自由式滑雪空中技巧运动员落地稳定瞬间人体膝关节软骨损伤风险的研究

付彦铭

（1.沈阳体育学院 实验室管理中心，辽宁沈阳110102；2.东北大学 机械工程与自动化学院，辽宁 沈阳110819）

自上世纪80年代我国开展自由式滑雪空中技巧运动项目以来，该项目发展运行良好。该项目突出运动员高超的技巧性、灵活性、柔韧性和控制能力，与中国人运动特点和身体特征相符合，现已成为我国冬奥会雪上项目中夺金的重点项目之一。自由式滑雪空中技巧要求运动员自助滑开始，经过出台起跳、空中翻转，直至落地滑行整个阶段，体现出“稳定、难度、准确、优美”的技术特点［1－2］。自由式滑雪空中技巧运动膝关节损伤位列运动员发病率之首。运动员落地瞬间膝关节软骨承受了相当大的冲击力，因此自由式滑雪空中技巧项目也是冬奥项目中的高危运动项目。据不完全统计，退役和现役运动员中因训练或比赛造成膝关节损伤的人员比例高达近80%［3］。在日常训练和比赛中，运动员每一次落地膝关节都受到强大的冲击力作用。在动作规范、专项力量、技术合理的前提下，膝关节韧带及软组织损伤发病率相对较低，但在非常规动作或日积月累的冲击力刺激下，膝关节软骨产生瞬间应力将导致半月板损伤的风险大大提升［4］。

人体膝关节包含胫骨、腓骨、股骨和髌骨等骨组织，以及韧带、肌肉和半月板等周围软骨组织。各组织之间受力相互影响和制约，并通过神经系统反馈与协调维持膝关节的稳定，可以说膝关节是人体最复杂的关节。因此，膝关节损伤的机理研究和膝关节损伤康复研究始终是业界关注的重点。虽然随着医学成像技术的飞速发展，借助CT、MR等医疗设备可以清晰查看膝关节内部组织断层图像，但二维成像的局限性始终无法避免。图像的三维重建是逆向工程技术和三维可视化研究的主要内容，同时也是人体三维有限元分析的重要基础。随着多学科交叉研究的不断开展，近年来很多研究者将三维重建、仿真与有限元分析应用于人体运动以及关节运动中［5－6］。笔者针对自由式滑雪空中技巧项目，应用逆向工程技术对膝关节进行三维重建，应用有限元方法分析落地瞬间人体膝关节软骨仿真模型并最终得出应力分布情况，力图为医疗、康复、科学训练以及运动防护领域提供较为直观、科学的理论依据和量化指标。

1 研究方法

1.1 实验设备及软件

50 HZ索尼高清摄像机3台、计算机（Intel i5 2.40 GHz，RAM：8 G，OS：win7 64位）、金牌教练运动视频分析系统、医学影像三维重建软件Mimics Research 17.0×64、逆向工程软件 Geomagic Studio 2012（64 bit）、Abaqus 6.14有限元软件。DICOM数据为飞利浦256i CT和飞利浦3.0TMR医疗检测设备测试得出，设备及膝关节数据来自中国医科大学附属盛京医学（滑翔院区）放射科。

1.2 实验对象与场地

本研究所选的研究对象为4名自由式滑雪空中技巧国家队现役男性运动员［身高h＝（1.75±4.2）m，体重 m＝（67.6±2.8）kg］，并从中选出一名接队员（近平均值）作为志愿者（已签署告知书），22岁，身高1.76 m，体重68.4 kg，无膝关节损伤史。实验用2周台场地规格：着陆坡角度为38°，台高3.6m，出台角度67°，训练期间向后翻腾直体两周动作和向后翻腾直体一周接屈体一周动作（以下称bLL和bLT动作）落地瞬间的视频解析。由于该项目需佩戴运动装备，故对所穿戴的运动装备也进行称重，结果为9.2 kg（包括雪鞋、雪板以及头盔）。

1.3 实验方法

1.3.1 运动学分析 3台高清摄像机分别对4名运动员出台瞬间（1台）和落地瞬间左右两侧（2台）进行拍摄。从拍摄视频中筛选bLL、bLT成功落地动作，并用金牌教练运动视频分析系统软件分别对出台瞬间重心速度和落地瞬间左右两侧下肢关节角度进行二维解析。

1.3.2 DICOM数据导入 在中国医科大学附属盛京医学（滑翔院区）防射科对志愿者右膝进行CT和MR检测，得到DICOM格式的CT和MR数据，后期将导入Mimics软件中，完成膝关节骨和软骨的三维重建工作。

1.3.3 图像重建与配准 将CT数据进行阈值分割，利用Dynamic Regional Growing算法将软组织和半月板从骨组织中分离，实现目标提取，并完成膝关节骨组织建模与装配。同理根据MR测试数据对膝关节软骨组织进行提取、重建和装配。Mimics软件中的Merge很好地实现了对半月板及骨组织的融合功能，在合理选取解剖学标志点的前提下，与已经重建好的骨组织进行配准，达到预定要求后将骨组织与软组织进行融合。

