有限元法预测运动护膝在不同运动状态下对膝关节韧带的影响

曾露露; 谢红

摘要：背景:膝关节韧带是维持膝关节运动稳定性的重要组成部分,在人体运动过程中极易受到损伤,运动护膝常用于预防膝关节运动损伤,但其防护性能未能明确.目的:建立健康成年人的膝关节有限元模型及运动护膝模型,运用有限元法预测运动护膝在不同运动状态下对膝关节韧带的影响,以Von Mises等效应力为观察指标,探讨不同材料运动护膝的防护性能.方法:以1名男性健康志愿者的CT影像为数据来源,利用Mimics、Solidworks、Abaqus等软件获得膝关节有限元模型及运动护膝模型;以股骨内外髁中点为参考点施加后向134 N集中力,模拟临床前抽屉实验,获取股骨相对位移及主要韧带的生物力学响应,验证膝关节模型的有效性;给运动护膝施加位移载荷,模拟膝关节直立位穿着护膝的状态,并与服装压力测试结果进行对比,验证膝关节-护膝模型的有效性;分别在无护膝和两种不同材料护膝作用下模拟膝关节屈曲0°,30°,60°运动,分析不同载荷下前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带及外侧副韧带的应力应变情况.结果与结论:①在0°,30°,60°屈曲角度下,并且施加320 N垂直压缩力及134 N股骨后向推力后,相较于裸膝,穿着两种不同材料的运动护膝使得前交叉韧带的峰值应力在0°和30°有所降低,但在屈曲60°状态下峰值应力有所上升;后交叉韧带在屈曲0°时的峰值应力有所上升,在30°和60°状态下的峰值应力有所降低;内侧副韧带和外侧副韧带在0°,30°,60°的峰值应力均有所降低.②结论:不同材料的运动护膝能在一定程度上对膝关节韧带起到防护作用,但在特定角度下会对前交叉韧带和后交叉韧带产生额外的负荷,该研究结果对膝关节韧带的生物力学研究、运动损伤防护及运动护膝的设计与生产等具有积极意义.