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

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。

关键词：运动护膝;韧带;防护性;有限元模拟;生物力学;

0引言Introduction

膝关节韧带损伤是常见的运动损伤类型之一[1]，在各类运动中，前交叉韧带均是较易受损的部位，还伴随着内侧副韧带及外侧副韧带损伤，最常见的是韧带断裂和拉伤[2,3]。膝关节韧带损伤对个体运动表现有直接的影响，时常还会导致半月板损伤及骨关节炎等问题的发生[4]。

运动护膝常被用于预防膝关节运动损伤，其通过面料延伸对人体施加压力，从而起到防护固定及提高肌力水平的作用[5]。部分研究表明，佩戴护膝进行运动不仅会有效限制膝关节的过度活动、降低膝关节外翻角度，还会影响运动表现及运动感知[6,7,8,9]，但也有相关研究结果显示，佩戴运动护膝并不能减少膝关节剪切力、旋转力矩和前交叉韧带负荷[6,10,11]，因此，护膝的防护性能还有待进一步研究。

该研究使用有限元法预测人体在不同运动状态下，不同材料的运动护膝对膝关节韧带的防护效果，以Von Mises等效应力为观察指标对韧带受力进行量化输出，对运动损伤研究、运动防护及运动护膝设计与生产等具有指导意义。

1 对象和方法Subjects and methods

1.1 设计

有限元法预测运动护膝的防护性能。

1.2 时间及地点

实验于2021年11月至2022年8月在上海工程技术大学人体工效与功能服装实验室完成。

1.3 对象

选择1名中国男性健康志愿者，年龄24岁，身高175 cm，体质量65 kg；既往无膝关节创伤史，无骨关节炎史。使用CT对研究对象的膝关节直立位进行螺旋式扫描，扫描参数为层厚0.5 mm，层间距1 mm，分辨率512×512像素。CT扫描共计成像707张，将其保存为医学数字成像(digital imaging and communica■ons in medicine,DICOM)格式存储在光盘中。受试者对试验知情同意。

该研究方案的实施符合上海市第一人民医院的相关伦理要求。

1.4 材料

1.4.1 实验设备

HP Z4 G4工作站(CPU:i9-10900X；内存：64 GB；显卡：NVIDIA Quadro P2200)、数字式织物厚度仪(YG141D型)、电子天平(LE104E)、动态热机械分析仪(DMA850)、气囊式接触压力测试仪(AMI3037-10-II)由上海工程技术大学纺织服装学院提供。

1.4.2 软件设备

Mimics医学影像控制软件、3-Ma■c Research(Materialise公司，比利时)；Geomagic Studio逆向工程软件(Geomagic公司，美国)；Solidworks三维建模软件(Dassault Systemes，美国)；Hypermesh网格前处理软件(Altair公司，美国)；Abaqus有限元分析软件(ABAQUS公司，美国)。

1.5 方法

1.5.1 三维模型的建立

把DICOM格式的膝关节二维图片导入Mimics中，通过区域增长、计算实体等操作构建模型，以STL(Standard Template Library)格式导出，再将其导入逆向工程软件Geomagic Studio中，对部件进行多边形和精确曲面处理，以STEP格式导出，再导入Solidworks软件中进行装配、布尔操作等，处理完后以STEP格式导出膝关节整体模型。将从Solidworks软件中导出的模型再导入Hypermesh软件中进行网格处理，将模型以INP格式导出。模型包括：软组织、股骨、胫骨、腓骨、髌骨、前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带。在3-Ma■c Research软件中对膝关节软组织进行抽壳处理后以STL格式导出，再导入Geomagic Studio中进行平滑、轮廓线勾勒处理以STEP格式导出，再将其导入Solidworks中以X＿T格式导出，将膝关节模型及护膝模型导入Abaqus 2019中进行整体装配。

1.5.2 运动护膝材料测试

研究选择针对健康人体运动时常用的弹性套筒式护膝为主要研究类型，选择氨纶、聚酯纤维及锦纶为原料的运动护膝产品。通过预实验挑选两款力学参数差异的复合面料，分别记作材料1、材料2。利用电子天平称量面积3 cm×3 cm织物的质量，利用YG141D型数字式织物厚度仪测量材料的织物厚度，通过物理计算，即密度为质量与体积之比，分别求得2种运动护膝材料的密度值；利用DMA850动态热机械分析仪来对面料试样的弹性模量进行测试，选择薄膜拉伸夹具，将拉伸速率设置为100 mm/min，根据应力和应变计算其弹性模量，用最小二乘法将数据拟合为应力-应变直线，计算出其相关系数，若大于0.97，则认为该直线的斜率即为弹性模量。每种试样测量3次取平均值，材料属性见表1。

