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在頓河羅斯托夫遭遇瑞士隊的頑強阻擊，在領先一球的有利形勢下遭對方逼和，只得到1分。這也是巴西隊最近幾十年來僅有的一次首戰沒有獲勝。比賽中，內馬爾沒有取得進球和助攻，但卻在90分鐘的比賽里，內馬爾全場遭到10次犯規，占到了巴西隊全隊被犯規19次半數以上！

                                                                                    圖1：巴西隊核心內馬爾遭受10次犯規

 

足球運動是一項強調團隊配合和個人技術以及身體對抗的運動，在三大球類運動中，足球幾乎是身體對抗最激烈的運動。因為足球運動基本上球員對抗的時候都處在高速的運動中，球員的身體的掌控也很難做到特別精準，因此足球場上受傷也是很正常的一件事情。其中膝關節是球員最容易受傷的部位。研究膝關節的生物力學行為，獲得膝關節骨組織和軟骨組織在生理載荷作用下的應力分布對于認識膝關節損傷機理和保護膝關節具有重要意義。通過建立膝關節三維有限元模型并進行計算分析，可以很好的實現對膝關節的研究。

 

首先，我們需要建立有限元模型，將三維實體模型導入到有限元分析軟件Abaqus中，設置單元類型和材料屬性，劃分網格，最終得到膝關節三維有限元模型。計算模型中包括骨質結構17864個單元、軟骨88691個單元、半月板4485個單元及韌帶34033個單元，得到包括股骨、脛骨、腓骨、髕骨、軟骨、半月板以及關節韌帶的全膝關節有限元模型。

                                                            表1：膝關節有限元模型中各組成部分單元類型及材料參數

 

有限元模型與邊界條件

全膝關節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。根據膝關節解剖結構，將韌帶與相應的韌帶附著點進行綁定約束，韌帶包括前（后）交叉韌帶、髕韌帶、內側副韌帶、外側副韌帶。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節運動，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，股骨頂端收到上半身對其的壓力為體重的62%，考慮單腳站立和雙腳站立兩種載荷工況，單腳站立時，集中力大小為403N，雙腳站立時，集中力大小為202N。

                                                                                 圖3：考慮軟骨、半月板和韌帶的全膝關節模型

 

 

有限元分析

1、單腳支撐接觸應力云圖

圖4為單腳站立股骨軟骨接觸應力分布圖，從圖4可以看出股骨軟骨所受的最大接觸應力值約為0.952MPa,位于股骨軟骨內存。圖5為單腳站立脛骨軟骨接觸應力分布圖，從圖5中可以看出脛骨軟骨所受最大接觸應力為1.318MPa，位于脛骨軟骨內側便于出。單腳站立時半月板的接觸力分布如圖6所示，半月板所受最大接觸應力值約為2.102MPa，位于內側半月板的內緣出。半月板內緣較薄，外緣較厚，收到載荷時，內緣手里大于外緣手里，這使得半月板的內緣較容易被磨損。

                                                                                               圖4：單腿站立股骨軟骨接觸應力分布

                                                                                              圖5：單腿站立脛骨軟骨接觸應力分布

                                                                                                圖6：單腿站立半月板接觸應力分布

 

 

2、單雙腳戰力接觸應力比較

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力都是最大的，股骨軟骨所受的接觸應力最小，脛骨軟骨搜手的接觸應力位于兩者之間。

                                                                     表2：單腿站立膝關節軟骨、半月板接觸應力比較

 

3、半月板對膝關節承載能力的影響

從圖7中可以看出，在無半月板時股骨軟骨受到的最大接觸應力為1.99MPa，脛骨軟骨收到的最大接觸應力為2.29MPa。股骨軟骨和脛骨軟骨收到的接觸應力大于包含半月板時收到的應力，接觸應力分布相對較集中，其余部位并沒有產生應力，在應力較集中的位置軟骨容易磨損。

                                                                      圖7：單腿站立，無半月板股骨軟骨、脛骨軟骨接觸應力分布

 

由此可知，半月板在膝關節受力傳導中扮演了重要角色。在正常關節中，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，載荷主要由關節軟骨進行傳導，這就增大了關鍵軟骨的磨損風險。膝關節中半月板磨損或缺失會導致關節內部載荷傳導發證變化，導致應力分布不均，造成關節疾病的進一步惡化。

結論

膝關節股骨軟骨、脛骨軟骨以及半月板，均是內側受力較大易磨損；半月板內緣出所受接觸應力相對較大，導致內緣容易磨損，這與臨床圖片統計一致。接觸應力中，數值從大到小的順序依次為，半月板，脛骨軟骨和股骨軟骨。膝關節單腳支撐時的受力要大于雙足站立時受力。膝關節中半月板磨損或缺失會導致關節內部載荷傳導發生變化，導致應力分布不均，造成關節疾病的進一步惡化。

隨著計算機及軟件業的高速發展，有限元分析法與其他虛擬數字技術有機結合，成為生物醫學領域仿真人體結構力學功能研究方面的一個重要實驗手段，有效解決許多在人體生物力學實驗無法完成的問題，為關節外科的理論發展提供了技術支持，使得臨床療效得以提高。相信隨著CAE技術和醫學技術的發展，越來越多足球運動員能夠快速康復，重返賽場，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。