计算机模拟仿真

志愿者实验虽然能为深入研究跳伞着陆损伤及其防护提供大量重要数据，但是也有局限性。首先，由于志愿者之间的个体差异，受训练程度不同和主观意识的影响，志愿者实验数据的可靠性往往需要大样本的测试，并依赖于昂贵的实验设备，需要花费大量的测试分析时间。其次，由于在测试过程中要考虑志愿者的人身安全，不能真正去完成有可能造成实际损伤的动作，所以实验条件下要比真实跳伞环境下风险系数大大减小，这降低了实验结果的说服性。另外，由于在测试过程中只能考虑无损测量方法，所取得的数据形式具有很大局限性，对诸如组织内部应力、关节压力等重要数据不能获取。应用数值模拟方法，建立标准的数学模型，通过控制边界条件和加载条件，可以得到良好的结果，可比较性和可重复性都优于志愿者测试。

人体多刚体动力学模拟目前已经作为一种成熟的技术被普遍应用。得益于计算机技术的发展，多刚体动力学模型一方面可以分析自由度和运动形式更复杂的问题，另一方面也便于与其他模拟方法结合，更灵活地解决人体运动问题。例如，第四军医大学刘铁汉等[13]和北京航空航天大学张俊等[14]都曾建立数学模型对着陆冲击力进行分析，其建模和分析都使用了高速摄影资料。

有限元方法是现代计算力学发展的一个里程碑。由于有限元计算精度高，能适应各种复杂形状，因而成为有效的生物力学分析手段，极大地促进了生物力学的发展，在损伤生物力学研究中有重要的应用价值。美国军方已经开展了有限元方法研究跳伞着陆损伤。美国军方研究人员基于GEBOD程序建立了人体全身有限元模型研究跳伞着陆。模型中身体除下肢以外的部分都被定义为刚体，刚体之间的联结性质通过适当的载荷偏移曲线定义。这项研究分析了直立着陆和跳伞着陆不同姿势下踝关节竖直方向速度、角速度和冲击力，还分析了各种因素对跳伞着陆冲击力的影响[15]。在后续的研究中，将这个模型进行了改进，尤其对足踝结构进行了更为精确的建模[16]。他们将这个模型应用于评价跳伞着陆时不同护具对踝关节的防护作用，比较分析了不同护踝，着陆速度、负荷条件和地面倾斜度对着陆时足冲击力、背屈、内翻和外翻的影响[17]。

以上研究使用的有限元模型无论在结构还是组织力学性质上都并非基于解剖，不能预测踝关节各组织的应力，所以依然存在较大的局限性[1517]。借助计算机硬件软件的飞速发展和医学影像、数字图像处理技术的进步，人体各节段生物力学有限元模型越来越成熟。所以在当前技术条件下，应用基于解剖的生物力学有限元模型解决着陆损伤的部分问题，已经具备了可能性。

虽然有限元方法在很多生物力学问题的解决中有明显的优势，但是也有其自身的不足，比如对肌肉力的模拟能力有限。虽然在静力学分析中，可以使用集中载荷模拟肌力作用。但是在着陆等动作的动态分析中，肌肉活动性随动作的变化不断变化，不同肌肉之间互相协调，以此保证身体各节段和关节的正常平稳运动和平衡，这时有限元模拟就存在较大困难。在这种情况下，肌骨系统逆向动力学分析模型可以被用来计算肌肉活动性、韧带拉力和关节力传递等动态参数。Spagele等人[18]使用二维肌骨系统模型计算起跳到着陆的整个过程中9条下肢肌肉的活动性。Shin等人[18，19]结合离体实验模拟了着陆冲击条件下膝关节肌肉力和韧带拉力的变化。

随着技术的发展和科学问题的需要，通常在一个任务中使用两种或两种以上不同形式的模型来解决运动生物力学问题。不同模型通过数据交换将一方的计算结果作为边界或加载条件，来完成模型各自所适用的任务。事实上，随着计算机的应用，在有些情况下不同模型之间的界限也不是特别清晰。例如近年来兴起的肌骨系统模型在一定程度上可以看作传统的多刚体动力学模型框架下添加了肌肉功能模拟单元。在已经商业化的肌骨系统模拟软件和开源软件中，逆向和正向人体动力学分析已经变成其肌肉功能分析的基础。而如果将刚体节段和肌肉分别看作有限单元，其与有限元法的联系便自然而然。目前大多数商业有限元软件都提供刚体的模拟功能，也正是淡化了和多刚体动力学模拟的差别。Halloran等人[21]联合使用肌骨动力学和有限元分析来研究步态足底组织的应力变化，为着陆研究提供了良好的借鉴。