运动相关髌腱炎发病的生物力学机制

doi:10.12307/2026.551

中国组织工程研究 ›› 2026, Vol. 30 ›› Issue (6): 1417-1423.doi: 10.12307/2026.551

• 肌肉肌腱韧带组织构建 tissue construction of the muscle, tendon and ligament • 上一篇下一篇

运动相关髌腱炎发病的生物力学机制

钟彩红1，肖晓歌2，李明3，林剑虹1，洪靖2，4

1福建省体育科学研究所，福建省福州市 350003；2福建师范大学体育科学学院，福建省福州市 350117；3福建医科大学健康学院，福建省福州市 350122；4泉州工艺美术职业学院，福建省泉州市 362500

收稿日期:2024-11-27 接受日期:2025-01-17 出版日期:2026-02-28 发布日期:2025-07-15
通讯作者: 洪靖，硕士，助教，泉州工艺美术职业学院，福建省泉州市 362500；福建师范大学体育科学学院，福建省福州市 350117
作者简介:钟彩红，女，1987年生，福建省晋江市人，汉族，2014年福建中医药大学毕业，硕士，主治医师，主要从事运动损伤与康复治疗。
基金资助:
2022年福建省属公益类科研院所基本科研专项(2022R1019004)，项目负责人：钟彩红

Biomechanical mechanism of sports-related patellar tendinitis

Zhong Caihong1, Xiao Xiaoge2, Li Ming3, Lin Jianhong1, Hong Jing2, 4

1Fujian Province Sports Science Institute, Fuzhou 350003, Fujian Province, China; 2School of Sports Science, Fujian Normal University, Fuzhou 350117, Fujian Province, China; 3Health College, Fujian Medical University, Fuzhou 350122, Fujian Province, China; 4Quanzhou Arts and Crafts Vocational College, Quanzhou 362500, Fujian Province, China

Received:2024-11-27 Accepted:2025-01-17 Online:2026-02-28 Published:2025-07-15
Contact: Hong Jing, MS, Assistant, Quanzhou Arts and Crafts Vocational College, Quanzhou 362500, Fujian Province, China; School of Sports Science, Fujian Normal University, Fuzhou 350117, Fujian Province, China
About author:Zhong Caihong, MS, Attending physician, Fujian Province Sports Science Institute, Fuzhou 350003, Fujian Province, China
Supported by:
2022 Basic Research Special Project of Fujian Provincial Public Welfare Research Institutes, No. 2022R1019004 (to ZCH)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
有限元：有限元方法是利用数学近似的方法模拟真实的物理系统，其原理是将建立的几何模型分成许多离散的小区域，这些小区域是具有线性代数方程系统并且在各顶点处相互结合，表示为矩阵方程，假设对每一个单元有一个近似解，然后推导出可以满足这个结构平衡的条件，从而得到问题的解。
髌腱炎：又称为“跳跃者膝”，常发生于篮球、排球、跳高、跳远等需要快速加速、频繁改变方向或重复运动的项目。该病通常表现为组织病变，组织超负荷且未完全恢复而导致愈合失败的肌腱退化。

背景：髌腱炎可表现为组织超负荷且未完全恢复而导致愈合失败的肌腱退化。髌腱炎是跳高运动的易发病，其发病机制尚未明确。
目的：通过具有精确人体解剖结构的有限元模型探究跳高起跳技术动作中髌腱的应力应变关系，为预防髌腱炎与康复提供思路。
方法：基于1名受试者(22岁，身高183 cm，体质量70 kg)包括膝、踝的下肢CT与MRI影像数据，采用医学影像软件、逆向工程软件和建模软件重建下肢三维有限元模型。通过步态测试系统采集8名受试者起跳腿的足底压力，并使用运动捕捉系统采集跳高起跳技术动作，将捕捉数据导入人体运动生物力学软件进行分析，获得运动学和动力学数据作为下肢三维有限元模型的边界条件，进行有限元仿真分析。
结果与结论：在受试者起跳时髌腱承受的力达到自身体质量的3.29倍。在起跳阶段，髌腱的范式等效应力、应变、剪切应力峰值分别为127.76 MPa、0.81、37.69 MPa，处于应力-应变曲线的非线性区域，峰值分布于髌腱近端后部。结果提示，跳高运动起跳时髌腱承受自身3.29倍体质量的载荷引起的高髌腱力、应变和剪切应力与诱发髌腱炎相关。
https://orcid.org/0009-0003-5888-0557(钟彩红)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

