在實驗拍攝期間，共計采集bLL、bLT出臺、落地動作視頻82組，其中落地失敗或視頻攝錄失敗部分剔除后最終得到成功落地且可用視頻46組，場地著陸坡角度為θ＝38°。通過金牌教練運動視頻分析系統(tǒng)對雙側(cè)膝關(guān)節(jié)角度進行二維解析，得出落地瞬間和穩(wěn)定瞬間（圖1中虛線表示落地瞬間、實線表示穩(wěn)定瞬間）膝關(guān)節(jié)左側(cè)、右側(cè)及其對應(yīng)小腿與著陸坡夾角，如表1所示。整個落地瞬間至落地穩(wěn)定變化時間為 t＝（0.18±0.06）s；出臺瞬間重心水平速度為 Vx＝（3.87±0.24）m／s；重心垂直速度為 Vy＝（10.46±0.36）m／s。

表1 落地瞬間與穩(wěn)定瞬間雙側(cè)膝關(guān)節(jié)角度及小腿與坡面夾角列表

圖1 落地緩沖示意圖

落地穩(wěn)定瞬間是本研究重點關(guān)注的時刻。從解析結(jié)果中可以看到雙腿膝關(guān)節(jié)平均角度約為140°，該角度與教練員所要求的最佳動作角度基本一致，而且該時相下膝關(guān)節(jié)脛骨平臺完全吸收了身體以上部分重力帶來的沖擊力，故后續(xù)建模以及有限元計算將以膝關(guān)節(jié)140°為基準展開。

2.2 DICOM數(shù)據(jù)采集、處理與配準

經(jīng)與中國醫(yī)科大學附屬盛京醫(yī)院（滑翔院區(qū)）檢驗科溝通，對志愿者右側(cè)膝關(guān)節(jié)進行了CT與MR檢測。采用飛利浦256i CT和飛利浦3.0TMR最終得到層厚0.625 mm CT平掃圖片DICOM格式數(shù)據(jù)327張、層厚0.5 mm矢狀面MR圖像DICOM格式數(shù)據(jù)244張，通過服務(wù)器端光驅(qū)將數(shù)據(jù)導出至光盤。DICOM數(shù)據(jù)可以導入Mimics軟件中，根據(jù)實際情況得到正確視圖；根據(jù)膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，依次對各塊骨單獨進行重建。將CT、MR數(shù)據(jù)進行閾值分割，將骨組織與軟骨組織進行分割，然后手動選取目標區(qū)域。利用Dynamic Regional Growing算法將軟組織和半月板從骨組織中分離，以組織邊緣為界限進行逐層修復，最終實現(xiàn)目標提取。

配準操作中分別將股骨、脛骨、腓骨和髕骨定義為不同顏色加以區(qū)分，得到相應(yīng)的三維重建模型。同理根據(jù)MR測試得到的DICOM數(shù)據(jù)對膝關(guān)節(jié)軟骨組織進行提取、重建和裝配，如圖2、圖3所示。Mimics軟件中的Merge很好地實現(xiàn)了對半月板及骨組織的融合功能，合理選取解剖學中的標志點，例如內(nèi)、外側(cè)半月板特征點與脛骨平臺（軟骨）特征點相對應(yīng)，股骨內(nèi)、外髁邊緣與股骨軟骨特征區(qū)域相對應(yīng)等。由于MIMICS軟件中讀取CT測試的DICOM數(shù)據(jù)時已經(jīng)確認了該數(shù)據(jù)的三維坐標，因此在讀取MR數(shù)據(jù)時半月板及軟組織數(shù)據(jù)可在同一坐標下完成三維重建。排除掃描成像方式、切面方向的差異，將模型導入同一空間坐標系，達到預定要求后對骨組織與軟骨組織完成配準裝配。圖4中分別展現(xiàn)了裝配完成后膝關(guān)節(jié)呈140°時裝配模型的左視圖、后視圖、右視圖和前視圖。