1.3.4 力学模型分析 以棍图形式建立人体落地时刻的力学模型，做XYZ三个方向的受力分析。在分析过程中，充分考虑膝关节角度、腾空最大高度、着陆坡角度和身体姿态等相关问题，为接下来的有限元分析确定边界条件和力值的大小。

1.3.5 有限元建模与分析 对重建的膝关节模型以IGES格式导入Abaqus有限元软件中，经过材料属性定义、接触面定义、定义单元格式、网格划分和施加载荷等步骤，最终查看计算结果得到膝关节软骨在落地瞬间的应力分布云图。从应力分布云图中可以清晰看到应力集中位置和所受压强大小。

2 结果与分析

2.1 运动学分析结果

在实验拍摄期间，共计采集bLL、bLT出台、落地动作视频82组，其中落地失败或视频摄录失败部分剔除后最终得到成功落地且可用视频46组，场地着陆坡角度为θ＝38°。通过金牌教练运动视频分析系统对双侧膝关节角度进行二维解析，得出落地瞬间和稳定瞬间（图1中虚线表示落地瞬间、实线表示稳定瞬间）膝关节左侧、右侧及其对应小腿与着陆坡夹角，如表1所示。整个落地瞬间至落地稳定变化时间为 t＝（0.18±0.06）s；出台瞬间重心水平速度为 Vx＝（3.87±0.24）m／s；重心垂直速度为 Vy＝（10.46±0.36）m／s。

表1 落地瞬间与稳定瞬间双侧膝关节角度及小腿与坡面夹角列表

图1 落地缓冲示意图

落地稳定瞬间是本研究重点关注的时刻。从解析结果中可以看到双腿膝关节平均角度约为140°，该角度与教练员所要求的最佳动作角度基本一致，而且该时相下膝关节胫骨平台完全吸收了身体以上部分重力带来的冲击力，故后续建模以及有限元计算将以膝关节140°为基准展开。

2.2 DICOM数据采集、处理与配准

经与中国医科大学附属盛京医院（滑翔院区）检验科沟通，对志愿者右侧膝关节进行了CT与MR检测。采用飞利浦256i CT和飞利浦3.0TMR最终得到层厚0.625 mm CT平扫图片DICOM格式数据327张、层厚0.5 mm矢状面MR图像DICOM格式数据244张，通过服务器端光驱将数据导出至光盘。DICOM数据可以导入Mimics软件中，根据实际情况得到正确视图；根据膝关节结构，依次对各块骨单独进行重建。将CT、MR数据进行阈值分割，将骨组织与软骨组织进行分割，然后手动选取目标区域。利用Dynamic Regional Growing算法将软组织和半月板从骨组织中分离，以组织边缘为界限进行逐层修复，最终实现目标提取。

配准操作中分别将股骨、胫骨、腓骨和髌骨定义为不同颜色加以区分，得到相应的三维重建模型。同理根据MR测试得到的DICOM数据对膝关节软骨组织进行提取、重建和装配，如图2、图3所示。Mimics软件中的Merge很好地实现了对半月板及骨组织的融合功能，合理选取解剖学中的标志点，例如内、外侧半月板特征点与胫骨平台（软骨）特征点相对应，股骨内、外髁边缘与股骨软骨特征区域相对应等。由于MIMICS软件中读取CT测试的DICOM数据时已经确认了该数据的三维坐标，因此在读取MR数据时半月板及软组织数据可在同一坐标下完成三维重建。排除扫描成像方式、切面方向的差异，将模型导入同一空间坐标系，达到预定要求后对骨组织与软骨组织完成配准装配。图4中分别展现了装配完成后膝关节呈140°时装配模型的左视图、后视图、右视图和前视图。

