CN112489762A - 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 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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。
运动学仿真技术中，LIFEMOD软件是由美国Biomechanics Research Group公司开发，是目前世界领先的人体仿真软件，可建立包括骨骼、关节和肌肉的人体模型，通过仿真计算得到运动学(如位移、速度、加速度)和动力学(如关节力、软组织张力、接触力)的各种数据以及时间数据曲线，具有广阔的建模范围，可用于分析各种技术动作。而国内这方面的研究才刚刚起步，针对技术动作的实际情况，建立相应力学模型的研究尚不多见。此外，有限元分析是利用数学近似的方法对真实物理系统(几何和载荷)进行模拟。凭借出色的力学模拟效果，有限元分析在机械工程、仿真科技领域中得到了广泛的应用。这种“分析骨骼力学性状的方法”于1972年正式引入骨科文献，由此在人体生物力学研究中开展起来。
经检索发现，申请号CN201510003722.7、申请公布号CN105877751A的中国发明专利申请，公开了一种脊柱动态功能检测系统，该系统包括后背表面标志点三维扫描系统和脊柱动态功能分析系统；上述三维扫描系统包括能够固定骨盆的座椅、用于脊柱描述的粘贴在后背皮肤上的标志点、能够提供较为黑暗的背景幕布、能够获得标志点三维坐标的三维扫描相机、用于固定三维扫描相机的支架；上述分析系统包括计算机；计算机用于接收并分析三维扫描相机采集的被检测者的数据；被检测者的后背与相机和扫描仪相对设置，相机和扫描仪与被检测者的距离视具体需要而定；该系统能够通过站立侧屈、踏步、坐姿侧屈三套动作来计算出脊柱的对称性评价指标。
申请号CN201810877579.8、申请公布号CN108711187A的中国发明专利申请，公开了一种配准融合CT和MRI信号建立人体腰椎三维仿真模型的方法，包括：采集计算机断层扫描CT图像；采集磁共振成像MRI图像；建立计算机断层扫描图像三维模型；建立磁共振成像图像三维模型；配准融合计算机断层扫描图像三维模型和磁共振成像图像三维模型，包括根据腰椎解剖结构进行简单配准和进行全局计算配准。该方法利用现有常规检查如计算机断层扫描和磁共振成像结合优选磁共振扫描序列，建立可以在各个磁共振序列内相互验证准确度的腰椎间盘、神经根、黄韧带的重要软组织三维模型，建立腰椎间盘新的医学影像高准确度的建模方式。
然而，以这些技术方案为代表的现有技术并没有专门针对女子举重运动员的腰骶关节进行建模仿真分析。亟待研发出专门针对女子举重运动员的腰骶关节进行建模仿真分析的方法。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提出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，能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。
本发明解决其技术问题的技术方案如下：
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，其特征是，包括以下步骤：
第一步、选择若干女子举重运动员作为待测运动员；在举重训练之前、以及在举重训练之后，分别采用云纹照相仪器对各待测运动员进行脊柱形态测试，获得各待测运动员训练前后的脊柱形态数据，并根据该数据筛选出进行后续测试的目标运动员；
第二步、对目标运动员举重的整个过程进行监测，并建立举重动作模型；所述监测包括：采用云纹照相仪器监测目标运动员在举重全过程中的脊柱实时形态，并获得目标运动员的脊柱形态实时数据；采用压力平板仪器监测目标运动员在举重全过程中的足底实时压力，并获得目标运动员的足底压力实时数据；采用三维影像系统监测目标运动员在举重全过程中的实时动作，并获得目标运动员的实时动作数据；所述建立举重动作模型的依据为目标运动员的脊柱形态实时数据、足底压力实时数据、以及实时动作数据；
第三步、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；根据第二步所得的脊柱形态实时数据、足底压力实时数据、实时动作数据、以及举重动作模型，确定腰骶关节有限元模型的举重运动载荷工况的边界条件，之后进行数值模拟分析，并获得分析结果。