关键词: ">运动生物力学；跳高；髌腱炎；有限元；运动损伤；起跳；膝关节；机制

Abstract: BACKGROUND: Patellar tendonitis can present as tendon degeneration that fails to heal due to tissue overload and incomplete recovery. Patellar tendonitis is a predisposition to high jumping and its pathogenesis has not been clearly defined.
OBJECTIVE: To explore the stress-strain relationship of patellar tendon in the take-off technique of high jump through the finite element model with accurate human anatomical structure, so as to provide ideas for the prevention and rehabilitation of patellar tendinitis.
METHODS: Based on the CT and MRI imaging data of the lower extremity (including the knee and ankle) of one subject (22 years old, 183 cm height, 70 kg body mass), a three-dimensional finite element model of the lower extremity was reconstructed using medical imaging software, reverse engineering software and modeling software. The plantar pressure of the take-off leg was collected in eight subjects by gait testing system, and the technical action of high jump take-off was collected by motion capture system. The captured data were imported into human sports biomechanics software for analysis, and kinematic and kinetic data were obtained as the boundary conditions of finite element model for finite element simulation analysis.
RESULTS AND CONCLUSION: The force borne by the patellar tendon reached 3.29 times of its own body mass when the subjects took off. In the take-off stage, the peak values of normal equivalent stress, strain and shear stress of the patellar tendon were 127.76 MPa, 0.81 and 37.69 MPa, respectively, which were in the nonlinear region of the stress-strain curve, and the peak values were distributed in the proximal and posterior parts of patellar tendon. To conclude, the high patellar tendon force, strain and shear stress caused by the load of 3.29 times its own body mass during take-off are related to the induction of patellar tendinitis.

Key words: sports biomechanics, high jump, patellar tendinitis, finite element analysis, sports injury, take off, knee joint, mechanism

中图分类号:

钟彩红, 肖晓歌, 李明, 林剑虹, 洪靖. 运动相关髌腱炎发病的生物力学机制[J]. 中国组织工程研究, 2026, 30(6): 1417-1423.

Zhong Caihong, Xiao Xiaoge, Li Ming, Lin Jianhong, Hong Jing. Biomechanical mechanism of sports-related patellar tendinitis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2026, 30(6): 1417-1423.

图/表（结果） 5

2.1 有效性验证在几何模型中施加垂直向下的力350 N(受试者体质量的50%)，获得应力峰值为0.47 MPa，应力分布见图3。对比受试者在zebris步态测试系统中采集到站立时的足底压力(图3)，峰值为0.51 MPa，与有限元结果基本一致，证明此次建立的模型具有研究意义。

有限元计算结果显示，距骨的范式等效应力主要集中于背面，最大值为17.62 MPa，与顾耀东团队[34]研究结果相似。胫骨的范式等效应力分布符合陈虬等[35]的研究，但此次研究未区分皮质骨与松质骨，在应力值上有一定差别。髌腱的范式等效应力、应变分布与AAGAARD团队[36]的研究结果一致。说明仿真分析与实际情况接近，具有研究价值。
2.2 运动学和动力学数据分析基于Qualisys运动捕捉系统与zebris步态测试系统获得跳高运动起跳技术动作的运动学和动力学数据峰值的平均值见图2和表2。受试者在完成起跳技术动作中膝关节主要绕z轴做旋内运动，此时受到的力和力矩主要集中于轴上，其中膝关节受力主要来自x轴，膝关节力矩主要绕y轴水平面。

表3选取Ansys中计算的距骨、胫骨和跟骨的范式等效应力峰值及大应力分布区域，结果在有效性验证中证明与先前研究相似。

在表4和图4中，通过Ansys计算得出起跳时髌腱的范式等效应力、剪切应力以及应变峰值，应力、应变分布集中于髌腱后部。以髌骨-髌腱结合部作为接触面，计算得出起跳时髌腱所受到的力为2 300.50 N，即3.29 BW。