图2 骨组织三维重建

图3 软骨组织三维重建

图4 骨组织与软骨组织装配图

2.3 力学模型分析

以棍图形式建立人体落地时刻的力学模型，做XY两个方向的受力分析，如图5所示，该图为右视图。在运动员完成正常落地的前提下，其中G为运动员所受重力，即m＋m1所受重力（m为运动员平均体重，m1为外部装备重量），其大小为G＝（m＋m1）g＝（68.6＋9.2）×9.8＝762.44（N）；N为地面支反力，其大小为N＝G·cosθ；N’为垂直于胫骨平台的支反力。根据中国人体模型环节相对重量，足与小腿分别占体重的4%和1.5%，因此N’的大小应为膝关节以上（除去足、小腿以及雪鞋重量）身体重量m’产生的垂直作用力的分量，经计算m’＝89%m＝＋2.1（kg）；F为落地稳定时膝关节以上身体重力产生的对胫骨平台的冲击力。在膝关节角度、腾空高度、身体各环节比重和体重已知的情况下，各变量均可求。在分析过程中，充分考虑膝关节角度、腾空最大高度、着陆坡角度和身体姿态等相关问题，为接下来的有限元分析确定边界条件和力值的大小。根据测得的出台时刻重心垂直平均速度为10.46 m／s，结合场地实际尺寸最终计算得出：最大落差S＝10.82 m，落地瞬间垂直方向速度 Vy＝13.52 m／s。根据落地瞬间速度可以计算得出F与所受垂直方向作用力存在夹角，根据动量定理有2F＝ ，其中t为缓冲平均时间0.18 s，故可推算出2F≈4544.63 N，F≈2272.32 N。由计算结果可以得出，双腿膝关节胫骨平台在缓冲稳定时刻承受6.76倍体重。

2.4 有限元分析结果

2.4.1 模型有效性验证 使用Abaqus6.14对膝关节及其软骨进行力学特性分析与仿真。在膝关节有限元分析的相关文献中，针对半月板和关节软骨的弹性模量、泊松比和软骨密度暂不统一，本研究设置半月板和关节软骨的弹性模量分别为59 MPa和20 MPa，泊松比分别为 0.49和 0.46，密度分别为 1e～6 kg／mm3和 1.98 e～6kg／mm3［7－8］。模型中共计 29 836个节点、15 745个单元（C3D10），如图6所示。选取内侧半月板，对其进行破坏性实验，结果内侧半月板最大压力载荷约为789 N，最大抗压强度约为35.8 Mpa，此测试结果与尸体生物力学实验的测试结果较接近，说明本研究所建模型与实际膝关节半月板的材料力学特性具有相似性［6］。

图5 落地瞬间膝关节受力分析

图6 膝关节软骨网格划分

图7 各部分软骨有限元分析结果

2.4.2 软骨有限元分析结果 在本研究中，股骨与股骨软骨、胫骨与胫骨软骨之间定义为面与面接触且无滑动约束，内外侧半月板上下表面与胫骨软骨和股骨软管之间、股骨软骨与胫骨软骨之间也为面与面接触，其中只有内外侧半月板前脚与后脚处由于有韧带连接故存在限制约束。利用所建立的软骨有限元模型对bLL动作落地过程中的一个瞬间进行了有限元分析。结果表明：在膝关节角度呈140°时，膝关节软骨内外侧均存在应力集中现象如图7所示，其中从股骨软骨应力仰视云图7（a）可以清楚看到股骨外侧髁软骨后端存在应力集中。在内侧半月板虽然上下表面都存在应力集中位置，但下表面区域更大，如7（b）所示；外侧半月板上表面存在明显的应力集中区域，位于半月板中部中间位置，如7（c）所示。内、外侧胫骨软骨中，内侧软骨上表面应力集中位置明显，位于软骨中心位置和与之相接触的半月板前脚位置，如7（d）所示。外侧胫骨软骨无明显应力集中区域，如7（e）所示。

3 结论

在规范的技术动作成功完成情况下，通过对2周台bLL、bLT动作落地稳定瞬间膝关节软骨的有限元分析并通过力学模型验证表明：双腿膝关节胫骨平台软骨所受的冲击力超过正常体重（除外部装备）近7倍。膝关节软骨中，虽然股骨软骨外侧髁后缘、内侧半月板前脚、外侧半月板中部中间位置和内侧胫骨软骨上表面中心位置处均存在应力集中现象，但该部分应力未能对软骨本身构成损伤。另外由于研究选择的动作无横轴转体动作，因此双腿受力基本均衡，因此bLL、bLT动作引起膝关节损伤风险较小。但值得注意的是，日积月累的训练比赛使应力集中位置软骨发生磨损，软骨接触面将逐渐产生变化，改变后的受力情况将无法预知。

4 建议

本研究仅对二周台的特定动作进行了分析，针对三周台和其他特定动作的研究正在进行中。可以肯定的是三周台动作的技术难度更高，膝关节软骨所受应力将更大，同时膝关节损伤风险也随之增加，这就对教练员、体能教练和运动员提出了更高要求：除日常体能训练外，还应采用科学的体能训练方法有效提高每位运动员膝关节稳定性；教练员与体能教练针对个体共同制定训练计划，避免超量训练对膝关节造成危害；运动员切忌勉强，状态不好应主动提出停止训练，以减少运动风险及由于训练损伤造成的战斗减员的情况发生。

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