1.5.3 服装压力测试

服装压力是验证膝关节-护膝模型有效性的重要方式。研究采用AMI3037-10-II气囊式接触压力测试系统进行测量，传感器量程为0-35 kPa，精度为±0.1 kPa，受试者与模型人体的身高、体型相近。在膝关节中，髌骨结构凸出，是膝关节伸膝功能的重要组成部分，能较好反映服装压的变化，且便于膝关节模型测量点的选择，因此以髌骨中心为参考点。首先在皮肤上手动勾勒出髌骨结构范围，确定大致中点位置；其次测量膝关节模型高度及运动护膝的长度，由受试者穿戴两款护膝进行预实验，确定两款护膝覆盖人体的范围大小，经对比膝关节模型及受试者穿戴护膝覆盖范围，选择最佳的测量点。对比后，在髌骨参考点向上量取6 cm为第一个测量点，测量该点所在水平腿围，平均量取其余3个测量点，向下同理，总共9个测量点。测量时受试者静止站立，两款护膝各测量5次取平均值，具体测量值见表2。

1.5.4 材料属性的设置

在Abaqus中设置模型的材料属性。运动护膝近似于壳体，其材料属性见表1；为了对膝关节模型进行有效性验证，膝关节内各结构属性均采自以往文献，该模型中的骨骼设为各向同性线弹体材料[12]，材料属性见表3；软组织及韧带定义为超弹体材料[13,14]，选用Neo-hooker模型，Neo-hooke模型函数如下：

1.5.5 网格划分

膝关节软组织、骨骼及韧带均在Hypermesh软件中进行网格划分、网格类型选择及网格质量检查，其中骨骼及韧带的网格类型为四面体、C3D10M类型，股骨、胫骨及腓骨的网格大小均为5 mm，髌骨为3 mm，韧带均为1 mm；软组织为四面体、C3D4类型，网格大小为6 mm；护膝模型在Abaqus软件中进行网格划分，网格类型为四面体、S4R类型，网格大小为2 mm，网格质量均良好，膝关节、护膝网格模型如图1所示。

1.5.6 接触定义

在该膝关节模型中，将除骨骼、韧带以外的半月板、关节软骨、肌肉及皮肤等组织简化为整体软组织。韧带与骨骼、骨骼与软组织内部设置为绑定接触[15]，护膝内表面与软组织表面设为面与面接触，摩擦系数为0.2，接触方向属性为硬接触[16]。

1.5.7 边界条件、载荷及验证

基于GROOD等[17]的研究建立膝关节局部坐标系，以股骨内外髁连线中点为坐标系的原点，X、Y、Z轴定义了膝关节在6个自由度上的屈曲、内外翻、内外旋与平移运动，并将股骨髁中点设置为参考点，耦合股骨表面所有节点于该点上，有助于后续力的加载及数据提取，且均采用显示动力学进行计算。

(1)膝关节模型的有效性验证：前抽屉实验是重要的临床诊断、评价方式之一，用于检查膝关节韧带的松弛度及健康程度[18]，也是有限元模型有效性验证的常用方式，此次研究采用该方法验证膝关节有限元模型的有效性，固定胫腓骨远端，对股骨参考点施加134 N的后向推力，模拟前抽屉实验。

(2)膝关节-护膝模型的有效性验证：人体静止站立时，膝关节所受负荷约为人体质量的0.43倍[19]，此次研究对象体质量65 kg，经计算后以320 N为模型单腿重力载荷，固定胫腓骨远端，对股骨参考点施加320 N垂直向下的压缩力，模拟人体静止站立单腿受力状态，经预计算后，给运动护膝施加160 mm的位移载荷，分别模拟膝关节直立位穿戴两种不同材料运动护膝的状态，提取膝关节表面测量点的接触压力，并与服装压力测试数据进行对比。

(3)膝关节屈曲运动的模拟预测：在人体屈曲运动中，膝关节韧带起着牵引、稳定及力学传递的重要作用，而前抽屉实验可以检验韧带的健康程度，为了更好地突出关节韧带的力学变化，以重力载荷及前抽屉力为该膝关节模型屈曲受力状态，固定胫腓骨远端，以股骨内外髁连线为旋转轴，在股骨参考点施加一定的角速度，模拟膝关节屈曲0°，30°，60°的运动状态，并且在不同屈曲角度下对股骨参考点施加320 N垂直向下的压缩力及134 N股骨后向推力。

