下肢肌骨系统增强训练技术的生物力学优化研究

目的胫骨是下肢应力性骨折的高发部位之一。Wolff's law提出骨因力学刺激而发生结构适应性改变。研究表明,日常活动对骨影响有限,但特定负重、冲击训练可造成不同程度应变刺激而具备促骨生成效应。本研究旨在构建个性化肌骨动力学和形变体计算力学模型,对比不同负重运动训练对胫骨应力应变影响。方法将下肢动力学模型与胫骨有限元模型结合,计算不同负重运动下胫骨骨干处应变能。肌骨动力学、有限元模型均基于计算机断层扫描图像(CT)建立。有限元模型中,骨材料属性赋值基于CT Hounsfield值,结合Modulus-density关系确立;边界条件由肌骨动力学模型加载,并进行刚柔耦合力学分析。运动训练包括:快走(基线),大腿负重2%BW(Body Weight)、4%BW、6%BW快走,小腿2%BW、4%BW、6%BW快走,大腿2%BW、4%BW、6%BW深蹲,小腿2%BW、4%BW、6%BW深蹲,起跳,落地。结果胫骨应变能增幅取决于负重重量、位置、运动类型。在大腿/小腿负重快走、小腿负重深蹲中,应变能增幅显著的均为4%BW负重;所有运动起跳应变能增幅最大达548.8%;相同负重深蹲应变能大于行走。结论本研究构建的个性化肌骨系统计算力学模型更符合人体生理条件预测,对比不同运动对胫骨应变刺激的差异。本研究对易发生下肢损伤的人群,为强化其骨强度开展训练提供科学依据。