圖2 骨組織三維重建

圖3 軟骨組織三維重建

圖4 骨組織與軟骨組織裝配圖

2.3 力學模型分析

以棍圖形式建立人體落地時刻的力學模型，做XY兩個方向的受力分析，如圖5所示，該圖為右視圖。在運動員完成正常落地的前提下，其中G為運動員所受重力，即m＋m1所受重力（m為運動員平均體重，m1為外部裝備重量），其大小為G＝（m＋m1）g＝（68.6＋9.2）×9.8＝762.44（N）；N為地面支反力，其大小為N＝G·cosθ；N’為垂直于脛骨平臺的支反力。根據(jù)中國人體模型環(huán)節(jié)相對重量，足與小腿分別占體重的4%和1.5%，因此N’的大小應(yīng)為膝關(guān)節(jié)以上（除去足、小腿以及雪鞋重量）身體重量m’產(chǎn)生的垂直作用力的分量，經(jīng)計算m’＝89%m＝＋2.1（kg）；F為落地穩(wěn)定時膝關(guān)節(jié)以上身體重力產(chǎn)生的對脛骨平臺的沖擊力。在膝關(guān)節(jié)角度、騰空高度、身體各環(huán)節(jié)比重和體重已知的情況下，各變量均可求。在分析過程中，充分考慮膝關(guān)節(jié)角度、騰空最大高度、著陸坡角度和身體姿態(tài)等相關(guān)問題，為接下來的有限元分析確定邊界條件和力值的大小。根據(jù)測得的出臺時刻重心垂直平均速度為10.46 m／s，結(jié)合場地實際尺寸最終計算得出：最大落差S＝10.82 m，落地瞬間垂直方向速度 Vy＝13.52 m／s。根據(jù)落地瞬間速度可以計算得出F與所受垂直方向作用力存在夾角，根據(jù)動量定理有2F＝ ，其中t為緩沖平均時間0.18 s，故可推算出2F≈4544.63 N，F(xiàn)≈2272.32 N。由計算結(jié)果可以得出，雙腿膝關(guān)節(jié)脛骨平臺在緩沖穩(wěn)定時刻承受6.76倍體重。

2.4 有限元分析結(jié)果

2.4.1 模型有效性驗證 使用Abaqus6.14對膝關(guān)節(jié)及其軟骨進行力學特性分析與仿真。在膝關(guān)節(jié)有限元分析的相關(guān)文獻中，針對半月板和關(guān)節(jié)軟骨的彈性模量、泊松比和軟骨密度暫不統(tǒng)一，本研究設(shè)置半月板和關(guān)節(jié)軟骨的彈性模量分別為59 MPa和20 MPa，泊松比分別為 0.49和 0.46，密度分別為 1e～6 kg／mm3和 1.98 e～6kg／mm3［7－8］。模型中共計 29 836個節(jié)點、15 745個單元（C3D10），如圖6所示。選取內(nèi)側(cè)半月板，對其進行破壞性實驗，結(jié)果內(nèi)側(cè)半月板最大壓力載荷約為789 N，最大抗壓強度約為35.8 Mpa，此測試結(jié)果與尸體生物力學實驗的測試結(jié)果較接近，說明本研究所建模型與實際膝關(guān)節(jié)半月板的材料力學特性具有相似性［6］。

圖5 落地瞬間膝關(guān)節(jié)受力分析

圖6 膝關(guān)節(jié)軟骨網(wǎng)格劃分

圖7 各部分軟骨有限元分析結(jié)果

2.4.2 軟骨有限元分析結(jié)果 在本研究中，股骨與股骨軟骨、脛骨與脛骨軟骨之間定義為面與面接觸且無滑動約束，內(nèi)外側(cè)半月板上下表面與脛骨軟骨和股骨軟管之間、股骨軟骨與脛骨軟骨之間也為面與面接觸，其中只有內(nèi)外側(cè)半月板前腳與后腳處由于有韌帶連接故存在限制約束。利用所建立的軟骨有限元模型對bLL動作落地過程中的一個瞬間進行了有限元分析。結(jié)果表明：在膝關(guān)節(jié)角度呈140°時，膝關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)外側(cè)均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象如圖7所示，其中從股骨軟骨應(yīng)力仰視云圖7（a）可以清楚看到股骨外側(cè)髁軟骨后端存在應(yīng)力集中。在內(nèi)側(cè)半月板雖然上下表面都存在應(yīng)力集中位置，但下表面區(qū)域更大，如7（b）所示；外側(cè)半月板上表面存在明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，位于半月板中部中間位置，如7（c）所示。內(nèi)、外側(cè)脛骨軟骨中，內(nèi)側(cè)軟骨上表面應(yīng)力集中位置明顯，位于軟骨中心位置和與之相接觸的半月板前腳位置，如7（d）所示。外側(cè)脛骨軟骨無明顯應(yīng)力集中區(qū)域，如7（e）所示。