该方法先以脊柱形态测试对待测运动员进行筛选，从而确保后续监测、建模以及仿真分析具有普遍适用性；在目标运动员的举重全过程中监测并获取数据，以及建立举重动作模型，可以获得符合实际的数据及模型，确保后续腰骶关节有限元模型仿真分析结果的准确性；通过静态脊柱CT扫描的结果建立获得腰骶关节的有限元模型，能够在仿真分析中反馈出准确的结果，体现举重过程与关节解剖结构的关联，利于女子举重运动员的动作结构优化、损伤康复指导、竞技能力提高。
此前，建模对象多为无损伤病史的正常人，这与举重运动员实际情况联系不密切，该方法专门以女子举重运动员为对象进行建模仿真分析，更有针对性，更具实际应用意义。
本发明进一步完善的技术方案如下：
优选地，第一步中，所述脊柱形态数据包括脊柱四个生理弯曲的曲度，椎体旋转角度，椎体偏离角度，骨盆倾斜距离，骨盆倾斜角度，骨盆扭转角度。
采用该优选方案，可进一步优化脊柱形态测试的具体参数，从而优化第一步的过程。其中，骨盆倾斜距离即左右髂后上棘的高度差，骨盆倾斜角度即左右髂后上棘连线与水平线的夹角。
优选地，第一步中，从待测运动员中筛选出目标运动员的具体过程为：
S1、针对每个待测运动员，计算其各项脊柱形态数据在举重训练之前和举重训练之后的变化差异值；
S2、统计所有待测运动员的各项脊柱形态数据的变化差异值，并得出各项脊柱形态数据的变化差异值的分布比例；
S3、根据预设的分布比例限值，得出各项脊柱形态数据的变化差异值的选取区间，之后将各项脊柱形态数据的变化差异值均落入相应选取区间的待测运动员作为目标运动员。
采用该优选方案，可进一步优化从待测运动员中筛选出目标运动员的具体步骤，能够确保选取典型样本进入后续步骤，利于保证后续进行的监测、建模以及数值模拟分析具有普遍适用性。例如，按脊柱侧弯分为5类，筛选特征运动员。
优选地，第二步中，所述脊柱形态实时数据包括脊柱矢状面形态特征、脊柱额状面形态特征、以及椎体旋转形态特征；所述足底压力实时数据包括足底压力分布特征、左右足力量分配特征、以及压力中心位移轨迹；所述实时动作数据包括举重动作轨迹、腰骶关节角度变化及运动速度、髋关节角度变化及运动速度、膝关节角度变化及运动速度、踝关节角度变化及运动速度、肩关节角度变化及运动速度。
采用该优选方案，可进一步优化第二步中各监测过程的具体监测参数。
优选地，第二步中，在建立举重动作模型后，对该模型的准确性进行验证，所述验证过程包括核对验证和/或额外验证；
所述核对验证的具体过程为：采用目标运动员的的脊柱形态实时数据、足底压力实时数据、以及实时动作数据验证举重动作模型的准确性；
所述额外验证的具体过程为：
W1、在第一步筛选后，从未入选目标运动员的待测运动员中选择至少一人作为验证运动员；
W2、在验证运动员的举重全过程中进行监测，所述监测过程与第二步针对目标运动员的监测过程相同；
W3、以验证运动员的脊柱形态实时数据、足底压力实时数据、以及实时动作数据验证举重动作模型的准确性。
采用该优选方案，可进一步优化第二步中的具体验证过程，从而更好地确保举重动作模型的准确性。
优选地，第三步中，所述静态脊柱CT扫描的扫描结果为一系列连续的Dicom格式图片；
所述建立腰骶关节的有限元模型的具体过程为：将一系列连续的Dicom格式图片导入到软件Mimics中，先进行图像处理，选取合适的阀值，生成初级三维模型，再依次进行完善模型、分离骨骼、弥补模型缺陷、处理表面尖刺，然后以stp格式或stl格式导出所得骨骼模型；将骨骼模型导入软件SOLIDWORKS中，以上位椎体的下终板及下位椎体的上终板为边界，在腰椎和骶骨之间生成椎间盘，建立包含L5-S1节段及椎间盘的完整腰椎骶骨模型，并分离出离散的四面体三维网格，此即腰骶关节有限元模型；
所述数值模拟分析的具体过程为：将完整的腰椎骶骨模型导入软件ABAQUS中，进行网格划分以及材料属性的设置，输入边界条件，将载荷施加在模型上，进行数值模拟并获得分析结果。
采用该优选方案，可进一步优化第三步中建立腰骶关节有限元模型、进行数值模拟分析的具体过程。同时，腰骶关节有限元模型包含L5-S1节段及椎间盘，而以往的有限元建模仅局限于腰椎节段(L1-L5)，对运动员损伤机理研究意义不大。
优选地，第三步中，所述边界条件包括约束边界条件，所述约束边界条件的确定过程为：
