【生物力学】FEM助力球类运动中冲击导致的眼损伤机制研究
研究背景
匹克球（Pickleball）诞生于美国，是一项隔网对抗性的球类运动，在美国已经成为了一项国民级的运动。然而，其高速运动和硬质塑料球的特点导致眼损伤风险显著增加。常见的损伤包括角膜擦伤、虹膜撕裂、玻璃体积血、视网膜脱离等，严重时可致永久性视力丧失。尽管相关临床病例逐渐增多，但关于损伤机制的系统研究仍不足。为此，本研究通过有限元分析（FEM）模拟匹克球对眼部的冲击，揭示冲击力在眼部的动态传递路径及关键损伤机制，为制定运动安全标准提供了理论依据。随着匹克球运动的持续流行，结合生物力学研究与临床实践将有助于降低眼损伤的社会经济负担。
研究方法
研究采用多模态方法，结合有限元建模和临床数据验证。模型基于高分辨率MRI图像构建，包含角膜、巩膜、晶状体悬韧带、视网膜等详细解剖结构，并赋予超弹性材料属性以模拟真实组织的力学行为。匹克球被建模为直径73毫米的硬质塑料球，模拟以40英里/小时（约64公里/小时）的速度直接撞击角膜中心的情景。通过ABAQUS显式求解器分析动态响应，重点关注应力分布、峰值应变及组织变形。
研究使用了HGO各向异性超弹本构，关于如何在Abaqus中使用HGO本构，笔者制作了相应的视频讲解，可以点击 【阅读原文】进行观看。
主要发现
前段损伤机制
角膜与巩膜：冲击导致角膜瞬时扁平化，应力集中在角膜缘和巩膜前部，峰值应力达0.35 MPa，可能引发角膜擦伤或巩膜破裂。
虹膜与睫状体：压力积累使虹膜向后位移，导致虹膜根部拉伸，可能引发虹膜离断或房角后退，长期可能继发青光眼。
晶状体悬韧带：晶状体在回弹阶段滞后于前段组织运动，导致悬韧带承受最大拉伸应力（0.37 MPa），尤其是颞侧悬韧带更易损伤，与临床报告的晶状体脱位病例一致。
后段损伤机制
视网膜：冲击波通过玻璃体传递，在锯齿缘和后极部产生高剪切应力，可能导致视网膜撕裂或脱离。模拟显示，颞侧玻璃体压力不对称性可加剧视网膜牵引力。
玻璃体：快速压力波动导致玻璃体后脱离，与临床观察的玻璃体积血病例相符。
年龄因素的影响
老年玩家因晶状体硬化、玻璃体液化等退行性变化，更易在同等冲击下发生严重损伤。例如，老化的悬韧带纤维强度下降，可能加剧晶状体脱位风险。
临床意义与建议
研究结果与多项临床病例吻合，例如：
虹膜根部应力峰值（0.35 MPa）与低眼压和房角后退病例相关。
悬韧带损伤机制解释了匹克球相关的晶状体半脱位报告。
视网膜剪切应力分布与创伤性视网膜脱离的常见部位一致。
基于此，研究提出以下预防措施：
推广防护眼镜：聚碳酸酯镜片可有效分散冲击力，减少直接损伤。
规则优化：避免近距离截击等高风险动作，降低球速。
公众教育：针对老年玩家和高风险人群（如高度近视者）加强安全意识宣传。
局限性与未来方向
当前模型未完全模拟老化组织的力学变化（如玻璃体液化），且未考虑长期炎症或血管反应。未来研究可整合防护眼镜的FEM分析，量化其保护效果，并进一步探索年龄特异性损伤机制。
【参考文献】Rydz, C.; Colmenarez, J.A.; Shahraki, K.; Dong, P.; Gu, L.; Suh, D.W. Finite Element Analysis of Ocular Impact Forces and Potential Complications in Pickleball-Related Eye Injuries. Bioengineering 2025, 12, 570. https://doi.org/10.3390/bioengineering12060570
