新型军事跳伞膝关节防护装置CPKB的研制及生物力学研究

发布时间：2020-10-09 06:38

　　目的为了预防和减少军事跳伞膝关节损伤,研制适用于军事跳伞的膝关节防护装置CPKB(Chinese Parachute Knee Brace,CPKB)。通过地面跳伞训练对CPKB和半刚性护膝进行主观测评与比较,并通过半蹲式着陆(HSPL)分析对比两个高度(40cm、120cm)下两种护膝对膝关节生物力学(运动学、动力学)的影响。方法根据本课题组前期关于军事跳伞膝关节损伤的流行病学调查结果和损伤机制的研究结果,以FEA(Functional,Expressive,Aesthetic,FEA)模型为指导设计CPKB,并对CPKB进行主观测评和生物力学测试。选取30名男性空降兵,分别穿戴CPKB和半刚性护膝进行地面跳伞训练,采用Likert 5分制评分(multiple 5-point Likert-scale)对护膝的稳定性、舒适性、易用性、阻碍性、质量、满意度进行主观测评。选取20名男性空降兵,以穿戴CPKB(CPKB组)、半刚性护膝(半刚性护膝组)、不穿护膝(空白组)状态分别从40cm和120cm跳台HSPL,双足分别落在两个力台上。AMTI三维力台测量地面反作用力(GRF),选取最大垂直地面反作用力(peak V GRF)。Vicon三维动作捕捉系统记录运动轨迹(同步记录GRF),得到C3D数据,将C3D数据导入三维步态分析软件Visual3D计算得出运动学数据,选取最初接触屈曲角(initial C KFA)、最大屈曲角(peak KFA)、膝关节活动度(ROM)、最大外展角(peak KAA)、最大外旋角(peak KEA)、最大屈曲角速度(peak KFAV)、平均屈曲角速度(mean KFAV)、到达最大屈曲角时间(T-peak KFA)。将C3D格式数据导入Any Body肌骨模型中并驱动,输出动力学数据,选取最大前后方向关节力(peak A-P KF)、最大内外方向关节力(peak M-L KF)、最大垂直方向关节力(peak V KF)、最大外展力矩(peak KAM)、最大屈曲力矩(peak KFM)。不同护膝状态下运动学参数和动力学参数比较采用方差分析,两个高度之间比较采用配对设计t检验,P0.05为差异有统计学意义。结果1.CPKB的稳定性、舒适性、质量和满意度得分高于半刚性护膝(p0.001),有90%(27/30)的受试者愿意佩戴CPKB跳伞。2.CPKB和半刚性护膝对initial C KFA没有显著影响(p0.05),两种护膝可以减小peak KFA和ROM(p0.05),两者之间无统计学差异(p0.05)。3.CPKB和半刚性护膝能够减小peak KAA(p0.001),CPKB降低幅度大于半刚性护膝(p0.05);CPKB能够减小peak KEA(p0.05),半刚性护膝对peak KEA无影响(p0.05)。4.CPKB和半刚性护膝能够降低peak KFAV、mean KFAV,增加T-peak KFA(p0.05),两者之间无统计学差异(p0.05)。5.空白组、CPKB组、半刚性护膝组之间的peak V GRF无统计学差异(p0.05)。6.CPKB能够降低peak A-P KF(p0.05),对peak V KF和peak M-L KF没有影响(p0.05),半刚性护膝对peak A-P KF、peak V KF、peak M-L KF均无影响(p0.05)。7.CPKB能够降低peak KAM(p0.05),半刚性护膝仅在40cm高度降低peak KAM(p0.05);CPKB和半刚性护膝能够降低peak KFM(p0.05),CPKB在120cm高度降低幅度大于半刚性护膝(p0.05)。8.与40cm高度相比,120cm高度的peak KFA、ROM、peak KAA、peak KEA、peak KFAV、mean KFAV、peak V GRF、peak A-P KF、peak M-L KF、peak V KF、peak KAM、peak KFM均增大(p0.05)。结论1.CPKB依据空降兵跳伞膝关节的生物力学易损机制设计,外形结构、材料选择、穿脱方式也是依据空降兵的实际军事需求确定,空降兵对CPKB的总体满意度较高,90%的主观受试者愿意佩戴CPKB跳伞。2.CPKB和半刚性护膝能够限制膝关节膝关节屈曲、外展运动,CPKB限制外展作用优于半刚性护膝,CPKB并能够限制外旋运动,说明两种护膝均能增加膝关节的稳定性,CPKB的效果更好。3.CPKB和半刚性护膝可以降低最大屈曲角速度和平均屈曲角速度,增加着陆阶段膝关节屈曲缓冲时间,有助于膝关节负荷分散。4.CPKB能够降低膝关节最大前后方向关节力,能够减小胫骨前移和剪力,从而可以降低前交叉韧带受力。5.CPKB和半刚性护膝可以降低膝关节最大外展力矩和最大屈曲力矩,CPKB降低力矩作用优于半刚性护膝,CPKB可以更有效降低膝关节的负荷。6.跳台高度(着陆速度)增加,与膝关节损伤有关的生物力学参数均随之增加,说明跳伞着陆速度与跳伞损伤直接相关。如果可以通过提高降落伞装备技术、飞机出舱技术和着陆技术等措施降低着陆时的速度,将综合地使跳伞损伤随之减少。7.生物力学测试表明了CPKB具有防护作用,但是CPKB还需要在不同的实际军事跳伞环境中进一步应用评估。
【学位单位】：安徽医科大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R82;R318.01
【部分图文】：

结构示意图,束带,带长,主体部分

图 1 CPKB 的结构示意图(右侧)Fig1 The structure of CPKB (right)表 1 CPKB 各部分尺寸Tab1 The each part size of CPKB部位规格（cm）护膝主体部分宽护膝高上束带长202424中间束带长 12下束带长 20

实物,弹性支撑,透湿性

要具有良好的透气性、透湿性和舒适性。本课题组和国家康复辅具研究中心通过对目前常用的护具材料分析后选择了OK布（54"*330G/Y）作为主体面料，其成分为84%尼龙（Nylon+OP），16%氨纶（Spandex）。OK布透气性为327.43mm/s（采用GB/T5453-1997《纺织品织物透气性的测试》），透湿率为28.36 [g/(m2·h)] ，透湿度为0.05 [g/(m2·Pa·h)] （采用GB/T3820-1997《纺织品织物透湿性试验方法》）（以上检测数据由国家康复辅具研究中心提供），具有良好的透气性和透湿性。OK布具有两面弹性，布面平整，可与氯丁橡胶贴贴合，是现时国内外护具的常用布料。护膝内、外侧支撑选用弹性支撑（图3），弹性支撑材质为碳素弹簧钢丝，含碳、硅、锰、磷、硫等元素，属于中应力碳素弹簧钢丝。外侧弹性支撑抗拉强度为2200MPa，扭转强度为30次/360°，延伸率3%。内侧弹性支撑抗拉强度为1960 MPa，扭转强度为28次/360°，延伸率3%。

弹性支撑

【参考文献】