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基于AnyBody模拟空降兵半蹲式着陆脊柱生物力学分析

付理强  
【摘要】:目的:本实验是通过空降兵高台跳伞着陆实验,结合人体仿真系统(Anybody模型系统)进行脊柱生物力学动态分析。利用Anybody系统中的逆向动力学分析法,对空降兵半蹲式着陆过程(HSPL)脊柱生物力学进行动态分析,结合流行病学调查,预测可能存在的脊柱损伤原因以及如何减少脊柱损伤进行分析,为跳伞着陆指导提供理论基础。方法:本实验对象空降兵为某部队22名现役空降兵志愿者,男性,身体健康,无脊柱及下肢外伤史,平均身高175.78±2.34 cm,平均体重71.05±4.73 Kg。跳伞着陆水平距离相同,40cm、120cm两种高度进行分组,分别以标准的半蹲式着陆姿势跳落。跳落过程中用Vicon三维运动捕捉系统记录运动数据,用AMTI三维测力测试着陆过程中地面反作用力的变化,两者结合形成C3D格式的文件。以空降兵人体参数依据利用人体仿真模型软件(Any Body Modeling Sysytem)用建立脊柱及下肢的生物力学仿真模型,实验采集数据以C3D格式的文件导入脊柱及下肢仿真模型,驱动模型进行运动学及动力学分析。脊柱仿真模型中选取指标:脊柱上端(C0-C1)力矩、下端(L-S)力矩、颅椎(C0-C1)关节反作用力、腰椎各阶段的关节反作用力、腰部区域7块肌肉的激活度。实验选取时间段为1秒,为着陆触地时刻前0.5秒,触地后的0.5秒。Anybody系统运行频率200HZ,每次分析时间隔为5ms。首先两种高度下以上生物力学指标随着陆过程的变化进行力学分析,然后两种高度下,这些指标最大值的比较,分析不同高度对这些指标的影响。结果:空降兵着陆过程中仿真模型脊柱生物力学是动态变化,双足触地后,地面反作用力作用对脊柱(C0-C1)力矩、(L-S)力矩、头颅与颈椎(C0-C1)关节反作用力、腰椎各阶段的关节反作用力、腰部区域7块肌肉的激活度均有两个峰值变化。空降兵着陆过程中地面反作用力对腰椎影响,各腰椎椎体间(L5-S1、L4-L5、L3-L4、L2-L3、L1-L2、T12-L1)竖直方向的压缩力是依次减小的;前后方向的剪切力呈现大致对称分布;左右方向侧弯力依次减小。腰部区域的屈肌与伸肌共同调节,保证着陆过程中的脊柱平衡。两种高度下脊柱上端(C0-C1)三个方向最大力矩比较,差异性无统计学(p0.05)。两种高度下脊柱下端(L-S)三个方向最大力矩120cm高度侧弯力矩、屈伸力矩较40cm高度力矩大,差异性有统计学意义(p0.05),120cm高度旋转力矩较40cm高度力矩大,但差异性无统计学意义(p0.05)。比较两种高度下关节反作用力三个方向最大值,随高度升高,120cm高度C0-C1三个方向关节反作用力的最大值较40cm高度大,差异性有统计学意义(p0.05);120cm高度腰椎各节段三个方向关节反作用力比较40cm高度增大,两组数据差异性有统计学意义(p0.05)。比较两种高度下腰部区域肌肉激活度的最大值,120cm高度下所有肌肉激活度最大值均比40cm高度肌肉激活度,两组数据差异性有统计学意义(p0.05)。结论:1.本实验采用逆向动力学仿真模型方法研究跳伞着陆过程中脊柱生物力学变化,发现半蹲式着陆过程中人体脊柱关节反作用力、力矩、肌肉激活度等均对地面反作用力响应出现两个峰值。第一个峰值出现的时间在双足触地后的几十毫秒内即双下肢及躯干未进行缓冲屈曲时,第二个峰值出现在躯干以及下肢关节缓冲完成时。2.通过对脊柱上端颅椎(C0-C1)力矩、关节反作用力的分析,提示了尽量避免头颅与颈椎的相对运动,保证头颅与脊柱的相对稳定,建议加强颈部肌肉锻炼,提高肌肉力量,可适当应用限制颈部屈曲防护装置。3.通过对腰椎间的关节反作用力分析,提示反复竖直方向压缩力、前后的剪切力均能造成腰痛的原因。相对于轴向的压缩力而言,前后方向剪切力可能对腰痛的影响因素更大,建议空降兵应严格掌握半蹲式着陆姿势中上身的直立、半坐姿缓冲,而不是腰椎弯曲缓冲。为减少腰椎弯曲程度从而减少剪切力,可以应用护腰装置进行防护。4.通过对腰部区域的肌肉激活度的分析,提示了屈肌、伸肌在着陆过程中躯干姿势的调整起重要作用,建议平时要加强腰部肌肉的训练,特别是核心稳定性肌肉力量的训练。5.比较不同高度脊柱生物力学指标的影响,随高度的增高,各关节反作用力、肌肉激活度均出现增大,认为高度是造成脊柱损伤的主要因素。通过加强地面训练,提高地面冲击耐受的能力、士兵空间本体感觉,通过控制身体以适宜的姿势进行着陆。但应避免频繁的跳伞着陆训练引起肌肉疲劳,造成躯干的稳定性降低造成损伤。


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