2.3 不良事件在采集运动学和动力学数据过程中，受试者均未发生膝关节和踝关节扭伤，也未发生韧带拉伤、断裂等运动损伤，均顺利完成起跳技术动作。

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引言

流行病学研究表明，田径运动者的膝关节损伤率高达30%，在髌腱、前交叉韧带、半月板等部位损伤频繁，跳跃性项目中最高[1-3]。例如跳高项目中，起跳腿髌腱炎患病率达到21%[4]。由于其力学性机制尚未明确，髌腱炎长期影响运动员的运动表现，降低出勤率，甚至影响到运动寿命[4-5]。据报道，超过一半的髌腱炎患者被迫结束运动生涯，因此探究髌腱炎发病的生物力学机制至关重要[6]。
髌腱是股四头肌肌腱的延伸，担任把肌力传递给小腿等作用，长期反复的跳跃运动会使髌腱产生病变[7-9]，髌腱炎的产生与膝关节的屈曲、伸展运动相联系。WEIDLICH等[10]的研究表明，负重深蹲过程中髌腱的损伤是由于过大的应变导致；HAGEN团队[11]在运动员弓箭步动作中发现较高的髌腱力与髌股关节接触力是造成髌腱炎的可能原因。值得注意的是，上述研究中存在较高的个体化变异性，并且运动模式的不同也会影响髌腱的负荷[12]，亟需针对跳高起跳技术动作诱发髌腱炎的生物力学机制展开特定研究。
生物力学与计算机技术的多学科交叉融合创新可以为临床诊断提供精准的可视化资料，从疾病分析、手术规划到治疗方式的选择均可虚拟化[13-14]，为生物力学研究和运动损伤机制探究提供新的方法和手段。例如采用有限元分析在运动技术的生物力学特征分析中发挥重要作用[15-17]。不同于传统的生物力学研究方法，有限元模型可以在特定动作模式中精确地观察人体内部结构的应力变化，对人体的损伤进行评估与预测及为运动损伤有效的预防与康复提供思路[18-19]。因此，为探究跳高起跳腿髌腱的负荷特征，此次研究基于CT与MRI影像重建包括膝、踝的下肢几何模型，基于运动捕捉系统和步态测试系统获得起跳技术动作的运动学和动力学数据作为边界条件进行有限元分析，为运动损伤的临床诊断和运动辅具的功能设计提供力学参数。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

材料方法

1 对象和方法 Subjects and methods
1.1 设计有限元仿真分析。
1.2 时间及地点实验于2021年12月至2022年6月在福建师范大学足研究实验室完成。
1.3 对象受试者为8名男子跳高运动员，均为福建师范大学体育科学学院的在读生，年龄(20.00±1.22)岁，身高(182.13±5.41) cm，体质量(69.50±4.31) kg。其中，3名一级运动员，5名二级运动员。
纳入标准：①男子；②起跳腿均为左腿；③最好成绩均达到国家二级运动员标准之上；④训练年限均在5年以上；⑤了解试验内容，自愿参加，并签署知情同意书。
排除标准：①下肢膝、踝关节具有既往受伤史；②实验期间无法顺利完成完整技术动作。
该项研究经福建师范大学伦理委员会批准(FJNU20220215)。
1.4 实验设备
1.4.1 实验仪器 Qualisys运动捕捉系统(16个Oqus700+红外动作捕捉镜头，2个Oqus210c彩色高速视频镜头)，标定尺，标定杆，AquilionTM ONE 640 CT扫描仪器(日本Toshiba公司)，zebris 地垫式足底压力测试系统。
1.4.2 系统软件 Qualisys Track Manager 2.15 (瑞典Qualisys公司，QTM)，WinFDM v1.18.40 (德国zebris公司)，Visual 3D v6 for x64 (美国C-Motion公司)，Mimics Research 17.0 for x64 (比利时Materialize公司)，Geomagic studio 12.0 (美国Geomagic公司)，Solidworks 2016 (美国Dassault Systemes公司)，Ansys 14.5 (美国ANSYS公司)。
1.5 方法

