付彥銘

（1.沈陽(yáng)體育學(xué)院 實(shí)驗(yàn)室管理中心，遼寧沈陽(yáng)110102；2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110819）

自上世紀(jì)80年代我國(guó)開展自由式滑雪空中技巧運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目以來(lái)，該項(xiàng)目發(fā)展運(yùn)行良好。該項(xiàng)目突出運(yùn)動(dòng)員高超的技巧性、靈活性、柔韌性和控制能力，與中國(guó)人運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和身體特征相符合，現(xiàn)已成為我國(guó)冬奧會(huì)雪上項(xiàng)目中奪金的重點(diǎn)項(xiàng)目之一。自由式滑雪空中技巧要求運(yùn)動(dòng)員自助滑開始，經(jīng)過(guò)出臺(tái)起跳、空中翻轉(zhuǎn)，直至落地滑行整個(gè)階段，體現(xiàn)出“穩(wěn)定、難度、準(zhǔn)確、優(yōu)美”的技術(shù)特點(diǎn)［1－2］。自由式滑雪空中技巧運(yùn)動(dòng)膝關(guān)節(jié)損傷位列運(yùn)動(dòng)員發(fā)病率之首。運(yùn)動(dòng)員落地瞬間膝關(guān)節(jié)軟骨承受了相當(dāng)大的沖擊力，因此自由式滑雪空中技巧項(xiàng)目也是冬奧項(xiàng)目中的高危運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，退役和現(xiàn)役運(yùn)動(dòng)員中因訓(xùn)練或比賽造成膝關(guān)節(jié)損傷的人員比例高達(dá)近80%［3］。在日常訓(xùn)練和比賽中，運(yùn)動(dòng)員每一次落地膝關(guān)節(jié)都受到強(qiáng)大的沖擊力作用。在動(dòng)作規(guī)范、專項(xiàng)力量、技術(shù)合理的前提下，膝關(guān)節(jié)韌帶及軟組織損傷發(fā)病率相對(duì)較低，但在非常規(guī)動(dòng)作或日積月累的沖擊力刺激下，膝關(guān)節(jié)軟骨產(chǎn)生瞬間應(yīng)力將導(dǎo)致半月板損傷的風(fēng)險(xiǎn)大大提升［4］。

人體膝關(guān)節(jié)包含脛骨、腓骨、股骨和髕骨等骨組織，以及韌帶、肌肉和半月板等周圍軟骨組織。各組織之間受力相互影響和制約，并通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)反饋與協(xié)調(diào)維持膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定，可以說(shuō)膝關(guān)節(jié)是人體最復(fù)雜的關(guān)節(jié)。因此，膝關(guān)節(jié)損傷的機(jī)理研究和膝關(guān)節(jié)損傷康復(fù)研究始終是業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。雖然隨著醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的飛速發(fā)展，借助CT、MR等醫(yī)療設(shè)備可以清晰查看膝關(guān)節(jié)內(nèi)部組織斷層圖像，但二維成像的局限性始終無(wú)法避免。圖像的三維重建是逆向工程技術(shù)和三維可視化研究的主要內(nèi)容，同時(shí)也是人體三維有限元分析的重要基礎(chǔ)。隨著多學(xué)科交叉研究的不斷開展，近年來(lái)很多研究者將三維重建、仿真與有限元分析應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)以及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中［5－6］。筆者針對(duì)自由式滑雪空中技巧項(xiàng)目，應(yīng)用逆向工程技術(shù)對(duì)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行三維重建，應(yīng)用有限元方法分析落地瞬間人體膝關(guān)節(jié)軟骨仿真模型并最終得出應(yīng)力分布情況，力圖為醫(yī)療、康復(fù)、科學(xué)訓(xùn)練以及運(yùn)動(dòng)防護(hù)領(lǐng)域提供較為直觀、科學(xué)的理論依據(jù)和量化指標(biāo)。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及軟件

50 HZ索尼高清攝像機(jī)3臺(tái)、計(jì)算機(jī)（Intel i5 2.40 GHz，RAM：8 G，OS：win7 64位）、金牌教練運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)影像三維重建軟件Mimics Research 17.0×64、逆向工程軟件 Geomagic Studio 2012（64 bit）、Abaqus 6.14有限元軟件。DICOM數(shù)據(jù)為飛利浦256i CT和飛利浦3.0TMR醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備測(cè)試得出，設(shè)備及膝關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)學(xué)（滑翔院區(qū)）放射科。

