沈佳麗 廖澤宇（.同濟(jì)大學(xué)體育教學(xué)部 上海 0009；.同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系 上海 0009)

1、前言

現(xiàn)代網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)員速度、力量提出了更大尺度的要求，在運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)技術(shù)趨近、體能相近的情況下，誰(shuí)能減少運(yùn)動(dòng)性損傷，延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)壽命，就能在世界前列擁有一席，尤其在女子網(wǎng)壇這一現(xiàn)象更為明顯。而長(zhǎng)期受各類損傷困擾的不僅僅是職業(yè)運(yùn)動(dòng)員，國(guó)內(nèi)專業(yè)運(yùn)動(dòng)員也脫離不了網(wǎng)球傷痛。在網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)損傷案例中，我們發(fā)現(xiàn)由手腕引發(fā)的各類突發(fā)性損傷尤為常見，由于腕骨體積小、形態(tài)各異、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等自身構(gòu)架導(dǎo)致?lián)p傷類型多種多樣，常常因不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)得到治療，竟而直接影響其比賽水平的發(fā)揮甚至終結(jié)了運(yùn)動(dòng)員的職業(yè)生涯。為了進(jìn)一步研究腕部的損傷機(jī)制，通過(guò)建立手腕的有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行無(wú)創(chuàng)傷的模態(tài)實(shí)驗(yàn)，總結(jié)持拍手承載不同負(fù)荷應(yīng)力的應(yīng)變規(guī)律。

2、腕關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)與損傷機(jī)制

2.1、腕關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)

腕關(guān)節(jié)有尺橈骨的遠(yuǎn)端及腕骨組成。腕骨間關(guān)節(jié)由近側(cè)列三個(gè)腕骨（手舟骨、月骨、三角骨）和遠(yuǎn)側(cè)列四個(gè)腕骨（大多角骨、小多角骨、頭狀骨、鉤骨）組成。在遠(yuǎn)側(cè)列的四個(gè)腕骨間也被堅(jiān)韌的骨間韌帶連結(jié)起來(lái)，可以看成是一塊骨，因此從結(jié)構(gòu)上看，腕骨間關(guān)節(jié)仍是一個(gè)簡(jiǎn)單關(guān)節(jié)，見圖1。腕關(guān)節(jié)繞額狀軸可以做屈、伸運(yùn)動(dòng)，繞矢狀軸可以做外展、內(nèi)收運(yùn)動(dòng)，繞混合軸可以做環(huán)繞運(yùn)動(dòng)。

圖1：網(wǎng)球持拍手（右手）

2.2、腕關(guān)節(jié)的損傷機(jī)制

網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員的握拍方式雖各有不同，但是無(wú)論何種握拍方式，每一次擊球動(dòng)作都需要通過(guò)手腕去完成，高頻率大強(qiáng)度腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，使得腕關(guān)節(jié)受傷的頻率較其他關(guān)節(jié)相比要高的多。腕關(guān)節(jié)損傷以腕關(guān)節(jié)的肌腱腱鞘炎為主，大部分由長(zhǎng)期過(guò)頻使用腕關(guān)節(jié)引發(fā)的慢性勞損，小部分是由于某次擊球用力不當(dāng)或沖擊力過(guò)大引發(fā)的急性傷痛，若傷后治療不及時(shí)或處理方法不當(dāng)或康復(fù)后腕關(guān)節(jié)再次扭傷，容易導(dǎo)致骨折脫位或誘發(fā)骨關(guān)節(jié)病。

3、腕關(guān)節(jié)的有限元模型

3.1、實(shí)驗(yàn)原理

網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員持拍手的二維CT片導(dǎo)入交互式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)Materialise’s Interactive Medical Image Control System 12 image processing (MIMICS) 軟件建立3D有限元模型，然后將3D有限元模型再導(dǎo)入Patran 2010 for MD Nastran中，完成骨頭的分離、優(yōu)化、網(wǎng)格劃分，最后對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分析。

