基于AnyBody模拟空降兵半蹲式着陆膝关节及其防护动力学研究——膝关节反作用力、力矩及肌肉激活度的相关研究

摘要

目的：利用AnyBody Modeling System软件建立模拟空降兵半蹲式着陆（HSPL）的肌骨模型，研究着陆过程中两种高度、两种护膝装置对下肢膝关节动力学参数的影响，为预防空降兵 HSPL过程中膝关节损伤和护膝装置的设计提供理论依据。
　　方法：选取20名空军某部现役男性空降兵，在两种高度（40cm、120cm）和三种膝关节防护状态下（空白组、弹性护膝组、半钢性护膝组）模拟空降兵HSPL，使用Vicon三维运动捕捉系统和三维测力台记录空降兵在HSPL中运动学和地面反作用力数据，以C3D形式保存，然后以20名男性空降兵的人体惯性参数等，在AnyBody Modeling System模型中建立空降兵HSPL的肌肉骨骼模型，以C3D数据导入并驱动模型，使用计算机模拟和逆向动力学方法，分析HSPL过程中膝关节及相关肌肉的动力学参数，研究的参数包括：垂直方向、前后方向及左右方向的膝关节反作用力峰值（Peak V KRF, Peak A-P KRF, Peak M-L KRF），膝关节的屈曲力矩、外展力矩和外旋力矩峰值（Peak KFM, Peak KAM, Peak KEM），膝关节相关肌肉的活性：股外侧肌、股内侧肌、股直肌、半腱肌、股二头肌的最大激活度（Peak VLA, Peak VMA, Peak RFA, Peak STA, Peak BFA）。所有的膝关节动力学数据采用方差分析和配对设计的t检验进行统计学分析，规定P<0.05时差异具有统计学意义。
　　结果：1.随着着陆高度的增加，三个方向的膝关节反作用力峰值（Peak V KRF, Peak A-P KRF, Peak M-L KRF）都显著增加(P<0.05)；膝关节的屈曲力矩、外展力矩和外旋力矩峰值（Peak KFM, Peak KAM, Peak KEM）都显著增加(P<0.05)；股外侧肌、股内侧肌、股直肌、半腱肌、股二头肌的最大激活度（Peak VLA, Peak VMA, Peak RFA,Peak STA,Peak BFA）都显著增加(P<0.05)。2.弹性护膝组和半钢性护膝组，与空白组比较，对三个方向的膝关节反作用力峰值（Peak V KRF, Peak A-P KRF, Peak M-L KRF）均无显著影响(P>0.05)。与空白组比较，在40cm跳台高度时，两种护膝对膝关节的屈曲力矩和外旋力矩峰值（Peak KFM, Peak KEM）均无显著的影响(P>0.05)，仅半钢性护膝能显著减低膝关节的外展力矩峰值（Peak KAM）(P<0.05)，在120cm跳台高度时，两种护膝均能有效降低膝关节外展力矩峰值（Peak KAM）(P<0.05)，仅半钢性护膝能显著降低膝关节的屈曲力矩及外旋力矩峰值（Peak KFM, Peak KEM）(P<0.05)；3.弹性护膝与空白组相比，对股外侧肌、股内侧肌、股直肌、半腱肌、股二头肌的最大激活度（Peak VLA, Peak VMA, Peak RFA,Peak STA,Peak BFA）均无显著的影响(P>0.05)，半钢性护膝与空白组相比，仅在120cm跳台高度时能显著的增加股直肌和股二头肌的最大激活度（Peak RFA，Peak BFA）(P<0.05)。
　　结论：1.随着着陆高度的增加，Peak KRF、Peak KFM、Peak KAM、Peak KERM及膝关节主要肌肉活性都增大，使膝关节运动范围增大，增加了膝关节的不稳，这可能是膝关节韧带及软骨等损伤的主要原因。2.合理改进着陆姿势及使用护具，降低膝关节屈曲及动态外翻负荷，有利于降低HSPL过程中KRF及力矩负载。3.本实验首次研究了不同膝关节防护对空降兵HSPL过程中膝关节动力学的影响。发现半钢性护膝能够更加有效的降低 Peak KFM、Peak KAM及 Peak KERM，并增大Peak RFA及Peak BFA，说明半钢性护膝能够增加动态膝关节的稳定性，降低了膝关节损伤的风险。4.在HSPL过程中，半钢性护膝对膝关节具有一定的保护作用，但对膝关节内的韧带及半月板等应力变化未知，应进一步研究，以更加全面、综合的评估半钢性护膝对膝关节的保护作用。

目录

声明

英文略缩词表

1前言

2 材料与方法

2.1 实验对象与实验分组

2.2 实验材料与设备

2.3 实验流程

2.4 统计学分析

3 结果

3.1 垂直方向膝关节反作用力峰值（Peak V KRF）

3.2 前后方向膝关节反作用力峰值（Peak A-P KRF）

3.3 左右方向膝关节反作用力峰值（Peak M-L KRF）

3.4膝关节屈曲力矩峰值（Peak KFM）

3.5膝关节外展力矩峰值（Peak KAM）

3.6膝关节外旋力矩峰值（Peak KERM）

3.7膝关节主要肌肉激活度（Muscle activation）

4 讨论

4.1 高度与膝关节动力学参数

4.2 膝关节防护与膝关节动力学参数

4.3 本研究的优势及局限性

5 结论

参考文献

附录

致谢

综述:空降兵膝关节损伤的动力学研究方法及模型的进展