3 結(jié)論

在規(guī)范的技術(shù)動作成功完成情況下，通過對2周臺bLL、bLT動作落地穩(wěn)定瞬間膝關(guān)節(jié)軟骨的有限元分析并通過力學模型驗證表明：雙腿膝關(guān)節(jié)脛骨平臺軟骨所受的沖擊力超過正常體重（除外部裝備）近7倍。膝關(guān)節(jié)軟骨中，雖然股骨軟骨外側(cè)髁后緣、內(nèi)側(cè)半月板前腳、外側(cè)半月板中部中間位置和內(nèi)側(cè)脛骨軟骨上表面中心位置處均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，但該部分應(yīng)力未能對軟骨本身構(gòu)成損傷。另外由于研究選擇的動作無橫軸轉(zhuǎn)體動作，因此雙腿受力基本均衡，因此bLL、bLT動作引起膝關(guān)節(jié)損傷風險較小。但值得注意的是，日積月累的訓練比賽使應(yīng)力集中位置軟骨發(fā)生磨損，軟骨接觸面將逐漸產(chǎn)生變化，改變后的受力情況將無法預知。

4 建議

本研究僅對二周臺的特定動作進行了分析，針對三周臺和其他特定動作的研究正在進行中?？梢钥隙ǖ氖侨芘_動作的技術(shù)難度更高，膝關(guān)節(jié)軟骨所受應(yīng)力將更大，同時膝關(guān)節(jié)損傷風險也隨之增加，這就對教練員、體能教練和運動員提出了更高要求：除日常體能訓練外，還應(yīng)采用科學的體能訓練方法有效提高每位運動員膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性；教練員與體能教練針對個體共同制定訓練計劃，避免超量訓練對膝關(guān)節(jié)造成危害；運動員切忌勉強，狀態(tài)不好應(yīng)主動提出停止訓練，以減少運動風險及由于訓練損傷造成的戰(zhàn)斗減員的情況發(fā)生。

［1］馬毅，閆紅光，吳志海，等.影響自由式滑雪空中技巧動作難度的相關(guān)因素分析 ［J］.沈陽體育學院學報，2010，29（1）：8－11.

［2］閆紅光，婁彥濤，吳松林.自由式滑雪空中技巧動作技術(shù)的運動生物力學原理探析［J］.沈陽體育學院學報，2010，29（1）：12－16.

［3］婁彥濤，王振，郝衛(wèi)亞.自由式滑雪空中技巧運動員模擬落地動作的下肢生物力學特征［J］.中國運動醫(yī)學雜志，2016，35（4）：333－338.

［4］沙川華，李龍，張濤.人體內(nèi)、外側(cè)半月板生物材料力學特征及比較的實驗研究［J］.體育科學，2013，33（7）：53－58.

［5］Joseph M.Haemer，Yongnam Song，Dennis R.etal.Changes in articular cartilagemechanics with meniscectomy：A novel image－based modeling approach and comparison to patterns of OA［J］.Journal of Biomechanics，2011，44（12）：2307－2312.

［6］YuxingWang，Yubo Fan，Ming Zhang.Comparison of stress on knee cartilage during kneeling and standing using finite element models［J］.Medical Engineering＆Physics，2014，36（4）：439－447.

［7］Bottcher P，Zeissler M，Maierl J，etal.Mapping of split－line pattern and cartilage thicknessof selected donor and recipient sites for autologous osteochondral transplantation in the canine stifle joint［J］.Vet Surg，2009，38（6）：696－704.

［8］Guess TM，Thiagarajan M，Kia G，et al.A subject specific multibody model of the knee with menisci［J］.Med Eng Phys，2010，32（5）：505－515.