根据第二步所得的脊柱形态实时数据、足底压力实时数据、实时动作数据、以及举重动作模型，得出在举重过程中腰骶关节有限元模型中各节点的平移自由度范围以及转动自由度范围，这些自由度范围即构成约束边界条件。
采用该优选方案，可进一步优化第三步中约束边界条件的确定过程。
优选地，第三步中，所述边界条件还包括载荷边界条件，所述载荷边界条件的确定过程为：
根据第二步所得的脊柱形态实时数据、足底压力实时数据、实时动作数据、以及举重动作模型，得出在举重过程中实施各关键动作时的载荷数据，所述载荷数据包括脊柱所受最大力、椎体旋转角度、动态肌肉力值、腰骶关节最大受力点和角度，这些载荷数据即构成载荷边界条件。
采用该优选方案，可进一步优化第三步中载荷边界条件的确定过程，而且关注举重过程中各关键动作(如预备提铃、伸膝提铃、引膝提铃、发力、惯性上升、下蹲支撑)时的载荷数据，与目前对举重的研究多为垂直受力模拟和伸膝提铃时刻受力模拟相比更具实际意义。
优选地，所述方法还包括：
第四步、选择若干与目标运动员同龄的普通女子作为对照组，按照与第三步相同的过程建立对照腰骶关节有限元模型；
利用第三步的数值模拟分析过程，结合目标运动员的腰骶关节有限元模型与对照腰骶关节有限元模型之间的差异，分析女子举重运动员的腰部损伤疾病与举重训练之间的关联性，用以指导女子举重运动员的训练与康复；
分析关联性的具体过程包括：分析举重训练对运动员脊柱形态的影响；分析举重各关键动作对腰骶关节应力应变的影响；分析举重各关键动作对发生腰部损伤疾病的影响；通过调整肌肉力和力矩输入进行最优化分析。
采用该优选方案，可通过已建立的数值模拟分析平台做更进一步的分析，同时结合从普通女子得出的腰骶关节有限元模型与目标运动员的腰骶关节有限元模型之间的差异，进而得出针对训练、康复的指导建议，实现女子举重运动员动作结构的优化、损伤康复指导、竞技能力的提高。
优选地，所述云纹照相仪器采用formtric 4D仪器；所述压力平板仪器采用Footscan压力平板仪；所述三维影像系统包括数码摄像机、三维解析框架、以及APAS解析软件；采用LifeMod软件建立举重动作模型；采用Mimics软件、SOLIDWORKS软件建立腰骶关节的有限元模型，采用ABAQUS软件进行数值模拟分析。
采用该优选方案，可进一步优化各步骤采用的具体仪器和软件，进而优化整个分析方法。
本发明立足于女子运动员生理特点，综合采取实验测试、理论分析与软件模拟仿真相结合的研究思路，运用生物力学方法，先以脊柱形态测试对待测运动员进行筛选，从而确保后续监测、建模以及数值模拟分析具有普遍适用性；在目标运动员的举重全过程中监测并获取脊柱形态实时数据、足底压力实时数据、以及实时动作数据，建立举重动作模型，可以获得符合实际的数据及模型，确保后续腰骶关节有限元模型数值模拟分析结果的准确性；通过静态脊柱CT扫描的结果建立获得腰骶关节的有限元模型，能够在数值模拟分析中反馈出准确的结果，体现举重过程与关节、肌肉、软组织等解剖结构的关联，利于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。
附图说明
图1为本发明实施例1的示例图。
图2为本发明实施例2的腰骶关节稳定性示意图。
图3为本发明实施例3的抓举过程中关键动作示意图。
图4至图9为本发明实施例3的数值模拟分析结果类似图。
具体实施方式
下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。
实施例1
本实施例为确定目标运动员，也即本发明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的第一步。
本实施例包括：选择若干女子举重运动员作为待测运动员；在举重训练之前、以及在举重训练之后，分别采用云纹照相仪器对各待测运动员进行脊柱形态测试，获得各待测运动员训练前后的脊柱形态数据，并根据该数据筛选出进行后续测试的目标运动员。
具体而言，脊柱形态数据包括脊柱四个生理弯曲的曲度，椎体旋转角度，椎体偏离角度，骨盆倾斜距离，骨盆倾斜角度，骨盆扭转角度。
具体而言，从待测运动员中筛选出目标运动员的具体过程为：
S1、针对每个待测运动员，计算其各项脊柱形态数据在举重训练之前和举重训练之后的变化差异值；
S2、统计所有待测运动员的各项脊柱形态数据的变化差异值，并得出各项脊柱形态数据的变化差异值的分布比例；
