內(nèi)馬爾遭10次犯規(guī) - 有限元助力膝關(guān)節(jié)保護(hù)及傷后恢復(fù)
2018年世界杯在俄羅斯拉開帷幕。6月17日，五屆世界杯得主巴西隊(duì)在頓河羅斯托夫遭遇瑞士隊(duì)的頑強(qiáng)阻擊，在領(lǐng)先一球的有利形勢(shì)下遭對(duì)方逼和，只得到1分。這也是巴西隊(duì)最近幾十年來僅有的一次首戰(zhàn)沒有獲勝。比賽中，內(nèi)馬爾沒有取得進(jìn)球和助攻，但卻在90分鐘的比賽里，內(nèi)馬爾全場(chǎng)遭到10次犯規(guī)，占到了巴西隊(duì)全隊(duì)被犯規(guī)19次半數(shù)以上！
圖1：巴西隊(duì)核心內(nèi)馬爾遭受10次犯規(guī)
足球運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊(duì)配合和個(gè)人技術(shù)以及身體對(duì)抗的運(yùn)動(dòng)，在三大球類運(yùn)動(dòng)中，足球幾乎是身體對(duì)抗最激烈的運(yùn)動(dòng)。因?yàn)樽闱蜻\(yùn)動(dòng)基本上球員對(duì)抗的時(shí)候都處在高速的運(yùn)動(dòng)中，球員的身體的掌控也很難做到特別精準(zhǔn)，因此足球場(chǎng)上受傷也是很正常的一件事情。其中膝關(guān)節(jié)是球員最容易受傷的部位。研究膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)行為，獲得膝關(guān)節(jié)骨組織和軟骨組織在生理載荷作用下的應(yīng)力分布對(duì)于認(rèn)識(shí)膝關(guān)節(jié)損傷機(jī)理和保護(hù)膝關(guān)節(jié)具有重要意義。通過建立膝關(guān)節(jié)三維有限元模型并進(jìn)行計(jì)算分析，可以很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)膝關(guān)節(jié)的研究。
首先，我們需要建立有限元模型，將三維實(shí)體模型導(dǎo)入到有限元分析軟件Abaqus中，設(shè)置單元類型和材料屬性，劃分網(wǎng)格，最終得到膝關(guān)節(jié)三維有限元模型。計(jì)算模型中包括骨質(zhì)結(jié)構(gòu)17864個(gè)單元、軟骨88691個(gè)單元、半月板4485個(gè)單元及韌帶34033個(gè)單元，得到包括股骨、脛骨、腓骨、髕骨、軟骨、半月板以及關(guān)節(jié)韌帶的全膝關(guān)節(jié)有限元模型。
表1：膝關(guān)節(jié)有限元模型中各組成部分單元類型及材料參數(shù)
有限元模型與邊界條件
全膝關(guān)節(jié)模型中股骨與股骨軟骨、脛骨與脛骨軟骨定義為綁定接觸。股骨軟骨分別于脛骨軟骨和半月板相接觸，并且將半月板前腳和后腳固定于脛骨平臺(tái)。根據(jù)膝關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)，將韌帶與相應(yīng)的韌帶附著點(diǎn)進(jìn)行綁定約束，韌帶包括前（后）交叉韌帶、髕韌帶、內(nèi)側(cè)副韌帶、外側(cè)副韌帶。腳踝處采取固定約束，其他位置均不采取任何約束限制，完全依靠韌帶約束膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，在股骨頭處施加集中力載荷，載荷方向沿力線方向，人體單腳站立時(shí)，股骨頂端收到上半身對(duì)其的壓力為體重的62%，考慮單腳站立和雙腳站立兩種載荷工況，單腳站立時(shí)，集中力大小為403N，雙腳站立時(shí)，集中力大小為202N。
圖3：考慮軟骨、半月板和韌帶的全膝關(guān)節(jié)模型
1、單腳支撐接觸應(yīng)力云圖