3.2、實(shí)驗(yàn)步驟

3.2.1、MIMICS軟件完成二維到三維模型的轉(zhuǎn)換

CT成像是利用X射線的衰減特性，通過(guò)物體的X射線由高靈敏度的接收器接收并由計(jì)算機(jī)重建成像，本實(shí)驗(yàn)選用上海長(zhǎng)海醫(yī)院110張真實(shí)比例的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員右手腕關(guān)節(jié)層厚2mm的CT斷層掃描圖片，用DICOM VIEWER軟件對(duì)圖片進(jìn)行二維觀察，后圖片整合得到二維模型，最后導(dǎo)入模式導(dǎo)入MIMICS完成三維重建，共有93495個(gè)節(jié)點(diǎn)，187630個(gè)三角形，體積39754mm3，表面積28104mm2。

3.2.2、單個(gè)骨頭分離、光滑及格式轉(zhuǎn)化

得到的三維模型是一個(gè)整體，骨頭之間有不必要的連接，因此在MIMICS軟件的Remesh環(huán)境下對(duì)骨頭進(jìn)行分離和修補(bǔ)表面工作，見圖2；MIMICS軟件的存儲(chǔ)為stl格式，需通過(guò)Rapidform軟件處理，生成iges才能在Patran軟件中進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算分析，將模型導(dǎo)入Rapidform得到初始圖像，見圖3；再根據(jù)模型粗糙情況進(jìn)行不同程度的精細(xì)處理，得到優(yōu)化圖4，最后將Autosurfacing后生成骨頭的iges網(wǎng)格格式。

圖2：MIMICS軟件中舟骨

圖3：Rapidform初始圖

圖4：Rapidform優(yōu)化圖

圖5：Autosurfacing處理圖

3.2.2、Patran軟件完成有限元網(wǎng)格劃分

將建立好13個(gè)iges格式的模型全部導(dǎo)入Patran軟件，主要采用四面體單元進(jìn)行劃分，彈性模量為7300MPa，泊松比為0.3，網(wǎng)格劃分后，在節(jié)點(diǎn)之間建立14處聯(lián)系，即大拇指與大多角骨，食指與小多角骨，中指與頭狀骨，無(wú)名指與鉤骨，小拇指與鉤骨，小多角骨與大多角骨，大多角骨與頭狀骨，頭狀骨與鉤骨，小多角骨與舟骨，舟骨與頭狀骨，月骨與頭狀骨，三角骨與月骨，三角骨與鉤骨，豌豆骨與三角骨，相互聯(lián)系的建立采用MPC中的RBE2單元來(lái)完成，共有12227個(gè)節(jié)點(diǎn)，6758個(gè)單元，見圖6。

圖6：持拍手有限元模型

圖7：X方向50N應(yīng)力分布圖

圖8：XYZ方向50N應(yīng)力分布圖

4、結(jié)果與分析

4.1、相同方向，不同載荷的應(yīng)力分析

在圖像滿足右手定則的前提下，在X方向分別施加不同載荷的力。網(wǎng)球擊球，無(wú)論采用何種握拍手法，拇指與食指所形成的“V”字形虎口處都屬于主要受力區(qū)域，本實(shí)驗(yàn)在食指掌根處對(duì)其施加大小分別為20N，50N，70N的三組力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，影響較大的區(qū)域主要有拇指掌指連接處、食指掌腕連接處、中指掌骨中部、無(wú)名指與小指掌骨中下部、鉤骨四周、舟骨中段、以及頭狀骨左側(cè)，參見圖7。影響區(qū)域基本不變，顏色深淺變化也不明顯，由此可以推知，應(yīng)變范圍對(duì)應(yīng)力的大小不敏感，結(jié)果呈現(xiàn)穩(wěn)定性。

4.2、不同方向，相同載荷的應(yīng)力分析

因不同載荷應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變差異不大，故分別采用不同方向，相同載荷應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)，即選取單一X軸方向、單一Y軸方向、單一Z軸方向、組合X、Y軸方向、組合X、Z軸方向、組合Y、Z軸方向以及組合X、Y、Z軸方向，都施加大小為50N的力并記錄影響區(qū)域。結(jié)果顯示，相同載荷在不同方向應(yīng)力產(chǎn)生的影響不同，但分布范圍相對(duì)穩(wěn)定，主要為拇指掌指連接處及掌骨中下部、食指掌腕連接處、中指掌骨全部、無(wú)名指與小指掌骨中下部、鉤骨四周、舟骨中段、以及頭狀骨左側(cè)，參見圖8。由上述區(qū)域表明，由于骨頭表面內(nèi)凹，曲率大區(qū)域容易受到傷害，即鉤骨四周表明凹凸不平故受傷區(qū)域較集中在四周，同時(shí)固定點(diǎn)與受力點(diǎn)的影響較大，即食指掌腕連接處、月骨下端以及舟骨下端。這在有限元分析中較為常見，是由應(yīng)力集中效應(yīng)所引起的。應(yīng)力集中是指受力構(gòu)件由于外界因素或自身因素幾何形狀、外形尺寸發(fā)生突變而引起局部范圍內(nèi)應(yīng)力顯著增大的現(xiàn)象。相同載荷下，不同方向應(yīng)力對(duì)手腕產(chǎn)生的影響也不明顯，但鎖定在相同的影響區(qū)域內(nèi)，由于食指掌骨的根部位于模型偏上方，而且力只能通過(guò)與食指與小多角骨的連接才能傳遞出去，因此對(duì)應(yīng)力的方向不敏感。