S3、根据预设的分布比例限值，得出各项脊柱形态数据的变化差异值的选取区间，之后将各项脊柱形态数据的变化差异值均落入相应选取区间的待测运动员作为目标运动员。
云纹照相仪器采用formtric 4D仪器，其应用界面示例图如图1所示。
实施例2
本实施例为建立举重动作模型，也即本发明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的第二步。
本实施例包括：对目标运动员举重的整个过程进行监测，并建立举重动作模型；具体监测内容包括：采用云纹照相仪器监测目标运动员在举重全过程中的脊柱实时形态，并获得目标运动员的脊柱形态实时数据；采用压力平板仪器监测目标运动员在举重全过程中的足底实时压力，并获得目标运动员的足底压力实时数据；采用三维影像系统监测目标运动员在举重全过程中的实时动作，并获得目标运动员的实时动作数据；建立举重动作模型的依据为目标运动员的脊柱形态实时数据、足底压力实时数据、以及实时动作数据。
具体而言，脊柱形态实时数据包括脊柱矢状面形态特征、脊柱额状面形态特征、以及椎体旋转形态特征；足底压力实时数据包括足底压力分布特征、左右足力量分配特征、以及压力中心位移轨迹；实时动作数据包括举重动作轨迹、腰骶关节角度变化及运动速度、髋关节角度变化及运动速度、膝关节角度变化及运动速度、踝关节角度变化及运动速度、肩关节角度变化及运动速度。
在建立举重动作模型后，对该模型的准确性进行验证，验证过程包括核对验证和/或额外验证；
核对验证的具体过程为：采用目标运动员的的脊柱形态实时数据、足底压力实时数据、以及实时动作数据验证举重动作模型的准确性；
额外验证的具体过程为：
W1、在实施例1的筛选后，从未入选目标运动员的待测运动员中选择至少一人作为验证运动员；
W2、在验证运动员的举重全过程中进行监测，监测过程与本实施例针对目标运动员的监测过程相同；
W3、以验证运动员的脊柱形态实时数据、足底压力实时数据、以及实时动作数据验证举重动作模型的准确性。
此外，云纹照相仪器采用formtric 4D仪器；压力平板仪器采用Footscan压力平板仪；三维影像系统包括数码摄像机、三维解析框架、以及APAS解析软件；采用LifeMod软件建立举重动作模型。其中，压力平板长度1m，宽度0.5m，采样频率125Hz，采集时间为10s，直接与计算机的USB接口相连。
本实施例的研究思路还与腰骶关节稳定性相关。发明人经研究认为，腰骶关节稳定性与三个子系统紧密相连：(1)脊柱被动稳定子系统，(2)肌肉和肌腱主动稳定子系统，(3)中枢神经控制单元。如图2所示，本实施例可以对脊柱被动稳定子系统、肌肉和肌腱主动稳定子系统进行研究，并获得相关模型。
实施例3
本实施例为建立腰骶关节有限元模型并数值模拟分析，也即本发明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的第三步。
本实施例包括：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；根据第二步所得的脊柱形态实时数据、足底压力实时数据、实时动作数据、以及举重动作模型，确定腰骶关节有限元模型的举重运动载荷工况的边界条件，之后进行数值模拟分析，并获得分析结果。
具体而言，静态脊柱CT扫描的扫描结果为一系列连续的Dicom格式图片。
建立腰骶关节的有限元模型的具体过程为：将一系列连续的Dicom格式图片导入到软件Mimics中，先进行图像处理，选取合适的阀值，生成初级三维模型，再依次进行完善模型、分离骨骼、弥补模型缺陷、处理表面尖刺，然后以stp格式或stl格式导出所得骨骼模型；将骨骼模型导入软件SOLIDWORKS中，以上位椎体的下终板及下位椎体的上终板为边界，在腰椎和骶骨之间生成椎间盘，建立包含L5-S1节段及椎间盘的完整腰椎骶骨模型，并分离出离散的四面体三维网格，此即腰骶关节的有限元模型。(腰骶关节由第五腰椎、椎间盘、骶骨以及相连的韧带构成)
数值模拟分析的具体过程为：将完整的腰椎骶骨模型导入软件ABAQUS中，进行网格划分以及材料属性的设置，输入边界条件，将载荷施加在模型上，进行数值模拟并获得分析结果。
具体而言，边界条件包括约束边界条件，约束边界条件的确定过程为：
根据实施例2所得的脊柱形态实时数据、足底压力实时数据、实时动作数据、以及举重动作模型，得出在举重过程中腰骶关节有限元模型中各节点的平移自由度范围以及转动自由度范围，这些自由度范围即构成约束边界条件。
边界条件还包括载荷边界条件，载荷边界条件的确定过程为：
