女性羽毛球运动员头顶球单腿落地动作的膝关节生物力学有限元分析

作     者：黎蒙 

作者单位：上海体育学院 

学位级别：硕士

导师姓名：张胜年

授予年度：2020年

学科分类：04[教育学] 

主      题：女性 羽毛球 单腿落地 有限元分析 应力 

摘      要：研究目的:羽毛球是世界上最受欢迎的运动之一,由于其高强度和间隙性的运动特点,容易导致一系列的运动损伤,且女性运动员更容易发生损伤。头顶球技术作为羽毛球运动中最常见的技术之一,大多数动作发生在后场反手侧。膝关节软骨和半月板损伤作为常见的一种损伤,多见于头顶球单腿落地动作中。头顶球动作的单腿落地动作造成半月板和软骨损伤主要包括落地冲击对膝关节软骨和半月板造成急性损伤,以及长期的落地动产生的负荷造成软骨和半月板的慢性损伤。落地过程中膝关节的生物力学环境的改变是导致膝关节的损伤的重要因素。因此本研究的目的建立女性膝关节有限元模型,并基于女性羽毛球运动员头顶球单腿落地的运动学和动力学数据,利用模型计算膝关节内部生物力学特性,这对于了解膝关节软骨和半月板损伤机制至关重要。并通过模型模拟落地冲击力和关节角度的变化如何影响软骨和半月板生物力学,进一步对于预防膝关节的软骨损伤,疾病的治疗和康复有重要意义。研究方法:招募上海体育学院二级及一级健康女性羽毛球运动员共7名,下肢半年内无损伤且此前未接受过手术。使用Vicon三维红捕捉系统采集头顶球单腿落地动作的运动学,采集频率200Hz,使用Kilster三维测力台采集头顶球单腿落地动作的动力学,采集频率1000Hz,并对Vicon和Kilster采集进行时间同步。Visual 3D对运动学和动力学数据进行处理,处理后的运动学和动力学数据作为有限元模型的边界条件和加载载荷。利用一名健康成年女性膝关节MRI数据,建立包含骨、软骨、半月板和韧带的膝关节有限元模型,并对模型有效性进行验证。将一条接近平均值的运动学和动力学数据作为边界条件和加载载荷输入有限元模型,计算膝关节内部生物力学特征。进一步利用膝关节有限元模型模拟计算不同负荷和不同角度时膝关节软骨和半月板的应力值以了解负荷和角度的变化如何影响软骨和半月板生物力学。研究结果:1.女性运动员头顶球单腿落地冲击阶段膝关节运动学:矢状面（+:伸;-:屈曲）:-46.8±16.3°,冠状面（+:外翻;-:内翻）:5.0±6.3°和额状面（+:内旋;-:外旋）:-6.7±7.3°,动力学:垂直地反力1.7±0.8倍体重,峰值垂直地反力为3.7±0.6倍体重,水平地反力值为-0.7±0.6倍体重,峰值水平地反力为1.9±0.4倍体重。2.头顶球单腿落地阶段股骨软骨、半月板和胫骨软骨在6个特征时刻的对应的峰值应力和应力分布结果依次为:第一峰值地反力时刻（F1）:1.134MPa,内侧;17.71MPa,后内侧;2.159MPa,外侧;第二峰值地反力时刻（F2）:3.686 MPa,外侧;12.82 MPa,后内侧;8.488 MPa,外侧;最大外展角度时刻（F3）:2.818 MPa,外侧;9.271 MPa,后外侧;5.113 MPa,外侧;最大内收角度时刻（F4）:1.417 MPa,内侧;11.20 MPa,前内侧;4.408 MPa,内侧;最大外旋角度时刻（F5）:2.906 MPa,外侧;27.2 MPa,后内侧;4.424 MPa;最大内旋角度时刻（F6）:3.497 MPa,外侧;6.644 MPa,前外侧;4.362 MPa,外侧。3.利用膝关节有限元模型计算了不同负荷和不同关节角度下的软骨和半月板峰值应力,更小的负荷和角度引起的软骨和半月板的应力更小。研究结论:1.头顶球单腿落地过程中,运动员膝关节屈曲角度持续增加,并伴随外翻和外旋的增加,其中外翻和外旋角度很容易接近关节极限角度以及落地过程中较高的垂直和水平地反力冲击,造成膝关节内部负荷显著增加。2.头顶球单腿落地过程中,半月板的应力值显著高于股骨软骨和胫骨软骨的应力值,因此半月板传递更多负荷。多个特征时刻的峰值应力出现在半月板后角,很容易增加半月板后角损伤以及与后角连接的韧带和软骨的损伤风险。因此落地动作更容易增加半月板及周围韧带和软骨损伤风险。3.膝关节模拟结果显示,膝关节屈曲角度增加或者外翻和旋转角度减小,能一定程度减小软骨和半月板应力值。建议运动员在落地过程中通过增加膝关节屈曲角度或者减小外翻或者旋转角度的方法减小落地时软骨和半月板应力值。同时也可以针对羽毛球运动员落地动力学的特点,设计出缓冲效果更好的装备,从而帮助运动员减缓在落地过程中的冲击力。