内马尔遭10次犯规 - 有限元助力膝关节保护及伤后恢复
2018年世界杯在俄罗斯拉开帷幕。6月17日，五届世界杯得主巴西队在顿河罗斯托夫遭遇瑞士队的顽强阻击，在领先一球的有利形势下遭对方逼和，只得到1分。这也是巴西队最近几十年来仅有的一次首战没有获胜。比赛中，内马尔没有取得进球和助攻，但却在90分钟的比赛里，内马尔全场遭到10次犯规，占到了巴西队全队被犯规19次半数以上!图1 巴西队核心内马尔遭受10次犯规
足球运动是一项强调团队配合和个人技术以及身体对抗的运动，在三大球类运动中，足球几乎是身体对抗最激烈的运动。因为足球运动基本上球员对抗的时候都处在高速的运动中，球员对身体的掌控也很难做到特别精准，因此足球场上受伤也是很正常的一件事情。其中膝关节是球员最容易受伤的部位。研究膝关节的生物力学行为，获得膝关节骨组织和软骨组织在生理载荷作用下的应力分布，对于认识膝关节损伤机理和保护膝关节具有重要意义。通过建立膝关节三维有限元模型并进行计算分析，可以很好的实现对膝关节的研究。
图2 踢球的运动员
首先，我们需要建立有限元模型，将三维实体模型导入到有限元分析软件Abaqus中，设置单元类型和材料属性，划分网格，最终得到膝关节三维有限元模型。计算模型中包括骨质结构17864个单元、软骨88691个单元、半月板4485个单元及韧带34033个单元，得到包括股骨、胫骨、腓骨、髌骨、软骨、半月板以及关节韧带的全膝关节有限元模型。
表1 膝关节有限元模型中各组成部分单元类型及材料参数
有限元模型与边界条件 全膝关节模型中股骨与股骨软骨、胫骨与胫骨软骨定义为绑定接触。股骨软骨分别于胫骨软骨和半月板相接触，并且将半月板前脚和后脚固定于胫骨平台。根据膝关节解剖结构，将韧带与相应的韧带附着点进行绑定约束，韧带包括前(后)交叉韧带、髌韧带、内侧副韧带、外侧副韧带。脚踝处采取固定约束，其他位置均不采取任何约束限制，完全依靠韧带约束膝关节运动，在股骨头处施加集中力载荷，载荷方向沿力线方向，人体单脚站立时，股骨顶端收到上半身对其的压力为体重的62%，考虑单脚站立和双脚站立两种载荷工况，单脚站立时，集中力大小为403N，双脚站立时，集中力大小为202N。
图3 考虑软骨、半月板和韧带的全膝关节模型
有限元分析 1. 单脚支撑接触应力云图
图4为单脚站立股骨软骨接触应力分布图，从图4可以看出股骨软骨所受的最大接触应力值约为0.952MPa，位于股骨软骨内侧。图5为单脚站立胫骨软骨接触应力分布图，从图5中可以看出胫骨软骨所受最大接触应力为1.318MPa，位于胫骨软骨内侧边缘处。单脚站立时半月板的接触力分布如图6所示，半月板所受最大接触应力值约为2.102MPa，位于内侧半月板的内缘处。半月板内缘较薄，外缘较厚，受到载荷时，内缘受力大于外缘受力，这使得半月板的内缘较容易被磨损。
图4 单腿站立股骨软骨接触应力分布
图5 单腿站立胫骨软骨接触应力分布
图6 单腿站立半月板接触应力分布
2. 单双脚战力接触应力比较
从表2中可以看出，由单腿站立到双腿站立，随着载荷的增大，股骨软骨、胫骨软骨以及半月板的接触应力都随之增大。无论是双脚站立还是单脚站立情况，半月板所受的接触应力都是最大的，股骨软骨所受的接触应力最小，胫骨软骨所受的接触应力位于两者之间。
表2 单腿站立膝关节软骨、半月板接触应力比较
3. 半月板对膝关节承载能力的影响
从图7中可以看出，在无半月板时股骨软骨受到的最大接触应力为1.99MPa，胫骨软骨受到的最大接触应力为2.29MPa。股骨软骨和胫骨软骨受到的接触应力大于包含半月板时受到的应力，接触应力分布相对较集中，其余部位并没有产生应力，在应力较集中的位置软骨容易磨损。
(a) 股骨软骨接触应力分布
(b) 胫骨软骨接触应力分布 图7 单腿站立，无半月板股骨软骨、胫骨软骨接触应力分布
由此可知，半月板在膝关节受力传导中扮演了重要角色。在正常关节中，载荷由半月板和软骨共同传导;在半月板磨损或缺失的情况下，载荷主要由关节软骨进行传导，这就增大了关节软骨的磨损风险。膝关节中半月板磨损或缺失会导致关节内部载荷传导发生变化，导致应力分布不均，造成关节疾病的进一步恶化。
结 论 膝关节股骨软骨、胫骨软骨以及半月板，均是内侧受力较大易磨损;半月板内缘处所受接触应力相对较大，导致内缘容易磨损。接触应力中，数值从大到小的顺序依次为，半月板，胫骨软骨和股骨软骨。膝关节单脚支撑时的受力要大于双足站立时受力。膝关节中半月板磨损或缺失会导致关节内部载荷传导发生变化，导致应力分布不均，造成关节疾病的进一步恶化。
随着计算机及软件业的高速发展，有限元分析法与其他虚拟数字技术有机结合，成为生物医学领域仿真人体结构力学功能研究方面的一个重要实验手段，有效解决许多在人体生物力学实验无法完成的问题，为关节外科的理论发展提供了技术支持，使得临床疗效得以提高。相信随着CAE技术和医学技术的发展，越来越多足球运动员能够快速康复，重返赛场，让类似罗纳尔多因伤病困扰而早早的离开了足球生涯的遗憾不再重演。
来源：有限元科技公众号(ID：Featech)
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