根据实施例2所得的脊柱形态实时数据、足底压力实时数据、实时动作数据、以及举重动作模型，得出在举重过程中实施各关键动作时的载荷数据，载荷数据包括脊柱所受最大力、椎体旋转角度、动态肌肉力值、腰骶关节最大受力点和角度，这些载荷数据即构成载荷边界条件。
本实施例中，举重过程中的各关键动作例如：抓举过程中，预备提铃、伸膝提铃、引膝提铃、发力、惯性上升、下蹲支撑6个动作阶段，如图3所示。
本实施例的数值模拟分析结果图类似于图4至图9所示，依次为：腰骶关节轴向施加载荷后的位移变化云图(正面观)、腰骶关节轴向施加载荷后的位移变化云图(侧面观)、腰骶关节轴向施加载荷后的Von-Mises应力分布云图(上面观)、腰骶关节轴向施加载荷后的Von-Mises应力分布云图(正面观)、腰骶关节轴向施加载荷后的椎间盘形变云图、腰骶关节轴向施加载荷后的椎间盘应力云图。
实施例4
本实施例为指导女子举重运动员的训练与康复，也即本发明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的第四步。
本实施例包括：选择若干与目标运动员同龄的普通女子作为对照组，按照与实施例3相同的过程建立对照腰骶关节有限元模型；利用实施例3的数值模拟分析过程，结合目标运动员的腰骶关节有限元模型与对照腰骶关节有限元模型之间的差异，分析女子举重运动员的腰部损伤疾病与举重训练之间的关联性，用以指导女子举重运动员的训练与康复。
具体而言，分析关联性的具体过程包括：分析举重训练对运动员脊柱形态的影响；分析举重各关键动作对腰骶关节应力应变的影响；分析举重各关键动作对发生腰部损伤疾病的影响；通过调整肌肉力和力矩输入进行最优化分析。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (10)
1.一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，其特征是，包括以下步骤：
第一步、选择若干女子举重运动员作为待测运动员；在举重训练之前、以及在举重训练之后，分别采用云纹照相仪器对各待测运动员进行脊柱形态测试，获得各待测运动员训练前后的脊柱形态数据，并根据该数据筛选出进行后续测试的目标运动员；
第二步、对目标运动员举重的整个过程进行监测，并建立举重动作模型；所述监测包括：采用云纹照相仪器监测目标运动员在举重全过程中的脊柱实时形态，并获得目标运动员的脊柱形态实时数据；采用压力平板仪器监测目标运动员在举重全过程中的足底实时压力，并获得目标运动员的足底压力实时数据；采用三维影像系统监测目标运动员在举重全过程中的实时动作，并获得目标运动员的实时动作数据；所述建立举重动作模型的依据为目标运动员的脊柱形态实时数据、足底压力实时数据、以及实时动作数据；
第三步、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；根据第二步所得的脊柱形态实时数据、足底压力实时数据、实时动作数据、以及举重动作模型，确定腰骶关节有限元模型的举重运动载荷工况的边界条件，之后进行数值模拟分析，并获得分析结果。
2.根据权利要求1所述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，其特征是，第一步中，所述脊柱形态数据包括脊柱四个生理弯曲的曲度，椎体旋转角度，椎体偏离角度，骨盆倾斜距离，骨盆倾斜角度，骨盆扭转角度。
3.根据权利要求2所述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，其特征是，第一步中，从待测运动员中筛选出目标运动员的具体过程为：
S1、针对每个待测运动员，计算其各项脊柱形态数据在举重训练之前和举重训练之后的变化差异值；
S2、统计所有待测运动员的各项脊柱形态数据的变化差异值，并得出各项脊柱形态数据的变化差异值的分布比例；
S3、根据预设的分布比例限值，得出各项脊柱形态数据的变化差异值的选取区间，之后将各项脊柱形态数据的变化差异值均落入相应选取区间的待测运动员作为目标运动员。
4.根据权利要求1所述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，其特征是，第二步中，所述脊柱形态实时数据包括脊柱矢状面形态特征、脊柱额状面形态特征、以及椎体旋转形态特征；所述足底压力实时数据包括足底压力分布特征、左右足力量分配特征、以及压力中心位移轨迹；所述实时动作数据包括举重动作轨迹、腰骶关节角度变化及运动速度、髋关节角度变化及运动速度、膝关节角度变化及运动速度、踝关节角度变化及运动速度、肩关节角度变化及运动速度。
