回旋踢过程中膝部韧带与半月板应力分布的有限元分析

为何一种常见的踢法会对膝盖造成高负荷

回旋踢是跆拳道中最抢眼且最常用的技术之一。对观众而言它看起来自然流畅，但对运动员的膝盖来说却可能是一种高强度且反复的负荷。本研究通过计算机模拟深入关节内部，精确识别在回旋踢过程中哪些膝部结构承受最大负荷，以及这些负荷为何对预防韧带和软骨损伤至关重要。

透视运动员的膝关节

研究者没有仅依赖伤病统计数据，而是将精英男性跆拳道运动员的真实动作数据与精细的三维膝关节计算模型相结合。十二名高水平选手在标准化回旋踢动作中被拍摄，摄像机记录运动轨迹，力板测量踩地反作用力，皮肤表面的传感器记录肌电活动。将这些测量输入到肌肉骨骼模型中，估算出踢击四个关键时刻的整体膝关节受力：离地、抬膝、接触瞬间和着地。随后将这些关节载荷施加到由医学影像构建的高精度数字膝关节上，从而绘制出韧带和作为缓冲的半月板上力学应力的分布图。

支撑腿承担主要负荷

最明确的发现之一是，承重的支撑腿，而非出拳（出脚）腿，承受了主要的机械负荷。在出脚腿中，主要稳定性韧带的应力较小且高度局限，半月板承受的压力也较低。相比之下，支撑腿的膝关节在控制股骨与胫骨前后滑动的前后交叉韧带处显示出明显更高的应力峰值。这些峰值尤以准备与击打瞬间为甚——在此期间体重、躯干旋转与快速腿部伸展共同作用，使支撑膝承受扭转与压缩。这一模式与更广泛证据相符：内翻弯曲与扭转载荷是许多田赛与球类运动中非接触性韧带损伤的关键因素。

半月板中的隐性热点

应力图还突出显示了膝盖缓冲结构——内侧与外侧半月板——内部负荷分配的高度不均。在支撑腿中，两侧半月板的应力明显高于出脚腿，外侧半月板尤为突出，承受的负荷最大。应力热点集中在周缘边缘与后角处——这些正是临床患者与尸体研究中常见撕裂的位置。这些区域对于将压缩载荷转化为环状分布、保护关节面十分关键。当与扭转载荷（如回旋踢时）叠加，重复的高应力可能解释了为何在格斗类运动中半月板损伤常与韧带损伤同时出现。

模型如何构建及其能与不能说明的内容

为构建虚拟膝关节，研究者使用了一名体型接近组内平均值的运动员的CT与MRI扫描。骨骼、软骨、半月板与主要韧带被重建为三维形状，并划分为可赋予材料属性并在有限元分析中加载的微小单元。模型假定了简化且均匀的组织力学行为，并仅分析了动作的四个静止“快照”，而非连续过程，重点是相对分布模式而非精确的真实世界应力值。虽然这些选择使计算变得可行且稳定，但也意味着结果不应被解读为精确的损伤阈值，而应被视为显示在踢击过程中膝关节何时何处承受最大机械挑战的地图。

对训练与伤病预防的启示

对运动员、教练和临床人员而言，核心信息是看似“安静”的支撑腿可能比明显出脚的那条腿承担更高风险。支撑膝反复吸收高扭转与压缩载荷，使应力集中在关键韧带的附着点附近以及半月板的后部与外侧区域。这提示在力量训练与技术训练中应特别关注运动员如何落地、旋转与通过支撑腿完成伸展；康复与负荷管理计划也应考虑该关节的累积应力。通过指出回旋踢对膝盖应力集中的位置，本研究为设计更安全的训练方案与有针对性的预防策略提供了生物力学路径图。

引用: Jia, M., Li, D., Ma, Y. et al. Finite element analysis of stress distributions in knee ligaments and menisci during the Taekwondo Roundhouse Kick. Sci Rep 16, 13334 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43031-8

关键词: 跆拳道, 膝盖损伤, 韧带, 半月板, 运动生物力学