1.5.1 下肢三维有限元模型建立选取1名运动成绩最好的运动员，22岁，身高183 cm，体质量70 kg，起跳腿为左腿，1年内无下肢与神经系统损伤。使用AquilionTM ONE CT扫描仪器和GE3.0T超导型磁共振机(美国General Electric公司)无荷载条件下左腿进行电子计算机断层影像扫描(Computed Tomography，CT)和左膝关节核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)，2次常规扫描之间间隔1年。将医学影像(图1)以DICOM格式(Digital Imaging and Communications in Medicine)存储，导入Mimics中进行阈值分割、骨骼重建和本体坐标标准化[20]。基于解剖学结构结合MRI影像重建髌腱。在Mimics中重建的点云模型输入Geomagic中完成曲面化操作。在Solidworks中，依据解剖结构建立各关节间软骨，完成下肢几何模型建立。包含膝、踝、足的下肢模型可以更加真实地模拟起跳阶段髌腱的运动。最后，将下肢几何模型以XT文件格式导入Ansys。定义材料属性与接触关系，施加边界条件进行有限元分析并完成有效性验证。

不同条件作用下材料的力学性能会发生一定的变化，其中材料属性对于载荷条件存在一定影响[21-22]。

在建立下肢模型时，将材料视为均质、各向同性和线弹性。根据各条韧带的解剖学结构，采用弹簧作为替代物建立膝关节、踝关节和足的韧带，包括交叉韧带、左侧副韧带、右侧副韧带等。所有使用的材料属性均参照文献定义，见表1。

1.5.2 人体运动骨骼模型建立通过Qualisys运动捕捉系统对8名受试者进行跳高起跳技术动作采集(采集频率为200 Hz，见图2)，使用zebris地垫式足底压力测试系统采集足底压力分布及地面反作用力(采集频率为100 Hz，见图2C)。依据Qualisys Animation Marker Set对受试者进行Marker点标记[29]。使用标定尺和标定杆进行空间位置标定，规定x轴为人体左右方向，y轴为人体前后方向，z轴垂直于地面。测试前让受试者充分热身，测试中当运动员起跳阶段足底压力中心轨迹(Center of Pressure，COP)符合足后跟外侧以相对平顺的模式过渡至前脚掌区域特征[30]，即可被视为有效数据进行采集(见图2C)。

通过Visual 3D以marker点作为起止点结合+x与-x的追踪点建立起跳腿和摆动腿的大腿、小腿以及足的骨骼模型(图2A)，在输出中应用逆向动力学计算获得膝关节的关节活动范围、关节力和关节力矩并采用8 Hz截断频率进行平滑处理。
此次研究将起跳阶段划分为：缓冲阶段，足后跟触底至支撑阶段膝关节屈曲角度最小时；蹬伸阶段，膝关节屈曲角度最小至足尖离开地面时[31]。
1.5.3 约束与载荷条件选取8名运动员膝关节力与力矩峰值均值施加于在股骨髁中心[32]，基于达朗贝尔原理选取髌骨外侧、髌骨内侧、脚踝外侧、脚踝内侧、足后跟的位置坐标作为约束条件。选取地面作为支撑面，将地面与下肢的接触定义为固结，软骨与皮肤、软骨与骨之间的接触设置为无摩擦接触[33]。
1.6 主要观察指标 ①人体运动骨骼模型的有效性验证；②运动学和动力学数据有限元仿真分析。

