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落地动作中ACL载荷评估的四种计算方法对比研究

黄尚军  
【摘要】:研究背景在体育运动中,非接触性前交叉韧带(Anterior Cruciate Ligament,ACL)损伤是一种高发的膝关节损伤类型,常见于下肢冲击性落地、变向、扭转等动作中。不同于离体研究,运动过程中ACL的在体载荷只能通过动态医学成像技术(如Fluoroscopy)或肌骨力学模型进行估算,前者有更高的可靠性,但后者有更好的应用性,也是当前有关运动过程中的ACL载荷评估研究中所采用的主流方法。然而,综合相关文献可以发现,对于运动中ACL载荷评估的计算方法在不同研究间存在差异,尚未形成共识性标准,加之不同研究中的实验条件、对象及所考察的动作也各不相同,使得不同结果间难以相互比较或验证。研究目的与意义筛选文献中较常见的ACL在体载荷评估的计算方法,在相同原始数据条件下,考察运用不同方法时所导致的结果差异程度,并尝试理解造成差异的生物力学机制。本研究结果将为不同计算结果的定性比较提供数据支持,有助于加深理解ACL的损伤机制,也为将来更完善的在体载荷评估方法的发展提供帮助。研究方法研究选取上海体育学院12名女性运动员(年龄:(20.1±0.9)yr;身高:(170.5±5.9)cm;体重:(57.4±5.6)kg),通过三维红外摄像捕捉系统(VICON,200Hz)、三维测力台(Kistler,1000Hz)和表面肌电信号采集系统(Delsys,4000Hz)同步采集40cm高台落地动作过程中的下肢运动学、动力学和表面肌电数据,数据处理采用Visual 3D运动分析软件。选取1名代表性受试者数据(膝关节屈角与相应的均值曲线拟合度最高者),运用四种不同的计算方法来评估落地动作中的ACL载荷。四种计算方法分别为:(1)基于逆向动力学计算膝关节作用力,取胫骨切向分量(ATSF1);(2)基于Paul Devita的力学模型与方法,分离主要肌肉拉力,计算股骨与胫骨间作用力的切向分量(ATSF2);(3)摒弃方法二中分离肌肉拉力的方法,而采用OpenSim CMC优化出膝关节周围肌肉群肌力,重新计算骨间作用力的切向分量(ATSF3);(4)采用Jilia kar提供的OpenSim ACL模型,仅利用OpenSim相关过程来估算ACL拉力(FACL)。研究结果(1)四种计算方法下所对应的落地过程中ATSF1、ATSF2、ATSF3、FACL峰值分别为1.1BW、2.0BW、4.5BW、1.7BW;峰值时刻分别为落地周期的50%、80%、55%、35%。(2)基于关节力矩贡献度和肌肉生理横截面积方法估算的股四头肌、股后肌群和腓肠肌肌力分别为17BW、7.5BW、1.7BW;基于OpenSim CMC动态优化方法估算的股四头肌、股后肌群和腓肠肌肌力分别为7.5BW、2BW、2.4BW。(3)利用OpenSim动态优化所得到的落地过程中股内侧肌、股直肌、股二头肌、腓肠肌内侧肌拉力曲线与实验所测的EMG信号在曲线形态与激活峰值出现的时刻上有较高的一致性。研究结论基于逆向动力学计算方法由于无法量化肌肉力对ACL载荷的贡献,低估了ACL载荷;基于力学模型和OpenSim CMC计算结果差异原因的可是估算肌肉力方法的不同导致肌肉力峰值及峰值时刻的不同;膝关节前向剪切力可能高估了ACL受力。


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