基于MS-FE模型探究排球运动员ACL应力分布情况

摘要

目的 基于肌肉骨骼-有限元(muscular skeletal-finite element, MS-FE)模型探究排球运动员扣球落地瞬间左腿前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)应力、应变分布特征。方法 基于MRI和CT建立排球运动员的膝关节FEM,通过动捕系统和三维测力台同步采集排球运动员(男性，23岁，88 kg, 1.95 m,优势侧：右侧)marker点和地面反作用力。通过OpenSim中的肌骨模型计算膝关节力矩，关节力矩作为有限元模型的输入，输出ACL应力、应变。结果 仿真分析结果显示，在排球运动员完成扣球动作并落地的瞬间，其ACL所承受的等效应力达到27.7 MPa,从应力分布方向性来看，ACL在此时的最大主应力为8.2 MPa;应变响应方面，ACL的等效应变达到5.4%,反映其在各方向上的综合形变幅度较大；最大主应变值为5.0%,进一步证实了韧带沿纤维方向产生了明显的伸长效应；最大剪切应变则为7.6%,说明ACL在落地阶段还经历了较大的横向形变。结论 本研究建立经过验证的有限元模型可用于更好地计算排球运动员扣球后单腿着陆时ACL损伤的风险和预防策略，同时也可广泛应用于软骨退化病因学、康复训练优化和膝关节手术模拟等方面，帮助运动员、ACL损伤患者临床治疗提供有效的方法。

关键词

膝关节 / 有限元模型 / 肌肉骨骼模型 / OpenSim / 关节力矩 / ACL / 排球扣球

基金资助

教育部人文社会科学研究规划基金资助项目(No.23YJA890012); 国家社会科学基金资助项目(No.21BTY027); 成都师范学院在职攻读博士学位专项科研项目(No.ZZBS2022-02)