讨论

3.1 髌腱的生物力学分析此次研究基于特定受试者的运动学和动力学数据作为边界条件，进行运动相关髌腱的仿真分析。利茨大学医学与生物工程研究所已表明，当特定条件下的膝关节模型给予验证时，可以产生一组经验证的受试者特异性模型，或校准后的平均数值进行群体子集中测试[37]。验证的有限元模型具有为其基础方程提供准确数据近似解的能力，这在相关研究中已被应用并证实[38-40]。
在表4可以观察到，有限元模型中髌腱受到的力为3.29 BW，对比Noyes等计算得出髌腱的极限强度范围在(4.14±0.37) BW[41]，说明单次起跳对髌腱造成较大的负荷强度。训练中，运动员需要进行反复的起跳练习，过程中受到重复性高强度负荷会破坏髌腱的生理结构，降低力学性能，出现退行性疾病[42-44]。需要注意的是，当髌腱的极限强度被反复接近时，髌腱的强度可能会增加，通过拉伸肌腱组织长度引起适应性反应[45]。但是，肌腱组织的强度难以量化，不能准确地把握其阈值，在超负荷过度使用中仍有破坏胶原蛋白降解活性和积累伤害性物质的可能[46]，由此说明反复的跳跃中高髌腱力是形成髌腱炎的重要原因之一。
缓冲阶段的膝关节处于屈曲状态，髌骨髌腱角随着膝关节屈曲而减小，髌骨髌腱结合部应变随之增大[47]。在表4中，起跳时髌腱的范式等效应力峰值为127.76 MPa，应变峰值为0.81。该结果已超出Hashemi计算的髌腱应力-应变线性区域80%，但考虑到髌腱的个体差异性与实验操作方法，髌腱弹性模量的范围跨度可以很大[48-50]。此次研究结果与体外实验结果相似，应变作为直接影响损伤的力学因素[44]，随髌骨髌腱角减小而增大，具体表现为髌腱后部应变大于髌腱前部。体外实验表明，髌腱后侧的应力、应变在增加的同时，髌腱前侧受影响较小，造成应力前后侧差异过大，后侧的肌腱束在高应变下相对脆弱，易诱发退行性疾病[42，51]，这与仿真分析的结果是一致的。
仿真分析的结果表明，髌腱在起跳阶段受到的力值较高。但实际上，髌腱在运动过程中会受到牵拉，肌腱拉长起到分散应力作用[52]，避免应力过于集中而诱发髌腱断裂。另外，起跳时的垂直地面反作用力峰值接触时间为0.03-0.04 s，研究表明垂直地面反作用力接触时间与损伤高度相关[53]，但人体对毫秒级别的运动无法做出反应。同时，髌腱作为人体中具有黏弹性的材料，在高应变速率下不易导致变形[54]。因此，一次起跳一般不会导致髌腱断裂。值得注意的是，髌腱的寿命实际上是随着加载频率的增加而减少[55]，基于冯元祯的应力-生长关系，髌腱的范式等效应力峰值处于非线性区域阶段时，会出现微损伤、局部黏液样变与纤维蛋白坏死[47，56-57]。
髌腱作为唯一一种以结缔组织与骨界面破坏为特征的结构，其纤维蛋白的坏死会破坏髌腱的机械稳定性，使髌腱无法在正常生理负荷后恢复其预拉伸长度[54，58]，即在承受载荷发生形变后无法愈合。
剪切应力的产生是由于膝关节在跳高起跳时做旋内运动引发，胫骨为控制膝关节的横断面运动以及减慢矢状面运动会发生旋转前移[59-60]。剪切应力对于髌腱的反复牵拉会增加股四头肌的疲劳和髌腱的劳损，与髌腱炎的发生存在密切关系[61]。图4表明，一次起跳髌腱所产生的剪切应力为37.69 MPa，超出其生理应激极限[62]。基于材料力学第三强度理论，当髌腱的剪切应力超过其极限切应力时，髌腱的形态结构会发生改变，增加负荷提升损伤风险[63-64]。由此可见，跳跃时产生的剪切应力也是髌腱发生损伤的主要力学因素。
3.2 研究不足此次研究还存在一定的局限性：第一，材料属性均参照现有文献将材料视为均质、各向同性和线弹性，髌腱作为较突出的各向异性生物组织之一，其材料不均匀程度未知[65]；将骨的密度进行统一，对于下肢骨骼未区分皮质骨与松质骨，后期的研究将细化材料属性，提升模型真实性。第二，此研究下肢模型的韧带采用弹簧进行替代，为提高真实性，后期将基于影像学结合解剖结构进行建立。第三，仿真分析仅选取1名健康成年男性膝、踝、足模型，未考虑到性别、运动水平、其他关节肌肉等影响，未来研究中将增加受试者的样本量并完善模型。
结论：此次研究基于医学影像成功构建包括足、膝关节和踝关节的下肢个体化有限元模型，并使用专业跳高运动员起跳技术动作的生物力学参数作为载荷条件进行仿真分析，在进一步完善边界条件的同时，更加真实地模拟运动员起跳阶段髌腱的负荷特征。从有限元计算结果得出，髌腱炎的产生与起跳技术动作中产生超过生理应激范围的髌腱力、应变和剪切应力有关。髌腱炎作为一种退行性疾病，在长期的跳高训练中应引起运动员的重视和保护，后续研究应考虑以病理学、影像学等数据作为支撑，进一步探索跳高运动中髌腱炎的发病机制。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：干细胞；骨髓干细胞；造血干细胞；脂肪干细胞；肿瘤干细胞；胚胎干细胞；脐带脐血干细胞；干细胞诱导；干细胞分化；组织工程

运动相关髌腱炎发病的生物力学机制

Biomechanical mechanism of sports-related patellar tendinitis

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