不同刚度护膝对男子羽毛球运动员蹬跨步影响的生物力学特征分析

作     者：张博雅 

作者单位：武汉体育学院 

学位级别：硕士

导师姓名：郑伟涛

授予年度：2024年

学科分类：0403[教育学-体育学] 04[教育学] 

主      题：羽毛球 护膝 蹬跨步 生物力学 建模仿真 

摘      要：研究目的:本研究通过测量羽毛球运动员佩戴不同护膝进行蹬跨步动作的生物力学数据并结合有限元的方法探究不同护膝对膝关节生物力学的影响。完善护膝防护效果方面的研究。为广大消费者购买护膝提供参考。 研究方法:招募武汉体育学院运动训练专业健康男性羽毛球运动员共16名。分别以不戴护膝、佩戴弹性护膝和佩戴半刚性护膝进行蹬跨步挑球动作,使用Vicon三维光学运动捕捉系统和Kilster三维测力台和Noraxon表面肌电同步收集三种情况下蹬跨步运动学数据和地面反作用力和电生理学数据。使用一位男性受试者膝关节CT和MRI数据建立一个包含骨、软骨和半月板的膝关节有限元模型。将前期运算所得的膝关节运动学、动力学数据作为边界条件和载荷条件进行加载得到膝关节内部应力峰值及分布情况。 研究结果:(1)运动学特征:弹性护膝和半刚性护膝均能增大触地时膝关节屈曲角度,降低VGRF峰值时刻的膝关节屈曲角度、膝关节内旋角度。半刚性护膝可以降低VGRF峰值时刻膝关节内翻角度。(2)动力学特征:佩戴护膝前后地面反作用力没有明显变化。但是能增加从触地时刻到VGRF峰值时刻的时间。两种护膝均能降低VGRF峰值时刻前后方向膝关节作用力。半刚性护膝能降低VGRF峰值时刻左右方向膝关节作用力。两种护膝皆不能显著降低VGRF峰值时刻轴向膝关节作用力。(3)肌电信号:佩戴弹性护膝和半刚性护膝能降低股四头肌内侧头和外侧头的积分肌电值。弹性护膝和半刚性护膝不能显著改变股二头肌和半腱肌的积分肌电值。(4)应力峰值及分布:无干预情况下、弹性护膝组、半刚性护膝组,股骨软骨应力峰值分别为6.43MPa、5.84MPa、4.91MPa。无干预情况下、弹性护膝组、半刚性护膝组,半月板应力峰值分别为9.38MPa、7.83MPa、7.07MPa。无干预情况下、弹性护膝组、半刚性护膝组,胫骨软骨应力峰值分别为3.91MPa、3.72MPa、3.64MPa。 研究结论:两种护膝均能起到提高膝关节稳定性的作用,半刚性护膝在冠状面上的约束效果明显优于弹性护膝。有限元仿真发现佩戴护膝并不能显著降低膝关节内部总的应力大小,但是能够增加膝关节稳定性使负荷在膝关节内部分布更加均匀且半刚性护膝效果优于弹性护膝。但是佩戴护膝尤其是半刚性护膝可能会增加膝关节外侧间室的压力。