4.3、腕關(guān)節(jié)損傷的生理因素分析

鉤骨是此次實(shí)驗(yàn)中重要的受傷部位，究其生理結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，鉤骨位于頭狀骨和三角骨之間，成楔形，尖在后測(cè)，基底朝前側(cè)，掌側(cè)面及背側(cè)面均似三角形，內(nèi)外側(cè)和前側(cè)均為關(guān)節(jié)面，前側(cè)關(guān)節(jié)呈鞍行，分別與第4、5掌骨基底關(guān)節(jié)面形成關(guān)節(jié)，其掌側(cè)面的前內(nèi)側(cè)部分即為鉤骨鉤，是較多肌腱和韌帶的附著點(diǎn)。網(wǎng)球擊球時(shí)，球體對(duì)球拍有一個(gè)很大的沖擊力，通過(guò)球拍拍柄傳遞至持拍手，經(jīng)持拍手將沖擊力即應(yīng)力傳遞至手腕、前臂、大臂乃至全身，再由身體帶動(dòng)肩、大臂、前臂、手腕用力回?fù)羟?，此過(guò)程是由深屈肌腱通過(guò)手腕的屈、伸、內(nèi)旋和外展等動(dòng)作傳遞外力并完成擊球動(dòng)作，因此多肌腱和韌帶的附著處為損傷易發(fā)處。

大多角骨-掌骨關(guān)節(jié)處，直接受到應(yīng)力沖擊時(shí)，手會(huì)充分用力去抓緊球拍拍柄而向尺側(cè)偏斜，造成長(zhǎng)展肌過(guò)分牽拉，同時(shí)母收肌會(huì)強(qiáng)力牽拉第一骨頭，從而造成第一掌骨基底的脫位力，此關(guān)節(jié)容易伴有關(guān)節(jié)炎變。

另外，舟狀骨較窄長(zhǎng)，縱跨兩排腕骨之間，解剖學(xué)研究證實(shí)約84%的舟骨為中部細(xì)小型，對(duì)外部暴力抗折性較小,同時(shí)由于舟骨在腕關(guān)節(jié)中跨越遠(yuǎn)、近兩排腕骨,一旦因間接外力造成非生理性的過(guò)伸及內(nèi)收，舟骨易受到嵌壓而發(fā)生骨折。月狀骨遠(yuǎn)端下凹，近端隆凸，側(cè)面呈現(xiàn)月牙狀。當(dāng)腕過(guò)度背伸受力時(shí)，易將月骨擠向掌側(cè)造成骨前脫位、月狀骨周圍脫位或月骨錯(cuò)縫。

網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的底線擊球動(dòng)作是多次手腕的屈、伸、內(nèi)旋和外展，發(fā)球及截?fù)魟?dòng)作又是手腕的屈、伸和繞環(huán)動(dòng)作的重復(fù)，加之腕關(guān)節(jié)的生理上的弱點(diǎn)，是導(dǎo)致?lián)p傷的一個(gè)重要的原因。