5.根据权利要求4所述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，其特征是，第二步中，在建立举重动作模型后，对该模型的准确性进行验证，所述验证过程包括核对验证和/或额外验证；
所述核对验证的具体过程为：采用目标运动员的的脊柱形态实时数据、足底压力实时数据、以及实时动作数据验证举重动作模型的准确性；
所述额外验证的具体过程为：
W1、在第一步筛选后，从未入选目标运动员的待测运动员中选择至少一人作为验证运动员；
W2、在验证运动员的举重全过程中进行监测，所述监测过程与第二步针对目标运动员的监测过程相同；
W3、以验证运动员的脊柱形态实时数据、足底压力实时数据、以及实时动作数据验证举重动作模型的准确性。
6.根据权利要求1所述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，其特征是，第三步中，所述静态脊柱CT扫描的扫描结果为一系列连续的Dicom格式图片；
所述建立腰骶关节的有限元模型的具体过程为：将一系列连续的Dicom格式图片导入到软件Mimics中，先进行图像处理，选取合适的阀值，生成初级三维模型，再依次进行完善模型、分离骨骼、弥补模型缺陷、处理表面尖刺，然后以stp格式或stl格式导出所得骨骼模型；将骨骼模型导入软件SOLIDWORKS中，以上位椎体的下终板及下位椎体的上终板为边界，在腰椎和骶骨之间生成椎间盘，建立包含L5-S1节段及椎间盘的完整腰椎骶骨模型，并分离出离散的四面体三维网格，此即腰骶关节有限元模型；
所述数值模拟分析的具体过程为：将完整的腰椎骶骨模型导入软件ABAQUS中，进行网格划分以及材料属性的设置，输入边界条件，将载荷施加在模型上，进行数值模拟并获得分析结果。
7.根据权利要求6所述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，其特征是，第三步中，所述边界条件包括约束边界条件，所述约束边界条件的确定过程为：
根据第二步所得的脊柱形态实时数据、足底压力实时数据、实时动作数据、以及举重动作模型，得出在举重过程中腰骶关节有限元模型中各节点的平移自由度范围以及转动自由度范围，这些自由度范围即构成约束边界条件。
8.根据权利要求7所述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，其特征是，第三步中，所述边界条件还包括载荷边界条件，所述载荷边界条件的确定过程为：
根据第二步所得的脊柱形态实时数据、足底压力实时数据、实时动作数据、以及举重动作模型，得出在举重过程中实施各关键动作时的载荷数据，所述载荷数据包括脊柱所受最大力、椎体旋转角度、动态肌肉力值、腰骶关节最大受力点和角度，这些载荷数据即构成载荷边界条件。
9.根据权利要求1所述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，其特征是，所述方法还包括：
第四步、选择若干与目标运动员同龄的普通女子作为对照组，按照与第三步相同的过程建立对照腰骶关节有限元模型；
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分析关联性的具体过程包括：分析举重训练对运动员脊柱形态的影响；分析举重各关键动作对腰骶关节应力应变的影响；分析举重各关键动作对发生腰部损伤疾病的影响；通过调整肌肉力和力矩输入进行最优化分析。
10.根据权利要求1所述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，其特征是，所述云纹照相仪器采用formtric 4D仪器；所述压力平板仪器采用Footscan压力平板仪；所述三维影像系统包括数码摄像机、三维解析框架、以及APAS解析软件；采用LifeMod软件建立举重动作模型；采用Mimics软件、SOLIDWORKS软件建立腰骶关节的有限元模型，采用ABAQUS软件进行数值模拟分析。
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