1.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象與場(chǎng)地

本研究所選的研究對(duì)象為4名自由式滑雪空中技巧國(guó)家隊(duì)現(xiàn)役男性運(yùn)動(dòng)員［身高h(yuǎn)＝（1.75±4.2）m，體重 m＝（67.6±2.8）kg］，并從中選出一名接隊(duì)員（近平均值）作為志愿者（已簽署告知書），22歲，身高1.76 m，體重68.4 kg，無(wú)膝關(guān)節(jié)損傷史。實(shí)驗(yàn)用2周臺(tái)場(chǎng)地規(guī)格：著陸坡角度為38°，臺(tái)高3.6m，出臺(tái)角度67°，訓(xùn)練期間向后翻騰直體兩周動(dòng)作和向后翻騰直體一周接屈體一周動(dòng)作（以下稱bLL和bLT動(dòng)作）落地瞬間的視頻解析。由于該項(xiàng)目需佩戴運(yùn)動(dòng)裝備，故對(duì)所穿戴的運(yùn)動(dòng)裝備也進(jìn)行稱重，結(jié)果為9.2 kg（包括雪鞋、雪板以及頭盔）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 3臺(tái)高清攝像機(jī)分別對(duì)4名運(yùn)動(dòng)員出臺(tái)瞬間（1臺(tái)）和落地瞬間左右兩側(cè)（2臺(tái)）進(jìn)行拍攝。從拍攝視頻中篩選bLL、bLT成功落地動(dòng)作，并用金牌教練運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)軟件分別對(duì)出臺(tái)瞬間重心速度和落地瞬間左右兩側(cè)下肢關(guān)節(jié)角度進(jìn)行二維解析。

1.3.2 DICOM數(shù)據(jù)導(dǎo)入 在中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)學(xué)（滑翔院區(qū)）防射科對(duì)志愿者右膝進(jìn)行CT和MR檢測(cè)，得到DICOM格式的CT和MR數(shù)據(jù)，后期將導(dǎo)入Mimics軟件中，完成膝關(guān)節(jié)骨和軟骨的三維重建工作。

1.3.3 圖像重建與配準(zhǔn) 將CT數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值分割，利用Dynamic Regional Growing算法將軟組織和半月板從骨組織中分離，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)提取，并完成膝關(guān)節(jié)骨組織建模與裝配。同理根據(jù)MR測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)膝關(guān)節(jié)軟骨組織進(jìn)行提取、重建和裝配。Mimics軟件中的Merge很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)半月板及骨組織的融合功能，在合理選取解剖學(xué)標(biāo)志點(diǎn)的前提下，與已經(jīng)重建好的骨組織進(jìn)行配準(zhǔn)，達(dá)到預(yù)定要求后將骨組織與軟組織進(jìn)行融合。

1.3.4 力學(xué)模型分析 以棍圖形式建立人體落地時(shí)刻的力學(xué)模型，做XYZ三個(gè)方向的受力分析。在分析過(guò)程中，充分考慮膝關(guān)節(jié)角度、騰空最大高度、著陸坡角度和身體姿態(tài)等相關(guān)問(wèn)題，為接下來(lái)的有限元分析確定邊界條件和力值的大小。

1.3.5 有限元建模與分析 對(duì)重建的膝關(guān)節(jié)模型以IGES格式導(dǎo)入Abaqus有限元軟件中，經(jīng)過(guò)材料屬性定義、接觸面定義、定義單元格式、網(wǎng)格劃分和施加載荷等步驟，最終查看計(jì)算結(jié)果得到膝關(guān)節(jié)軟骨在落地瞬間的應(yīng)力分布云圖。從應(yīng)力分布云圖中可以清晰看到應(yīng)力集中位置和所受壓強(qiáng)大小。

2 結(jié)果與分析

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)拍攝期間，共計(jì)采集bLL、bLT出臺(tái)、落地動(dòng)作視頻82組，其中落地失敗或視頻攝錄失敗部分剔除后最終得到成功落地且可用視頻46組，場(chǎng)地著陸坡角度為θ＝38°。通過(guò)金牌教練運(yùn)動(dòng)視頻分析系統(tǒng)對(duì)雙側(cè)膝關(guān)節(jié)角度進(jìn)行二維解析，得出落地瞬間和穩(wěn)定瞬間（圖1中虛線表示落地瞬間、實(shí)線表示穩(wěn)定瞬間）膝關(guān)節(jié)左側(cè)、右側(cè)及其對(duì)應(yīng)小腿與著陸坡夾角，如表1所示。整個(gè)落地瞬間至落地穩(wěn)定變化時(shí)間為 t＝（0.18±0.06）s；出臺(tái)瞬間重心水平速度為 Vx＝（3.87±0.24）m／s；重心垂直速度為 Vy＝（10.46±0.36）m／s。

