7.1.1 概述

在着陆的过程中，人体的肌骨系统是一个协调统一的整体。从足踝、膝、髋，乃至脊柱、头和上肢，尽管各部分在着陆时受到的载荷和运动历程不同，但每一部分的运动模式都与身体其他部分或强或弱的相互关联和耦合，从而显著影响着陆过程中一系列骨肌系统的动力学特征，例如，冲击在体内的传递和衰减，身体动态平衡的时间和历程，等。而这一系列动力学特征决定了骨肌系统各关节及组织中的力学环境，进而显著影响着着陆损伤的发生率和严重程度。虽然足踝在着陆过程中直接承受地面的冲击反力，损伤率首屈一指，但并不意味着可以忽视其他关节及组织的间接性损伤，也不意味着单纯加强对足踝关节的保护就足以降低足踝损伤发生的几率和严重程度。

在着陆触地的瞬时，极高的地面反力通过足踝，沿着骨肌系统传递到身体各个部分。如图7-1所示，在此后极短的时间内，为了对冲击进行缓冲，足踝关节发生屈曲，冲击力沿着胫骨上传至膝关节。继而，膝关节在肌肉力的约束作用下也发生屈曲；类似的屈曲的运动形式进一步传递至髋关节和脊柱，并将相应的冲击力逐级递减地传递至组织和脏器中，成为人体损伤的主要诱因。国外的研究显示，下肢的损伤约占着陆损伤的54.7%，脊柱和背部约占12.6%，头部约占6.1%，此外还存在上肢的甩打和擦伤等[1]。

图7-1 着陆过程中下肢运动特征示意图

另一方面，肢体各部分进行的类似屈曲的动作，对组织和脏器起到缓冲的作用。关节的屈曲运动使得人体在冲击后的较短的时间内重心显著下降。定性的来看，根据冲量的原理：

其中，F反力为地面或者关节间的冲击力，Δt为响应时间，mi为身体各部分质量，Δvi为身体各部分的速度改变量。身体各部分的屈曲可以有效地降低地面与足底以及骨肌系统关节内的相互作用力，从而实现对组织和器官的缓冲和保护作用。此外，手臂在此期间的动作对身体的平衡起到重要的调控作用。因此，身体各部分之间的协调运动对于甚至相距甚远的足踝关节上的关节作用力都有着重要影响，良好的着陆姿态能够大大减小着陆运动中急性和慢性损伤的发生率。

数值仿真是研究着陆损伤生物力学问题的重要方法。它在实验测量的基础上，利用医学影像和CAD建模技术，建立人体骨肌系统的材料和模型，通过构建大规模微分方程组，可以在精度可控的范围内，求解出组织和器官在着陆冲击下的动力学相应，从而为着陆损伤的机理和防护研究提供理论依据。数值仿真的方法效率高、成本相对较低，尤其可以模拟复杂有创条件下的人体相应情况，因为越来越成为这一领域的主要研究手段。但是数值仿真的稳定性和可靠性受到原始实验数据、影像采集、建模精度的影响，只有通过严谨、可靠的实验验证，才能提供有效的结果。

膝关节中的前交叉韧带（Anterior Cruciate Ligament，ACL）是膝关节中最易损伤且最难愈合的韧带之一。前交叉韧带的损伤与着陆时膝关节的运动学和动力学规律有关。如果着陆的瞬间，人体骨肌系统的屈曲运动幅度较小，缓冲时间较短，可能导致较大的股四头肌力，加之膝关节外翻等解剖学特征，将极易引发前交叉韧带的损伤[2]。由于前交叉韧带对于膝关节运动的稳定性有着至关重要的作用，该韧带的损伤不仅会导致膝关节的屈伸障碍，还会逐渐的导致周边组织，例如半月板、关节软骨以及其他韧带的继发性损伤。前交叉韧带重建手术，作为目前治疗交叉韧带损伤的重要方法之一，仍然存在着诸多问题和争议，本章继而将针对前交叉韧带重建手术中的生物力学问题，利用上述建立并验证后的膝关节有限元问题，对手术中的韧带移植体数量、骨隧道角度因素进行分析。从而为认识术后并发症的机理和改进手术疗效提供理论依据。