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空降兵半蹲式着陆膝关节损伤及防护的生物力学研究

王隆风  
【摘要】:目的运用Vicon三维动态捕捉系统捕捉空降兵半蹲式着陆(HSPL)动作,AMTI三维测力台测定地面垂直反作用力(vGRF),观察膝关节在半蹲式着陆时各运动学指标、地面垂直反作用力变化,探讨跳台高度(0.4m,0.8m两种高度)及现有典型护具(绷带护膝、半钢性护膝)对膝关节生物力学(运动学、地面垂直反作用力)影响,分析比较其变化特点,明确半蹲着陆膝关节损伤机制及不同护具的防护性能,并为本课题下一步研究有限元仿真模型加载实验数据,研制空降兵膝关节防护设备提供理论依据。方法选取20名现役空军某部空降兵战士,伞龄1年以上,男性,年龄18-30岁,身高170-180cm,体重60-80kg。所有人员身体、心理素质均良好,平时规律参加常规训练;1年内无踝、膝关节外伤史及其他重大外伤史。建立实验场地,连接好实验仪器,调试Vicon三维运动捕捉系统及AMTI三维测力台完好后,受试者着统一发放的运动泳裤,穿我军07制式伞靴,按照全身模型,在相应的关节位置点粘贴反光标记点。受试者分别在标准半蹲(空白)、着绷带护膝、半钢性护膝(三组)状态下从40cm和80cm高的跳台以半蹲式跳伞并腿姿势着陆,右足跳落到测力台上,左足落在地板上。每种状态下获取3次有效数据,Vicon三维运动捕捉系统记录运动、三维测力台测定vGRF数据并储存。按照各反光点运动轨迹,将遮挡部分点运用Vicon Nexus 2.1软件补全后,将数据导入Visual3D三维步态分析软件中进行分析和计算,提取右膝关节最大屈曲角(peak KFA)和角位移(KFD),最大外展角(peak KAA)和角位移(KAD),最大外旋角(peak KEA)和角位移(KED),记录三维测力台右足垂直反作用力峰值(peak vGRF)。在SPSS17.0统计软件中采用两因素方差分析评价跳落高度和护膝装置对所测生物力学参数的影响,P0.05为差异具有统计学意义。结果(1)地面垂直反作用力峰值(peak-vGRF):peak-vGRF均随高度增加而增加(P0.01);空白组、绷带护膝组、半钢护膝组peak-vGRF相比较差异无统计学意义(P=0.22)。(2)膝关节屈曲:右膝关节最大屈曲角度(peak KFA)、角位移(KFD)均随高度增加而增大(P0.01);与空白组相比较,绷带护膝组和半钢护膝组peakKFA均减少(P0.05),但绷带护膝组和半钢护膝组无统计学差异(p=0.103);与空白组相比较,绷带护膝组和半钢护膝组KFD均显著减少(P0.05),且半钢护膝组KFD显著小于绷带护膝组(P0.05)。(3)右膝关节外展:膝关节最大外展角(peak KAA)、角位移(KAD)均随高度增加而增大(P0.01);空白组与绷带护膝组peak KAA无统计学意义(p=0.072),但半钢护膝组较其他两组peak KAA均明显减少(P0.05);与空白组相比较,绷带护膝组和半钢护膝组KAD明显减少(P0.05),但绷带护膝组和半钢护膝组KAD相比较无统计学意义(p=0.12)。(4)右膝关节外旋:最大外旋角(peak KEA)及外旋角位移(KED)均随高度增加而增大(P0.05);与空白组相比较,绷带护膝组和半钢护膝组peak KEA减少(P0.05),但绷带护膝组和半钢护膝组无统计学差异(p=0.91);空白组、绷带护膝组和半钢护膝组KED差异无统计学差异(p=0.097)。结论(1)随跳落高度增加,半蹲式着陆瞬间peak-vGRF、膝关节膝关节最大屈曲、外展、外旋角及角位移均明显增大,说明随着跳落高度增加膝关节活动度及受力增加,稳定性降低,可能是引起膝关节骨折、半月板及韧带损伤的重要因素。(2)绷带护膝及半钢护膝均不能有效减少peak-vGRF。(3)半钢护膝和绷带护膝能够明显降低膝关节最大屈曲角度和角位移,降幅达12-17。,但半钢护膝限制膝关节屈曲角位移较绷带护膝强,说明两种护具均能增加膝关节失状面的稳定性,半钢护膝作用可能更强。(4)半钢护膝能有效降低膝关节最大外展角和角位移,降幅达3-6。,而绷带护膝只能降低外展角位移,提示两护具均可增加膝关节冠状面的稳定性,但半钢护膝作用更明显。(5)半钢护膝和绷带护膝能降低膝关节最大外旋角,但降幅只有1.5°,且两护具均不能有效降低外旋角位移,故认为两护具可能均不能有效地限制膝关节外旋。(6)笔者认为在设计空降兵膝关节防护装备时应该综合考虑两种护具的优势,整体以弹性为主,内外侧辅以半刚性材料,提高防护性和舒适性,防护的具体设计仍需要进一步研究。(7)由于膝关节防护降低了膝关节的活动度,限制了膝关节对能量的吸收,势必增加临近关节的活动度,是否会引起临近关节的损伤,需要进一步去研究。目的研究模拟高载荷(+Gz)环境下兔腰椎间盘细胞外基质(ECM)及基质金属蛋白酶-1,3(MMP-1,3)表达情况,探讨+Gz环境下兔腰椎退变机制。方法40只成年新西兰大白兔,随机分成对照组、4周组、8周组、12周组,每组10只兔。对照组不采取任何干预措施,+Gz组各兔在+7Gz环境下反复暴露。实验结束后取L6-Sl椎间盘行HE染色,免疫组化方法检测Ⅰ、Ⅱ型胶原、MMP-1,3表达情况。结果+Gz组较对照组Ⅰ型胶原、MMP-1,3的表达均增高,Ⅱ型胶原均降低,随暴露时间延长,差异越明显,差异均有统计学意义(P值均0.05)。结论+Gz环境下可引起腰椎间盘退变,随暴露时间延长退变越明显,椎间盘细胞外主要基质及基质金属蛋白酶的变化可能是+Gz引起兔腰椎退变的途径之一。


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