1.6 主要观察指标

(1)膝关节模型验证结果；(2)膝关节-护膝模型验证结果；(3)膝关节运动预测模拟结果。

2 结果Results

2.1 膝关节模型验证

膝关节在受到134 N后向推力时，股骨在前后方向上的位移为3.92 mm，与前人研究结果相似，其中GABRIEL等[20]为尸体实验，SONG等[21]、万超等[22]和何川等[15]均是有限元模型；前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带及外侧副韧带的峰值应力分别为19.95,8.84,4.0及1.15 MPa，从韧带受力分析可知，前交叉韧带的受力载荷大于其他主要韧带，各条韧带的峰值应力均出现在胫骨、股骨附着区，这与临床诊断前交叉韧带是防止胫骨前移的主要作用，且膝关节韧带损伤主要集中在骨骼止点部位的临床现象相一致[21,23]。

2.2 膝关节-护膝模型验证

在模拟膝关节分别穿上两种护膝后，提取膝关节测量点的接触压力，并与服装压力测试数据进行对比。首先对模型测量点进行设定，与上述服装压测试操作一致，设置髌骨中心为参考点，依次选定9个测量点，每个测量点与气囊式压力传感器面积大小一致，最终计算其接触压力平均值。对9个压力测量点的模拟值与实验值进行相对误差分析，两种材料9个测量点的相对误差均小于20%，与多数服装压力研究中的误差范围一致[24,25]，因此认为该膝关节-护膝模型具有可靠性，各测量点对比见图2。

2.3 膝关节运动预测模拟结果

2.3.1 不同护膝材料对前交叉韧带的应力分布影响

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，膝关节无或穿戴护膝状态下，前交叉韧带峰值应力见表5，应力均集中在韧带前端，是较易产生损伤的部位。在穿着两种不同材料护膝运动后，前交叉韧带的峰值应力在0°和30°状态下均有所降低，材料2的效果较好，使其分别降低了7.9 MPa和1.09 MPa，材料1使其分别降低了6.38 MPa和0.26 MPa，但在屈曲60°状态下，韧带的峰值应力相较于无护膝时均有所上升，其中材料1使其上升10.82 MPa，材料2使其上升15.73 MPa，前交叉韧带在0°，30°，60°状态下的应力情况见图3。

2.3.2 不同护膝材料对后交叉韧带的应力分布影响

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，膝关节无或穿戴护膝状态下，后交叉韧带的峰值应力见表6，峰值应力在屈曲过程中从股骨、胫骨连接处转移到后前侧，应力呈下降趋势。在穿着两种不同材料护膝运动后，后交叉韧带在屈曲0°状态下均有所上升，材料1、材料2分别使其上升1.62 MPa和2.72 MPa；在屈曲30°与屈曲60°状态下，后交叉韧带的应力均有所降低，材料1使其降低0.47 MPa和0.45 MPa，材料2使其降低1.01 MPa和0.36 MPa，后交叉韧带在0°，30°，60°状态下的应力情况见图4。

2.3.3 不同护膝材料对内侧副韧带的应力分布影响

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，膝关节无或穿戴护膝状态下，内侧副韧带的峰值应力见表7，应力均集中在股骨、胫骨附着区。在穿着两种不同材料护膝后，内侧副韧带在各个角度的峰值应力均有所降低，其中材料1的运动护膝使其在0°，30°和60°屈曲角度下分别减少了0.63,0.28和0.94 MPa，材料2的运动护膝使其分别减少了0.76,0.01和0.64 MPa，内侧副韧带在0°，30°，60°状态下的应力情况见图5。

2.3.4 不同护膝材料对外侧副韧带的应力分布影响

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，膝关节无或穿戴护膝状态下，外侧副韧带的峰值应力见表8，应力均集中在股骨、腓骨附着区。在穿着两种不同材料护膝后，外侧副韧带在各个角度的峰值应力均有所降低，其中材料1的运动护膝使其在0°，30°和60°屈曲角度下分别减少了0.19,0.09和0.82 MPa，材料2的运动护膝使其分别减少了0.01,1.43和0.78 MPa，外侧副韧带在0°，30°，60°状态下的应力情况见图6。

3 讨论Discussion

护膝按不同性能、材料、结构及用途均有不同的分类[5,26,27]，此次研究选择针对健康人体运动时常用的弹性套筒式护膝为主要研究类型，其可以在不影响人体正常运动的前提下，尽可能减少膝关节的活动幅度和范围，一方面避免不科学的运动方式而引起的关节、肌肉及韧带损伤；另一方面有利于减少肌肉振动、增强肌肉本体感受等。在材料方面，弹性纤维及面料紧度可以很好地延缓应力衰变，增加弹性护膝的稳定性[5]，其中氨纶弹性纤维具有优良的延伸性、较低的弹性模量及高弹回复率等特点，其伸长率达400%-800%，是弹性织物中常用的原料之一[28]；聚酯纤维具有良好的保形性、抗皱性、弹性回复性及较高的强度[29]，锦纶具有良好的耐磨性及弹性，复合织物能加强运动护膝的弹性、延伸性、耐磨性及防护性等[30]，因而此次试验选择氨纶、聚酯纤维及锦纶为原料的运动护膝产品。

