着陆冲击踝关节损伤在组织层次上的生物力学发生机制研究

Landing movement incurs many injuries in the ankle joint. It severely influents the combatant value of airborne troops and athletic performances. But it has been unclear at the level of tissue how ankle injuries occur during landing. Therefore, the purpose of this project is to research the biomechanical response of landing-related ankle injuries at the level of tissue. A traditional viewpoint is that the ground reaction force (GRF) is larger, and the human body is more prone to be injured during landing. The applicant disproved this viewpoint and also challenged the traditional knowledge about the influences of joint kinology on the injury risk. The applicant presumed that in the measurable parameters, muscle activity was the main influential factor of the ankle injuries. It must be thought highly of in this study. In this project, an adult subject will perform low-velocity landing, and he will be measured to predict the ground reaction forces and joint kinematics. For landing with various velocities, the joint forces, moments, muscle forces and action time will be calculated with reverse dynamic analysis and simulation experiments. A three-dimensional finite element model of integrated foot-ankle-shank will be constructed and used to calculate the stress/strain of bones, cartilages and ligaments around the ankle joint in various landing conditions and phases. In the process, the effects of muscle activation will be emphasized. This project would provide a scientific rationale for injury protection, military and athletic training, trauma care and rehabilitation.

着陆动作特别容易引发踝关节损伤，严重影响了空降兵的战斗力和运动员的成绩。但是当前的研究难以从组织层次解释着陆对踝关节如何造成损伤。本课题旨在探索着陆踝关节损伤在组织层次发生的生物力学机制。传统观点认为着陆时地面反力越大，人体越易于损伤。申请人前期研究推翻了这一观点，并对传统认识中关节活动对损伤风险的影响提出质疑。申请人认为，在实验可测量参数中，肌肉活动性对损伤风险具有决定作用。因此，在组织层次研究着陆损伤应该特别注意肌肉活动性的影响。在本课题中，通过受试者多级低速着陆测试，预测高速着陆时的地面反力和关节运动；通过逆向动力学分析和仿真实验，计算不同速度着陆时关节力和力矩，以及肌肉力和反应时间；应用完整组织结构的足-踝-小腿三维有限元模型，计算不同状态不同着陆时相的踝关节骨、软骨和韧带的应力应变，以及能量传递路径。本课题将为损伤防护、军事或运动训练、创伤治疗和康复等提供理论基础。

着陆动作特别容易引发踝关节损伤，严重影响了空降兵的战斗力和运动员的成绩。但是当前的研究难以从组织层次解释着陆对踝关节如何造成损伤。本项目旨在探索着陆踝关节损伤在组织层次发生的生物力学机制。传统观点认为着陆时地面反力越大，人体越易于损伤。申请人前期实验研究推翻了这一观点，并对传统认识中关节活动对损伤风险的影响提出质疑。申请人认为，在实验可测量参数中，肌肉活动性对损伤风险具有决定作用。因此，在组织层次研究着陆损伤应该特别注意肌肉活动性的影响。在本项目中，通过受试者多级低速着陆测试，结合系统评价和数学模型手段，预测高速着陆时的地面反力和关节运动，尤其是提出了地面反力峰值与着陆高度的开方根成线性关系，使得对于不同测试状态下不同文献中的测量值相互比较成为可能；通过逆向动力学分析和仿真实验，发现着陆速度的提高，各关节垂直方向的力显著变大，股直肌、臀大肌、臀中肌、股肌、腓肠肌和比目鱼肌的作用力显著增加。此外，着跳速度提高，髂腰肌、股直肌、臀中肌、臀小肌和比目鱼肌的作用时间均提前，而胫骨前肌的作用时间则延迟。另外，着陆速度提高，股直肌和比目鱼肌作用力达到极值的时间也明显增加。我们基于人体断层扫描图像建立了完整组织结构的足-踝-小腿三维有限元模型，计算不同状态不同着陆时相的踝关节骨、软骨和韧带的应力应变，以及能量传递路径。在建模过程中，我们使用尸体实验电测骨表面应变来验证模型，研究发现，在有限元建模中，骨弹性模量的变化对应力结果的影响很小，对应变结果的影响近似线性。目前研究中所广泛采用的弹性模量没有现实依据，其取值偏小。骨的弹性模量至少要达到目前默认值的4倍，才能获得与实验结果相当的应变计算结果。我们通过尸体实验和有限元方法，发现了在足踝内部载荷传导的新机制，认为人体重力载荷通过踝关节，分内侧和外侧纵弓从后向前传递过程中，在中足部位发生了一次载荷再分配调整，使得前足受力更加合理。同时发现，在着陆过程中，当轴向冲击速度达到5米/秒时，对跟骨和距骨能够产生相当大的破坏能力，主要是剪切应力并伴随着压缩应力使后足面对较高的骨折风险。另外，我们对着陆踝关节损伤的手术治疗进行了力学分析，提出最优治疗方案。基于本项目，我们提出了着陆踝关节防护新理念，并设计了新型护踝获得发明专利。本项目所获得知识有助于军事或运动训练，并为创伤治疗和康复等提供理论基础。