[发明专利]基于数值模拟的女子举重运动员腰骶关节的生物力学分析方法

说明书

本发明涉及一种基于数值模拟的女子举重运动员腰骶关节的生物力学分析方法，包括：选择若干女子举重运动员作为待测运动员，根据脊柱形态数据筛选出目标运动员；在目标运动员举重的整个过程中进行监测，并建立举重动作模型；对目标运动员进行静态脊柱CT扫描，并以扫描结果建立腰骶关节的有限元模型，进行数值模拟分析，并获得分析结果。本发明专门针对女子举重运动员腰骶关节进行建模及数值模拟分析，获得举重运动过程中关节、肌肉、软组织等解剖结构的应力变化情况，以期对女子举重运动员的举重动作进行结构优化，提高竞技能力，避免运动损伤，并对运动康复提出指导性意见。

技术领域

本发明涉及一种基于数值模拟的女子举重运动员腰骶关节的生物力学分析方法，属于生物医学工程领域。

背景技术

据申请人了解，在举重类竞技项目中，不论是抓举还是挺举，运动员都以“腿部-腰部-上臂-前臂”为运动链，利用各肌群协同收缩向上提拉杠铃。其中，腰骶关节作为举重传导力的核心部位，既是长期承受压缩应力的支点，又是将载荷传至骨盆以及下肢的缓冲结构。

在普通的日常活动中，脊柱通常支持500N-1000N垂直载荷，超过体重两倍左右，并随着搬抬重物最高可达5000N，接近最终破坏载荷的50％。然而在举重训练中，每日的训练负荷在几吨、甚至几十吨上下，对脊柱尤其是腰骶关节周围稳定肌肉组织的损害极大。现有研究表明，举重运动员腰部损伤占所有损伤的80％以上，以腰椎(椎间盘)和骶棘肌部位的慢性损伤为主，占77.5％，损伤多发生于专项力量训练前、后蹲动作，占40.0％。对于女子举重运动员而言，由于女子运动员有着独特的解剖形态和生理特点，表现为腰部肌肉力量为男性的2/3，肩窄骨盆宽，骨盆入口横径宽大，下口的各径(矢状径和横径)宽大，负重时骶骨活动度大，对腰椎影响更剧烈。同时，女子运动员退役后面临着成家生子的需求，不科学的专项训练可能会对其未来生育有所影响。

在腰骶关节的研究方面，国内对于举重影响腰椎、骨盆的研究集中于90年代，多运用X光片拍摄技术分析。有研究者比对女子举重运动员与普通人腰椎、骨盆差异，发现两类人群腰椎高度的增长速度是一致的，举重训练并没有影响腰椎的增高。女子举重运动员髂嵴间径，入口横径、髂骨高等，均大于一般女子，举重训练不影响生理发育。有研究者对比举重运动员和乒乓球运动员腰椎间盘特点，发现举重队队员脊柱腰段前凸曲度大，椎间盘更厚，脊柱的承重和运动功能优于乒乓球队员。近年来，国外学者逐渐关注该领域，利用新型技术展开研究，有研究者比对优秀运动员与普通人的上部、下部腰椎前凸、骶斜率、骨盆倾斜(PT)、腰椎指数、椎间盘角度后发现，与健康志愿者比较，优秀举重运动员腰椎前凸增加和骨盆倾斜下降，上部腰椎前凸与下部腰椎前凸的比值可用于预测腰椎变形。

在举重运动的生物力学分析方面，运用运动生物力学测试手段研究举重项目特点基本可以分为3个主要的领域：运动学、动力学和肌电学。国内外对于举重的生物力学研究，大多在运动学的范畴，采用运动三维解析技术分析身体重心与杠铃重心轨迹、偏移；杠铃速度，尤其是竖直方向的速度变化以及发力末时的最大速度；动作结构(关节角度)，即膝关节角、髋关节角、踝关节角、躯干倾斜角在每个动作阶段的变化。

在现有技术手段方面，可利用云纹照相技术和运动学仿真技术进行研究。

云纹照相技术利用两光栅的重叠干涉原理，在志愿者背部表面产生等高线波纹，通过自动探测解剖标志(棘突、左右腰眼、脊柱中线、脊柱的旋转)，计算脊柱临床参数。该技术已在美国22个州的脊柱侧弯普查中应用了近50年，近年来逐步在我国评价脊柱矫形疗效、健康普查等方面得到推广。

德国DIERS公司的formtric 4D云纹照相系统是世界范围内光学三维脊柱应用最广泛的系统，它不仅规避了X线照射的患病风险且相对于CT更为方便、快速。有研究者证实，formtric4D在预测非创伤性骨折上的具有较高的精度；formetric4D在评价青少年特发性脊柱侧凸病人治疗恢复情况中的具有较高的可信度。