表1 落地瞬間與穩(wěn)定瞬間雙側(cè)膝關(guān)節(jié)角度及小腿與坡面夾角列表

圖1 落地緩沖示意圖

落地穩(wěn)定瞬間是本研究重點(diǎn)關(guān)注的時(shí)刻。從解析結(jié)果中可以看到雙腿膝關(guān)節(jié)平均角度約為140°，該角度與教練員所要求的最佳動(dòng)作角度基本一致，而且該時(shí)相下膝關(guān)節(jié)脛骨平臺(tái)完全吸收了身體以上部分重力帶來(lái)的沖擊力，故后續(xù)建模以及有限元計(jì)算將以膝關(guān)節(jié)140°為基準(zhǔn)展開。

2.2 DICOM數(shù)據(jù)采集、處理與配準(zhǔn)

經(jīng)與中國(guó)醫(yī)科大學(xué)附屬盛京醫(yī)院（滑翔院區(qū)）檢驗(yàn)科溝通，對(duì)志愿者右側(cè)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行了CT與MR檢測(cè)。采用飛利浦256i CT和飛利浦3.0TMR最終得到層厚0.625 mm CT平掃圖片DICOM格式數(shù)據(jù)327張、層厚0.5 mm矢狀面MR圖像DICOM格式數(shù)據(jù)244張，通過(guò)服務(wù)器端光驅(qū)將數(shù)據(jù)導(dǎo)出至光盤。DICOM數(shù)據(jù)可以導(dǎo)入Mimics軟件中，根據(jù)實(shí)際情況得到正確視圖；根據(jù)膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，依次對(duì)各塊骨單獨(dú)進(jìn)行重建。將CT、MR數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值分割，將骨組織與軟骨組織進(jìn)行分割，然后手動(dòng)選取目標(biāo)區(qū)域。利用Dynamic Regional Growing算法將軟組織和半月板從骨組織中分離，以組織邊緣為界限進(jìn)行逐層修復(fù)，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)提取。

配準(zhǔn)操作中分別將股骨、脛骨、腓骨和髕骨定義為不同顏色加以區(qū)分，得到相應(yīng)的三維重建模型。同理根據(jù)MR測(cè)試得到的DICOM數(shù)據(jù)對(duì)膝關(guān)節(jié)軟骨組織進(jìn)行提取、重建和裝配，如圖2、圖3所示。Mimics軟件中的Merge很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)半月板及骨組織的融合功能，合理選取解剖學(xué)中的標(biāo)志點(diǎn)，例如內(nèi)、外側(cè)半月板特征點(diǎn)與脛骨平臺(tái)（軟骨）特征點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，股骨內(nèi)、外髁邊緣與股骨軟骨特征區(qū)域相對(duì)應(yīng)等。由于MIMICS軟件中讀取CT測(cè)試的DICOM數(shù)據(jù)時(shí)已經(jīng)確認(rèn)了該數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)，因此在讀取MR數(shù)據(jù)時(shí)半月板及軟組織數(shù)據(jù)可在同一坐標(biāo)下完成三維重建。排除掃描成像方式、切面方向的差異，將模型導(dǎo)入同一空間坐標(biāo)系，達(dá)到預(yù)定要求后對(duì)骨組織與軟骨組織完成配準(zhǔn)裝配。圖4中分別展現(xiàn)了裝配完成后膝關(guān)節(jié)呈140°時(shí)裝配模型的左視圖、后視圖、右視圖和前視圖。

