● 摘要
跳伞是一项高风险的活动，大部分的跳伞损伤发生在着陆阶段，最易发生损伤的部位是踝关节。虽然许多国家对跳伞着陆踝关节损伤都非常重视，但是目前对其发生和防护机制并不明确，其主要原因在于绝大部分对这种特殊损伤的认识都来自于流行病学调查，而非基础实验研究。目前已知仅有美国对跳伞进行制度化的有效踝关节防护，其措施来自于连续二十余年的大规模调查。这些经验不能照搬应用到我国空降兵防护工作中，因为我国空降兵使用半蹲式跳伞着陆姿势，这与多数国家采用的滚翻式跳伞着陆姿势有明显不同。同时，我们也应该避免完全套用美国的研发方式，以节约人力、财力和时间成本。针对半蹲式跳伞着陆，应用现代生物力学研究方法，从损伤发生和防护机制认识的角度来开展基础研究，是进行跳伞防护工作的合理途径。本文主体部分包括：（1） 模拟半蹲式跳伞着陆实验研究在本研究中，16名受试者自愿参加实验，从三种高度模拟跳伞着陆于水平地面。在过程中测量受试者的下肢关节运动、地面反力和下肢肌电图。对实验数据进行统计学分析，评价跳落高度（着陆速度）、体侧偏利性、性别和踝关节防护因素对不同生物力学参数的影响。实验结果发现，着陆时偏利侧踝关节极限背屈和外展角速度比非偏利侧显著较大，非偏利侧比偏利侧胫骨前肌有显著较大的肌电绝对幅值。这解释了跳伞着陆中右侧比左侧踝关节更加易于损伤的现象，并认为在实验研究中使用右侧测量数据，对损伤预测和防护偏于保守。实验还发现，女性倾向于将着陆动能通过踝关节运动释放出去，而男性倾向于将动能通过与地面的摩擦释放。踝关节屈肌和伸肌的协同收缩也存在显著的性别差异，这些结果解释了女性比男性在跳伞着陆时更加易于损伤的现象。半刚性护踝和弹性绷带都显著增大胫骨前肌触地后肌电幅值。在触地前后，男性的肌电活动性比女性要大。两性对不同踝关节防护的肌电图响应也有明显差异。建议在跳伞着陆中采用刚度较大的踝关节防护措施，针对男性主要是为了改善其本体感受能力，激发其小腿肌肉的活动性，而对于女性则为了补偿其本身肌肉力不足。（2） 倾斜平面着陆姿势稳定性模拟实验模拟跳伞着陆实验同时揭示，着陆于水平地面是一种稳定的动作。所以，水平地面跳伞着陆损伤一般来自于能量损伤，而非姿势失稳。但是在斜面跳伞着陆中，损伤更多来自于姿势失稳。根据文献报道，斜面着陆姿势动态稳定性和斜面单足站立静态稳定性有明显的联系。为研究斜坡跳伞着陆的损伤机制和防护问题，本文提出了瞬态姿势稳定性概念，使用足底压力测量和分析可以对其进行有效的评价。19名受试者单腿站立于不同倾斜角度的平面上接受测试，评价体侧偏利性、踝关节内翻或外翻、踝关节防护对足底不同区域的压力分布和接触面积的影响。研究分析认为，踝关节内翻或外翻侧向着陆于倾斜平面，都会引起姿势失稳，从而造成损伤。半刚性护踝和弹性绷带都可以一定程度恢复姿势稳定性。当不得不着陆于斜面时，尽量避免上坡面处于着陆者的右侧。在新的踝关节防护装备设计中，应该将装备的不同部位设置成不同的刚度。其中踝关节外侧应该采用刚度较大的材料，而踝关节内侧应该采用弹性较好的材料，足底材料和足底皮肤应该尽量保持几何顺应性和相对自由。（3） 踝关节内翻扭伤的离体实验和有限元分析研究通过离体实验和有限元分析研究踝关节内翻对踝关节外侧韧带和腓骨的生物力学影响。通过离体实验应变测量，对有限元模型进行了验证。随踝内翻角度增大，腓骨远端应变显著增大，跟腓韧带应力提高。切除距腓后韧带和距腓前韧带，腓骨远端应变和跟腓韧带应力也明显增大。距腓前韧带的撕裂将对跟腓韧带和腓骨远端都将带来破坏性影响。为预防踝关节外侧韧带撕裂和外踝骨折，在跳伞着陆中应该对踝关节内翻活动度进行有条件的限制，并从保护距腓前韧带做起。本课题创新性在于：（1）首次较系统地利用先进的设备与方法，研究了半蹲式跳伞着陆踝关节损伤机制及其防护；（2）将着陆损伤的成因划分为姿势失稳和能量破坏两个方面，并有针对性地对水平地面着陆和倾斜平面着陆分别研究；（3）研究发现了着陆冲击偏利性原则和规律，为下一步修订伞降着陆冲击损伤耐限提供了生理依据；（4）研究发现了着陆冲击男女缓冲吸收能量的策略不同，并提出了针对性别差异设计防护装备的原则；（5）提出了瞬态稳定性概念及其评价方法，并建立其与静态和动态姿势稳定性的联系，为相关学科发展提出新问题。这些实验研究存在一定局限性，不能完全代表现实跳伞实际。本研究建议在今后的研究中突出数值模拟方法的作用，并充分利用实验测量数据作为初始条件和验证参数，来建立数值模拟分析平台，在虚拟环境下做实验室不能完成的研究任务。本研究发现在跳伞着陆中踝关节损伤中的重要影响因素是肌肉的触发和持续时间、肌肉力的大小，在今后的数值模拟中应该充分考虑这些因素。