研究目的:建立膝关节有限元模型,探究前交叉韧带(Anterior Cruciate Ligament,ACL)在侧切跑动作中的损伤机制。研究方法:运用VICON、AMTI系统采集侧切动作中膝关节运动学及动力学数据,使用V3D软件计算出侧切跑着地阶段膝关节角度和力矩,并作为后续膝关节有限元模型的加载条件;利用有限元分析法计算侧切动作过程中ACL应力分布情况。研究结果:(1)从等效应力分析的结果可以看出,ACL应力分布不均匀,股骨止点处承受的应力高于中部、胫骨起点处。(2)在膝关节力矩46.21 Nm、屈曲角度24.73°、内旋角度4.56°、外展角度0.23°作用下,ACL等效应力峰值30.88 KPa,应力峰值面积较大,主要集中在股骨止点处。(3)在膝关节力矩76.68 Nm、屈曲角度32.25°、内旋角度12.16°、外展角度3.24°作用下,ACL等效应力峰值30.99 KPa,应力峰值面积较大,主要集中在股骨止点处。(4)在膝关节的力矩峰值79.32 Nm、屈曲角度34.86°、内旋角度14.78°、外展角度4.17°作用下,ACL等效应力峰值31.05 KPa,应力峰值面积较大,主要集中在股骨止点处。(5)在膝关节力矩28.41 Nm、屈曲角度55.17°、内旋角度24.56°、外展角度12.24°作用下,股骨止点处出现最大应力31.47 KPa,应力峰值面积较小。研究结论:(1)在侧切跑动作触地支撑的早期阶段(20%),足球运动员的膝关节屈曲角度较小,此时其内旋与外展角度相对较大,这也导致ACL部分整体所受应力较大,前交叉韧带出现损伤的几率较大。(2)根据膝关节三维有限元模型的仿真模拟结果可知:在膝关节屈曲角在0°~35°的区间范围内时,外展角的活动范围在0°~5°区间内,内旋角的活动范围则是0~15°,而且在此过程中,膝关节力矩最大值为79.32Nm,等效应力则为30.88~31.05 KPa。整体而言,前交叉韧带在中部和股骨止点处更容易出现撕裂等现象;而相较之下,ACL胫骨起始点出现损伤的几率相对较小。也就是说,运动员在实际动作过程中,一般是ACL中部或股骨止点处受损。当膝关节屈曲角度在35°以上时,膝关节力矩将会逐步减少,此时内旋角或外展角呈现出增大趋势,ACL等效应力峰值面积同样呈现出大幅降低,但股骨止点处等效应力出现最大值31.47 KPa,这可能与内旋角、外展角大幅度增加有关。(3)本次课题研究综合运用了Mimics、Geomagic Studio、SolidWorks、HyperMesh、ABAQUS五大建模软件,更为清晰完整地建构了膝关节三维有限元模型,尽可能保留其真实的生理条件,使其与实际膝关节解剖结构相近。