此次研究的目的在于利用有限元模拟方法，预测健康人体在裸膝及穿着两种不同材料护膝的状态下进行不同运动时膝关节韧带的生物力学响应，以Von Mises等效应力为观察指标，探讨了运动护膝对膝关节韧带损伤的影响。研究结果表明，运动护膝对膝关节韧带有一定的防护作用，但在某些特定角度下会加大前交叉韧带和后交叉韧带的负荷。研究结果显示，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，相较于裸膝状态，膝关节韧带的峰值应力均有所变化，前交叉韧带的峰值应力在0°及30°状态下均有所降低，此时材料2的防护效果较好，但在60°状态时，穿着两种材料护膝后前交叉韧带的峰值应力均有所上升，这增加了韧带受损的风险；后交叉韧带的峰值应力在0°状态下均有所上升，在30°及60°状态下均有所降低；内侧副韧带及外侧副韧带在各个角度下的峰值应力均有所降低，材料1与材料2的防护效果差异不大。

膝关节韧带是重要的稳定结构，在人体运动过程中极易受到损伤，如韧带撕裂、拉伤等不仅会影响膝关节运动及神经肌肉变化，还会降低膝关节本体感受能力，这进一步加大了继发性损伤及慢性疾病如骨关节炎的风险[4,31,32]。膝关节护具常被用于预防运动损伤、矫正畸形及损伤康复，从而改善膝关节运动功能及延缓疾病进展，其类型众多，功能各异，美国矫形外科学会从传统上定义了4种膝关节护具的分类[26]，分别为预防型、功能型、康复型及髌股型；而根据材料、结构及刚度等不同，又可分为套筒式、铰链式及卸荷式护具[27]。这些膝关节护具大多用于膝骨关节炎治疗、前交叉韧带重建治疗及术后康复等用途，且部分研究已证实其功能及辅助作用[33,34,36]。其中PIERRAT等[35]选择了健康人体及膝关节损伤患者，通过关节测量仪评估了套筒式护膝及铰链式护膝的静态抗抽屉能力，结果表明，无论是健康人体还是膝关节受损患者，两种类型的护膝均会有效减小前交叉韧带受力，铰链式护膝的效果更突出，可能是由于刚性支撑能吸收更多力，从而达到更好的效果，在该研究中膝关节是小屈曲状态下进行实验，因此与此研究中健康人体在0°及30°角度下，穿戴套筒式护膝后前交叉韧带受力下降的趋势一致。在日常生活中，正常健康人体使用护膝的目的在于预防运动损伤，降低运动过程中所受损伤的概率，针对竞技运动员，其有提高肌力及改善成绩的作用，部分研究表明，运动护膝可以有效减小膝关节运动范围、改善肌肉本体感受、减小前交叉韧带应力及胫骨旋转运动[37,38,39,40]，多数研究利用三维运动测量系统、角度传感器等工具，得出人体外部的动力学及运动学数据，但较难获得人体内部组织的变化。此次研究选择运动人群常用的弹性套筒式运动护膝为主要研究类型，其由不同比例的锦纶、聚酯纤维及氨纶原料制成，利用有限元法，预测了不同材料的运动护膝对健康人体膝关节韧带的防护效果。结果表明，弹性套筒式运动护膝对健康膝关节韧带的防护效果有限，相同原料但比例不同的护膝在性能上并没有太大的差异，对膝关节韧带并不能达到全面防护的预期设想，应基于不同运动状态下，对护膝的结构、材料及功能进行设计与研究，如运动护膝的分区设计、刚性或半刚性设计、多功能面料选择等，以达到对膝关节韧带针对性预防及防护的目的。

此次研究基于有限元法，探讨了弹性套筒式运动护膝对正常膝关节韧带的影响，对正常膝及病理膝的研究均有借鉴意义。但研究也具有一定的局限性：首先，在构建模型时，将半月板及关节软骨等组织简化为包覆骨骼及韧带的整体软组织，忽略了部分组织的力学性能；其次，膝关节在屈曲过程中受力复杂，为了突出韧带力学变化，将其受力简化为重力载荷及前抽屉力，模型并不能完全体现膝关节完整的受力状态；最后，研究只针对膝关节屈曲0°，30°及60°下的运动状态，且运动护膝只涉及弹性套筒式护膝，类型较单一，未来研究应更加注重模型的完整性及精确性。

参考文献：[1]曾露露,谢红.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[J].中国组织工程研究,2023,27(36):5771-5777.

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