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研究目的体操是一项广泛受欢迎的运动项目。体操运动员每一次训练或比赛都是以落地动作结束,但落地的成功率很低,而踝关节损伤的发生率却很高。本文目的是在体操运动员落地的运动测试基础上,进行人体落地动作的多体系统动力学仿真,再结合足踝有限元计算,在关节内外负荷和人体组织应力、应变两个尺度上探讨落地冲击的生物力学特征,为探讨踝关节损伤的机制及预防提供科学依据。研究方法1.运动测试:(a).选取国家体操队6名男子运动员,在国家体育科研究所实验室完成不同高度(H1:35 cm,H2:55 cm和H3:85 cm)的垂直落地和后空翻(BS)落地测试。分别使用Qualisys运动捕捉系统、Kistler测力台和Delsys无线表面肌电系统,同步采集落地动作的运动学、垂直地面反作用力(vGRF)和两侧下肢股直肌、股二头肌、胫骨前肌和腓肠肌外侧的肌电信号,并对数据进行处理分析。(b).选取其中1名运动员,在国家队体操馆进行体操直体后空翻转体720°(简称:“后直720°”)落地测试,分别使用三维运动拍摄和Delsys无线表面肌电系统,同步采集落地动作的运动学,以及上述肌肉的表面肌电信号,并对数据进行处理分析。(c).在第十三届全运会自由操的决赛现场,对体操直体后空翻转体1080°(简称:“后直1080°”)落地进行三维运动拍摄,选取最佳动作分析获取运动学数据。2.人体多体仿真:选取上述运动测试中后空翻,后直720°和后直1080°落地各一例。利用LifeMod/ADAMS多体系统动力学仿真软件,分别对3名体操运动员建立19环节、50自由度的多体系统模型,并建立落地垫模型。基于落地运动测试中获取的人体运动轨迹数据,通过仿真计算vGRF、下肢关节力和力矩。3.足踝有限元仿真:选取其中1名运动员,进行CT和MRI图像采集。建立足踝有限元模型,包含了胫、腓骨下端以及足部全部骨骼、关节软骨,踝关节周围韧带、外围软组织和足底平板的几何信息。对胫骨和腓骨上表面进行位移全约束,足底表面与平板设定摩擦接触。将前面所获得的峰值vGRF(PvGRF)作为有限元加载条件,分别从平板底面向上加载。以此来模拟上述6种落地冲击负荷,获取踝关节面相应骨的应力和应变分布。研究结果1.运动测试结果:不同高度及BS落地PvGRF分别为:4.62±0.50 BW(body weight)(H1)、6.64±1.25 BW(H2)、8.94±0.51 BW(H3)和11.9±1.50 BW(BS),显著增加。H1、H2、H3和BS落地的负载率、动态稳定系数显著增加;BS落地的踝关节跖屈、达到PvGRF时间显著小于H3的。两种落地方式的髋、膝关节达到最大角速度时间与达到PvGRF时间无显著差异,但踝关节的显著早于它们两者,且其角速度最大。下肢表面肌电均方根振幅(RMS)在所测落地各阶段持续增加,BS落地的肌电RMS显著大于H3的。2.多体系统仿真结果:体操BS、后直720°和后直1080°落地PvGRF分别为11.9 BW,16.8 BW和18.3 BW。在T0阶段(触地前100 ms),后直720°的髋、膝和踝关节角度基本没有变化,而后直1080°的分别屈曲了27°、6°和22°,并且其左脚先于右脚触地(4-8 ms之间)。在T1阶段(冲击初期,从触地到PvGRF),BS、后直720°和后直1080°落地下肢关节快速屈曲,T2阶段(冲击后期,从PvGRF回到1 BW),BS下肢关节角度保持稳定,而后直720°和后直1080°下肢关节继续屈曲,且后直1080°屈曲幅度更大。在三种向后空翻落地动作的下肢关节反作用力关系:踝>膝>髋,其峰值都出现在T2阶段;下肢关节力矩在T1阶段为屈肌力矩,T2阶段为伸肌力矩,其幅值远大于T1阶段的;下肢关节刚度关系:髋>膝>踝、T2阶段>T1阶段,然而后直1080°的T2阶段踝刚度大于膝的。3.有限元仿真结果:踝关节面上胫骨、腓骨下端较大的Von Mises应力和Tresca应力主要分布在其边缘的部分区域,应力集中在胫骨面前缘外侧。距骨上端较大的Von Mises应力和Tresca应力主要分布在距骨滑车边缘的部分区域,应力集中在距骨滑车外缘前侧。Tresca应力峰值比Von Mises应力峰值更大,且都随落地的高度、向后空翻的难度增加而依次增大。外踝的腓骨下端形变最大。研究结论1.体操落地动作比垂直落地具有更小的下肢关节活动范围,更强的冲击负荷,更大的负载率和肌肉激活程度,更复杂的落地负荷形式,提示垂直落地很难反映真实体操落地动作。2.与一般落地动作相比,体操高难度动作落地前,提前屈曲下肢关节,为落地做准备。不同难度的体操落地,冲击初期下肢关节快速主动屈曲以缓冲落地冲击;冲击后期下肢关节全力伸展以抵抗落地冲击。3.体操运动员落地冲击时踝关节面前缘和内、外踝应力很高,腓骨下端形变最大;这种力学特征是踝关节前缘发生冲击性损伤、以及外踝应力性骨折的主要原因。本文增进了人们对体操落地冲击生物力学特征的认识,深化了人们对踝关节冲击性损伤生物力学机制的理解,为运动员踝关节损伤的预防、治疗和康复提供了科学理论依据。