圖2 骨組織三維重建

圖3 軟骨組織三維重建

圖4 骨組織與軟骨組織裝配圖

2.3 力學(xué)模型分析

以棍圖形式建立人體落地時(shí)刻的力學(xué)模型，做XY兩個(gè)方向的受力分析，如圖5所示，該圖為右視圖。在運(yùn)動(dòng)員完成正常落地的前提下，其中G為運(yùn)動(dòng)員所受重力，即m＋m1所受重力（m為運(yùn)動(dòng)員平均體重，m1為外部裝備重量），其大小為G＝（m＋m1）g＝（68.6＋9.2）×9.8＝762.44（N）；N為地面支反力，其大小為N＝G·cosθ；N’為垂直于脛骨平臺(tái)的支反力。根據(jù)中國(guó)人體模型環(huán)節(jié)相對(duì)重量，足與小腿分別占體重的4%和1.5%，因此N’的大小應(yīng)為膝關(guān)節(jié)以上（除去足、小腿以及雪鞋重量）身體重量m’產(chǎn)生的垂直作用力的分量，經(jīng)計(jì)算m’＝89%m＝＋2.1（kg）；F為落地穩(wěn)定時(shí)膝關(guān)節(jié)以上身體重力產(chǎn)生的對(duì)脛骨平臺(tái)的沖擊力。在膝關(guān)節(jié)角度、騰空高度、身體各環(huán)節(jié)比重和體重已知的情況下，各變量均可求。在分析過(guò)程中，充分考慮膝關(guān)節(jié)角度、騰空最大高度、著陸坡角度和身體姿態(tài)等相關(guān)問(wèn)題，為接下來(lái)的有限元分析確定邊界條件和力值的大小。根據(jù)測(cè)得的出臺(tái)時(shí)刻重心垂直平均速度為10.46 m／s，結(jié)合場(chǎng)地實(shí)際尺寸最終計(jì)算得出：最大落差S＝10.82 m，落地瞬間垂直方向速度 Vy＝13.52 m／s。根據(jù)落地瞬間速度可以計(jì)算得出F與所受垂直方向作用力存在夾角，根據(jù)動(dòng)量定理有2F＝ ，其中t為緩沖平均時(shí)間0.18 s，故可推算出2F≈4544.63 N，F(xiàn)≈2272.32 N。由計(jì)算結(jié)果可以得出，雙腿膝關(guān)節(jié)脛骨平臺(tái)在緩沖穩(wěn)定時(shí)刻承受6.76倍體重。

2.4 有限元分析結(jié)果

2.4.1 模型有效性驗(yàn)證 使用Abaqus6.14對(duì)膝關(guān)節(jié)及其軟骨進(jìn)行力學(xué)特性分析與仿真。在膝關(guān)節(jié)有限元分析的相關(guān)文獻(xiàn)中，針對(duì)半月板和關(guān)節(jié)軟骨的彈性模量、泊松比和軟骨密度暫不統(tǒng)一，本研究設(shè)置半月板和關(guān)節(jié)軟骨的彈性模量分別為59 MPa和20 MPa，泊松比分別為 0.49和 0.46，密度分別為 1e～6 kg／mm3和 1.98 e～6kg／mm3［7－8］。模型中共計(jì) 29 836個(gè)節(jié)點(diǎn)、15 745個(gè)單元（C3D10），如圖6所示。選取內(nèi)側(cè)半月板，對(duì)其進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果內(nèi)側(cè)半月板最大壓力載荷約為789 N，最大抗壓強(qiáng)度約為35.8 Mpa，此測(cè)試結(jié)果與尸體生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果較接近，說(shuō)明本研究所建模型與實(shí)際膝關(guān)節(jié)半月板的材料力學(xué)特性具有相似性［6］。

圖5 落地瞬間膝關(guān)節(jié)受力分析

圖6 膝關(guān)節(jié)軟骨網(wǎng)格劃分

圖7 各部分軟骨有限元分析結(jié)果

2.4.2 軟骨有限元分析結(jié)果 在本研究中，股骨與股骨軟骨、脛骨與脛骨軟骨之間定義為面與面接觸且無(wú)滑動(dòng)約束，內(nèi)外側(cè)半月板上下表面與脛骨軟骨和股骨軟管之間、股骨軟骨與脛骨軟骨之間也為面與面接觸，其中只有內(nèi)外側(cè)半月板前腳與后腳處由于有韌帶連接故存在限制約束。利用所建立的軟骨有限元模型對(duì)bLL動(dòng)作落地過(guò)程中的一個(gè)瞬間進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明：在膝關(guān)節(jié)角度呈140°時(shí)，膝關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)外側(cè)均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象如圖7所示，其中從股骨軟骨應(yīng)力仰視云圖7（a）可以清楚看到股骨外側(cè)髁軟骨后端存在應(yīng)力集中。在內(nèi)側(cè)半月板雖然上下表面都存在應(yīng)力集中位置，但下表面區(qū)域更大，如7（b）所示；外側(cè)半月板上表面存在明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，位于半月板中部中間位置，如7（c）所示。內(nèi)、外側(cè)脛骨軟骨中，內(nèi)側(cè)軟骨上表面應(yīng)力集中位置明顯，位于軟骨中心位置和與之相接觸的半月板前腳位置，如7（d）所示。外側(cè)脛骨軟骨無(wú)明顯應(yīng)力集中區(qū)域，如7（e）所示。

