深蹲动作下三连杆模型的对比分析

目的 探讨三连杆模型用于深蹲动作互动动力学分析的合理性，明确三连杆模型与Visual 3D计算关节力矩的差异来源。方法 选取8名受试者，通过Vicon获取深蹲动作运动学数据，采用拉格朗日第二类方程建立三连杆动力学方程，基于Mathematica编程计算获取关节力矩，与Visual 3D下肢链节段模型计算结果进行对比分析，并采用复相关系数（coefficient of multiple correlation, CMC）评价两者的相似程度。结果 8名受试者髋、膝关节CMC均大于0.85，踝关节CMC在0.50～0.85之间，三连杆动力学方程和Visual 3D计算的关节力矩在髋、膝关节处高度相似，在踝关节处仅呈现中度相似性。结论 三连杆模型可用于深蹲动作的关节力矩分析以及进一步的环节互动动力学分析，但应当考虑由地面反作用力引起的互动力矩（外力矩）对踝关节力矩的影响。     

四种方向单腿跳膝关节应力分布特征的有限元分析

目的:探讨单腿跳不同方向对膝关节交叉韧带、软骨及半月板应力分布特征的影响。方法:采集8例受试者进行单腿前跳、单腿内侧跳、单腿外侧跳以及单腿垂直跳的运动学数据和地面反作用力,通过逆动力学计算获取膝关节反力作为边界条件和荷载,并基于膝关节三维有限元模型对单腿跳触地过程进行数值仿真。结果:不同方向的单腿跳会使双侧半月板的应力分布、股骨软骨接触应力峰值以及前交叉韧带(anterior cruciate ligament,ACL)的接触点拉应力发生较大变化。单腿内侧跳的ACL接触点拉应力峰值在四种跳跃方式中最高(28.46MPa/20.76MPa),而单腿垂直跳最低(19.1MPa/14.02MPa),股骨接触点和胫骨接触点分别相差49.64%和48.07%。此外,单腿垂直跳的股骨软骨接触应力峰值与其他3种情况相比较大,达到9.85MPa。结论:单腿垂直跳触地过程中ACL接触点拉应力峰值较低,可以作为前交叉韧带术后康复训练的评价指标和训练手段,但在实际运动过程中应注意患者膝关节附近肌群的肌力训练,以及下肢的协调性和稳定性训练,以防止触地过程中软骨和半月板的急性和慢性损伤。     

有限元分析立定跳远状态时不同摆臂动作和触地姿势的膝关节损伤

背景：立定跳远是人体跳跃时常采用的标准动作,同时也是下肢爆发力训练的主要项目之一。大量研究表明,起跳过程中的摆臂动作及触地时足部采用外八姿态能够增加跳跃距离,但鲜有研究关注触地过程中的膝关节损伤。目的：探讨立定跳远不同摆臂动作和触地姿势下双侧半月板和股骨软骨的应力及应力分布特征。方法：招募8名男性大学生进行立定跳远试验,试验中分自由摆臂和限制摆臂起跳、踝关节正常姿态和“外八”姿态触地4种情况,采集跳跃过程中的运动学数据和地面反作用力,通过逆动力学计算获取膝关节反力作为边界条件和荷载。基于1名受试者的膝关节MRI图像,建立膝关节三维有限元模型,对立定跳远触地过程进行数值模拟。结果与结论：(1)摆臂动作与踝关节姿态对膝关节运动学特征的影响存在交互作用,限制摆臂与改变踝关节触地姿态均会对膝关节在矢状面、额状面上的运动学特征产生显著影响(P <0.001,P <0.001);(2)限制摆臂+正常姿态触地与自由摆臂+正常姿态触地时的双侧软骨接触较为均匀,限制摆臂+外八姿态触地和自由摆臂+外八姿态触地的应力集中均发生在软骨内侧而外侧接触较少,内侧软骨较外侧受到更大的冲击;摆臂动作+外八...     

预期条件下不同侧切角度膝关节应力状态的有限元分析

目的 探讨预期条件下不同角度侧切触地过程中膝关节运动学、地面反作用力（ground reaction force, GRF）特征以及软骨、半月板的应力状态。方法 采集14名受试者在预期条件下分别进行45°、90°和135°侧切时的运动学和GRF数据，通过Visual 3D逆动力学计算获取膝关节反作用力，基于膝关节三维有限元模型分别对3种侧切角度下触地过程进行数值仿真。结果 预期条件下3种侧切角度在触地过程中的膝关节运动学特征存在显著性差异（P＜0.001），膝关节屈曲程度随侧切角增大而增加；垂直GRF随侧切角增加而显著减小（P＜0.001），水平GRF呈现出相反的趋势；3种侧切角度下，90°侧切时髌骨软骨以及股骨软骨接触应力峰值较大, 前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）接触点主应力峰值较大，其次为135°和45°侧切；3种侧切角度下，外侧股骨软骨接触应力峰值均大于内侧。结论 90°侧切运动时膝关节损伤风险更大，135°侧切时膝关节内部的应力状态与90°侧切相比较为良好。预期条件下膝关节损伤风险并不随侧切角增大而升高。