圖4為單腳站立股骨軟骨接觸應(yīng)力分布圖，從圖4可以看出股骨軟骨所受的最大接觸應(yīng)力值約為0.952MPa,位于股骨軟骨內(nèi)存。圖5為單腳站立脛骨軟骨接觸應(yīng)力分布圖，從圖5中可以看出脛骨軟骨所受最大接觸應(yīng)力為1.318MPa，位于脛骨軟骨內(nèi)側(cè)便于出。單腳站立時(shí)半月板的接觸力分布如圖6所示，半月板所受最大接觸應(yīng)力值約為2.102MPa，位于內(nèi)側(cè)半月板的內(nèi)緣出。半月板內(nèi)緣較薄，外緣較厚，收到載荷時(shí)，內(nèi)緣手里大于外緣手里，這使得半月板的內(nèi)緣較容易被磨損。
圖4：?jiǎn)瓮日玖⒐晒擒浌墙佑|應(yīng)力分布
圖5：?jiǎn)瓮日玖⒚劰擒浌墙佑|應(yīng)力分布
圖6：?jiǎn)瓮日玖朐掳褰佑|應(yīng)力分布
2、單雙腳戰(zhàn)力接觸應(yīng)力比較
從表2中可以看出，由單腿站立到雙腿站立，隨著載荷的增大，股骨軟骨、脛骨軟骨以及半月板的接觸應(yīng)力都隨之增大。無論是雙腳站立還是單腳站立情況，半月板所受的接觸應(yīng)力都是最大的，股骨軟骨所受的接觸應(yīng)力最小，脛骨軟骨搜手的接觸應(yīng)力位于兩者之間。
表2：?jiǎn)瓮日玖⑾リP(guān)節(jié)軟骨、半月板接觸應(yīng)力比較
3、半月板對(duì)膝關(guān)節(jié)承載能力的影響
從圖7中可以看出，在無半月板時(shí)股骨軟骨受到的最大接觸應(yīng)力為1.99MPa，脛骨軟骨收到的最大接觸應(yīng)力為2.29MPa。股骨軟骨和脛骨軟骨收到的接觸應(yīng)力大于包含半月板時(shí)收到的應(yīng)力，接觸應(yīng)力分布相對(duì)較集中，其余部位并沒有產(chǎn)生應(yīng)力，在應(yīng)力較集中的位置軟骨容易磨損。
圖7：?jiǎn)瓮日玖?，無半月板股骨軟骨、脛骨軟骨接觸應(yīng)力分布
由此可知，半月板在膝關(guān)節(jié)受力傳導(dǎo)中扮演了重要角色。在正常關(guān)節(jié)中，載荷由半月板和軟骨共同傳到；在半月板磨損或缺失的情況下，載荷主要由關(guān)節(jié)軟骨進(jìn)行傳導(dǎo)，這就增大了關(guān)鍵軟骨的磨損風(fēng)險(xiǎn)。膝關(guān)節(jié)中半月板磨損或缺失會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)內(nèi)部載荷傳導(dǎo)發(fā)證變化，導(dǎo)致應(yīng)力分布不均，造成關(guān)節(jié)疾病的進(jìn)一步惡化。
結(jié)論
膝關(guān)節(jié)股骨軟骨、脛骨軟骨以及半月板，均是內(nèi)側(cè)受力較大易磨損；半月板內(nèi)緣出所受接觸應(yīng)力相對(duì)較大，導(dǎo)致內(nèi)緣容易磨損，這與臨床圖片統(tǒng)計(jì)一致。接觸應(yīng)力中，數(shù)值從大到小的順序依次為，半月板，脛骨軟骨和股骨軟骨。膝關(guān)節(jié)單腳支撐時(shí)的受力要大于雙足站立時(shí)受力。膝關(guān)節(jié)中半月板磨損或缺失會(huì)導(dǎo)致關(guān)節(jié)內(nèi)部載荷傳導(dǎo)發(fā)生變化，導(dǎo)致應(yīng)力分布不均，造成關(guān)節(jié)疾病的進(jìn)一步惡化。
隨著計(jì)算機(jī)及軟件業(yè)的高速發(fā)展，有限元分析法與其他虛擬數(shù)字技術(shù)有機(jī)結(jié)合，成為生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域仿真人體結(jié)構(gòu)力學(xué)功能研究方面的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)手段，有效解決許多在人體生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)無法完成的問題，為關(guān)節(jié)外科的理論發(fā)展提供了技術(shù)支持，使得臨床療效得以提高。相信隨著CAE技術(shù)和醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多足球運(yùn)動(dòng)員能夠快速康復(fù)，重返賽場(chǎng)，讓類似羅納爾多因傷病困擾而早早的離開了足球生涯的遺憾不再重演。