3 結(jié)論

在規(guī)范的技術(shù)動(dòng)作成功完成情況下，通過(guò)對(duì)2周臺(tái)bLL、bLT動(dòng)作落地穩(wěn)定瞬間膝關(guān)節(jié)軟骨的有限元分析并通過(guò)力學(xué)模型驗(yàn)證表明：雙腿膝關(guān)節(jié)脛骨平臺(tái)軟骨所受的沖擊力超過(guò)正常體重（除外部裝備）近7倍。膝關(guān)節(jié)軟骨中，雖然股骨軟骨外側(cè)髁后緣、內(nèi)側(cè)半月板前腳、外側(cè)半月板中部中間位置和內(nèi)側(cè)脛骨軟骨上表面中心位置處均存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，但該部分應(yīng)力未能對(duì)軟骨本身構(gòu)成損傷。另外由于研究選擇的動(dòng)作無(wú)橫軸轉(zhuǎn)體動(dòng)作，因此雙腿受力基本均衡，因此bLL、bLT動(dòng)作引起膝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)較小。但值得注意的是，日積月累的訓(xùn)練比賽使應(yīng)力集中位置軟骨發(fā)生磨損，軟骨接觸面將逐漸產(chǎn)生變化，改變后的受力情況將無(wú)法預(yù)知。

4 建議

本研究?jī)H對(duì)二周臺(tái)的特定動(dòng)作進(jìn)行了分析，針對(duì)三周臺(tái)和其他特定動(dòng)作的研究正在進(jìn)行中?？梢钥隙ǖ氖侨芘_(tái)動(dòng)作的技術(shù)難度更高，膝關(guān)節(jié)軟骨所受應(yīng)力將更大，同時(shí)膝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加，這就對(duì)教練員、體能教練和運(yùn)動(dòng)員提出了更高要求：除日常體能訓(xùn)練外，還應(yīng)采用科學(xué)的體能訓(xùn)練方法有效提高每位運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性；教練員與體能教練針對(duì)個(gè)體共同制定訓(xùn)練計(jì)劃，避免超量訓(xùn)練對(duì)膝關(guān)節(jié)造成危害；運(yùn)動(dòng)員切忌勉強(qiáng)，狀態(tài)不好應(yīng)主動(dòng)提出停止訓(xùn)練，以減少運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)及由于訓(xùn)練損傷造成的戰(zhàn)斗減員的情況發(fā)生。

［1］馬毅，閆紅光，吳志海，等.影響自由式滑雪空中技巧動(dòng)作難度的相關(guān)因素分析 ［J］.沈陽(yáng)體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，29（1）：8－11.

［2］閆紅光，婁彥濤，吳松林.自由式滑雪空中技巧動(dòng)作技術(shù)的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)原理探析［J］.沈陽(yáng)體育學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，29（1）：12－16.

［3］婁彥濤，王振，郝衛(wèi)亞.自由式滑雪空中技巧運(yùn)動(dòng)員模擬落地動(dòng)作的下肢生物力學(xué)特征［J］.中國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)雜志，2016，35（4）：333－338.

［4］沙川華，李龍，張濤.人體內(nèi)、外側(cè)半月板生物材料力學(xué)特征及比較的實(shí)驗(yàn)研究［J］.體育科學(xué)，2013，33（7）：53－58.

［5］Joseph M.Haemer，Yongnam Song，Dennis R.etal.Changes in articular cartilagemechanics with meniscectomy：A novel image－based modeling approach and comparison to patterns of OA［J］.Journal of Biomechanics，2011，44（12）：2307－2312.

［6］YuxingWang，Yubo Fan，Ming Zhang.Comparison of stress on knee cartilage during kneeling and standing using finite element models［J］.Medical Engineering＆Physics，2014，36（4）：439－447.

［7］Bottcher P，Zeissler M，Maierl J，etal.Mapping of split－line pattern and cartilage thicknessof selected donor and recipient sites for autologous osteochondral transplantation in the canine stifle joint［J］.Vet Surg，2009，38（6）：696－704.

［8］Guess TM，Thiagarajan M，Kia G，et al.A subject specific multibody model of the knee with menisci［J］.Med Eng Phys，2010，32（5）：505－515.