4.4、腕關(guān)節(jié)損傷的外在因素分析

以男子職業(yè)網(wǎng)壇為例，每年管理職業(yè)男子網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員賽事的ATP和ITF要組辦42場(chǎng)250級(jí)別賽事、11場(chǎng)500級(jí)別賽事、9場(chǎng)1000級(jí)別賽事、4場(chǎng)大滿貫、1次ATP年終總決賽和4場(chǎng)戴維斯杯比賽。按規(guī)定，世界排名前30的運(yùn)動(dòng)員，必須參加包括四次大滿貫、8站ATP1000賽事、4站ATP500賽事以及2站ATP250賽事，總共18項(xiàng)賽事。此外，年終排名靠前的選手還要參加第19個(gè)賽事——ATP年終總決賽。雖然ATP主辦方表示，每個(gè)職業(yè)球員其實(shí)每年只需比賽25周時(shí)間，但像德語(yǔ)科維奇、納達(dá)爾那樣的選手，每年要從1月至少忙碌至11月，完成近百場(chǎng)比賽。運(yùn)動(dòng)員的頻繁比賽雖然使得個(gè)人技藝不斷提升，競(jìng)賽觀賞度不斷攀升，但與此同時(shí)也帶來(lái)了體能和肌肉力量下降，尤其手腕長(zhǎng)期承受大負(fù)荷或超負(fù)荷的運(yùn)動(dòng)在生理機(jī)能下降后運(yùn)動(dòng)損傷頻頻出現(xiàn)。再加上，網(wǎng)球場(chǎng)地有硬地、草地和紅土三種不同類型，運(yùn)動(dòng)員需要在盡可能短的時(shí)間內(nèi)適應(yīng)其特性，以及教練員運(yùn)動(dòng)負(fù)荷安排的合理性等都是誘發(fā)腕關(guān)節(jié)損傷的外在因素。

5、結(jié)論

5.1、由CT片的二維模式通過(guò)MIMICS軟件實(shí)現(xiàn)三維重建，再由Rapidform軟件進(jìn)行分離、優(yōu)化處理，完成格式轉(zhuǎn)化，最后在Patran軟件中完成有限元網(wǎng)格劃分和應(yīng)力計(jì)算分析，此方法是切實(shí)可行的。

5.2、相同方向，不同載荷應(yīng)力對(duì)手腕產(chǎn)生的影響不明顯，主要影響區(qū)域有拇指掌指連接處、食指掌腕連接處、中指掌骨中部、無(wú)名指與小指掌骨中下部、鉤骨四周、舟骨中段、以及頭狀骨左側(cè)，應(yīng)變范圍對(duì)應(yīng)力的大小不敏感，結(jié)果呈現(xiàn)穩(wěn)定性。

5.3、相同載荷，不同方向應(yīng)力對(duì)手腕產(chǎn)生的影響也不明顯，鎖定在相同的影響區(qū)域內(nèi)，即拇指掌指連接處及掌骨中下部、食指掌腕連接處、中指掌骨全部、無(wú)名指與小指掌骨中下部、鉤骨四周、舟骨中段以及頭狀骨左側(cè)，符合曲率大區(qū)域易受傷以及應(yīng)力集中效應(yīng)原理。

5.4、腕關(guān)節(jié)的生理特性表明，長(zhǎng)期力握硬物，反復(fù)應(yīng)力作用和需要拇指與食指在內(nèi)收位相捏的動(dòng)作更易引發(fā)關(guān)節(jié)勞損，關(guān)節(jié)炎及關(guān)節(jié)骨折，完全符合網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員損傷特性。

5.5、大強(qiáng)度，長(zhǎng)時(shí)間的比賽賽制，加速了運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)病率，減少了運(yùn)動(dòng)壽命。

[1]運(yùn)動(dòng)解剖學(xué)[M].人民體育出版社:2001.6:60.

[2]http://zh.wikipedia.org/wiki[BE].查閱時(shí)間:2013.4.20.

[3]高文岳,楊勇等.專業(yè)運(yùn)動(dòng)員腕關(guān)節(jié)損傷的原因及防御措施.[J].冰雪運(yùn)動(dòng),2010,32(6):39-41.

[4]楊云峰,俞光榮等.人體足主要骨-韌帶結(jié)構(gòu)三維有限元模型的建立及分析[J].中國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)雜志,2007,26(5):542-551.

[5]http://baike.baidu.com/view/108269.htm

[6]王斌,胡建威等.鉤骨鉤的應(yīng)用解剖研究[J].中國(guó)修復(fù)重建外科雜志,2010,01:60-63.

[7]Brunelli G.大多角-掌骨關(guān)節(jié)的穩(wěn)定[J].Hand Surg,1989,14B(2):209-212.

[8]路來(lái)金,宮旭等.腕骨骨折的早期診斷和治療[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)報(bào)),2005,03:455-456.