落地侧切动作对下肢关节的影响与分析

陈 豪,李建设,宋万翔

(1.宁波大学 体育学院，浙江 宁波 315211；2.宁波大学 大健康研究院，浙江 宁波315211;3.浙江经济职业技术学院，浙江 杭州 310018)

0 前 言

常见的运动损伤多发生在下肢踝、膝、髋三关节，包括韧带撕裂、软骨损伤或骨折等[1-3]。在下肢触地缓冲动作中，不论男、女其膝关节都将承担最多的冲击负荷，踝关节的跖屈肌和髋关节的伸肌则分别是女、男应对冲击负荷的第二选择[4]。而膝关节损伤一般出现在突发性的变向运动，各个角度上的突停或启动，非接触性关节韧带损伤就是主要发生在运动时变速、变向[5-7]。作为维持膝关节稳定性中核心韧带之一的膝关节前交叉韧带ACL(Anterior Cruciate Ligament)，是人体最复杂的关节之一且尤其容易受伤，如男子足球运动员ACL断裂是常见的运动损伤之一[8]。

以较小的膝关节屈曲完成侧切时势必会在减速支撑期增大膝关节载荷，而增加的载荷必然施加至关节其他方向致使膝关节外展—ACL损伤危险因素之一。这与落地时以较小的膝关节屈曲势必弱化下肢关节的肌肉耗散功能原理一致[9]。但以较大的髋、膝关节屈曲角度触地并不能减弱人体承受的地面反作用力，紧随研究表明采用较小的屈曲角、较大的屈曲角速度触地可减弱对关节的冲击负载[10]。有关侧切动作中ACL损伤机制的研究包括神经肌肉控制对ACL的影响：通过激活关节周围的动态稳定结构来实现关节的动态稳定，这与肌肉力量和机体状态即疲劳程度密切相关，肌力不足致使控制能力低下时会导致ACL损伤频发，特别是侧切动作这类高损伤风险动作中[11,12]；再者是易发生损伤的阶段，将侧切动作分为停止期和侧方移动期进行生物力学指标对比表明：停止期膝关节最大外翻角、股四头肌肌电活动比侧方移动期大[13]，也有报道ACL损伤可能发生在接地后17～50毫秒之间[14]，一系列研究表明侧切动作减速期(早期)被认为是ACL损伤的高发阶段[15,16]。而影响侧切动作的因素很多，包括不同的侧切角度：较大角度的侧切动作表现出的生物力学指标特点通常预示着膝关节ACL的损伤风险更大[5,6,17,18]。不同性别在完成侧切动作时有不同的生物力学特征：触地时刻和峰值时刻女性膝关节屈曲角度均显著小于男性、更大的膝关节外展角和内收力矩[19]以及较小的髋关节角度和较大的GRF冲量形成的运动模式致使女性运动员更易发生非接触性ACL损伤[20]。有关不同接地的技术可用来指导ACL损伤预防，运动员在侧切动作中应尽量采用足尖接地方式，踝关节跖屈肌的缓冲有助于保护膝关节，使其不致过度外翻[21,22]。当然，这些降低损伤发生的技术动作是可以通过训练干预控制的，比如通过制定以增强式训练、抗阻训练、平衡训练等方式的训练方案干预显示训练干预可能能减轻膝关节不利影响[23]。或是随机对照实验表明预防训练方案改变了侧切动作中膝关节主动肌—拮抗肌—的运动模式，这对ACL可能是一种保护性运动策略[24]。造成ACL损伤的风险因素多而复杂，且大多往往同时存在、相互联系、共同影响。

完成侧切动作前，人体的移动速度和获得移动速度的方式都存在差异，而不同速度下完成侧切下肢所受负荷不同[25,26]，但是，关于不同获得移动速度的方式对膝关节、髋、踝关节运动学、动力学以及地反作用力的研究并未得到足够的重视。虽然有研究将垂直落地前冲、急停起跳、侧切动作进行对比[27-29]，涉及了不同获速方式，而完全不相同的动作，其本身就具有截然不同的运动特征。诚然，在生物力学特征表现中这些动作都属于ACL损伤的高发动作，然而落地侧切动作大量出现在篮球、足球和排球等项目跳跃落地后的瞬间启动动作[30]，但是由平地助跑和自由落地两获速方式而完成的侧切，两者之间其下肢关节生物力学机制尚不清楚。鉴于此，此次研究将设计落地后45°角侧切(LSC)与平地跑45°角侧切(SC)对比分析两种获速方式的侧切有关的膝关节矢状面为主的生物力学特征及髋、踝关节在矢状面内的运动学、动力学特征，籍此进一步找出各种影响侧切动作的因素用以提高侧切技术、优化下肢关节相关损伤风险的评估体系。

1 研究对象与方法

1.1 受试者

受试者为高水平足球运动员14人(表1),训练年限7年及以上。所有受试者半年内均无下肢关节损伤史，并在测试前24h无下肢关节肌肉疼痛和运动障碍。实验开始前，所有参与者都获悉本次研究的目的、要求、程序和其他细节并签署知情协议书，所有实验都在每天的同一时间进行。

表1 受试对象基本情况

1.2 测试方案

1.2.1 测试仪器。本研究受试者统一穿着安踏(中国)有限公司生产的慢跑鞋和统一的紧身裤。校准过的秤和视距仪进行测量身高和体重。初始坐标数据通过采集受试者的解剖中立位静态实验数据获得。

VICON运动捕捉系统(Oxford metric Ltd., Oxford, UK)应用8个红外摄像机捕捉侧切期间的运动轨迹，运动学数据设置采样频率200Hz。下肢粘贴36个反光标志点(直径12.5mm)用于跟踪运动轨迹，反光标志点粘贴位置为左右髂前上棘，左右髂后上棘，内外侧髁，内外侧踝，左右第一和第五跖骨头，第二趾骨远端指间关节，六个跟踪集簇固定于左右大小腿外侧中部以及足后跟。

三维测力台(AMTI, Watertown, MA, United States)获取动力学数据，采样频率设置为1 000Hz。Vicon Nexus 1.8.6 软件同步采集运动学数据和动力学数据。

红外光闸感应器计算助跑通过距离的时间控制跑速。

图1 动作方位、分解图

1.2.2 测试流程。实验开始前所有受试者均经过专门的热身，时间15min，主要以下肢关节热身为主。完成侧切跑动作时要求受试者在离测力台4～5m处开始助跑，助跑速度4m/s，以左腿为支撑腿，前脚掌触地(测力台)，身体急速侧切沿原跑动方向右前45°方向继续跑动，4～6步后缓冲停止；完成落地侧切动作时要求受试者站在离测力板前水平距离10～20cm木台上(高40cm)处落下[31]，双脚着地，前脚掌触地(测力台)，触地后身体急速侧切沿向原跑动方向右前45°方向蹬离，4～6步后缓冲停止(图2)。采集每个受试者每个动作的有效数据5次。

助跑速度采取与Jos Vanrenterghem等研究一致[32]。由于有关ACL损伤的研究并没有发现优势腿和非优势腿之间损伤率有显著差异，因此本研究只对受试者左腿的支撑动作进行研究[33,34]。

1.3 数据处理

本文中，定义踝关节背曲、髋关节屈曲角度、力矩为正值(+)，对应的踝关节跖屈、髋关节伸展为负值(-)。膝关节屈曲角度、力矩为负值(-)，对应的膝关节伸展角度、伸膝力矩为正值(+)。

在进行统计分析之前，所有数据都经过Shapiro-Wilk正态性检验，若不符合正态分布，则对非参数数据进行Wilcoxon配对符号秩检验。使用编写的MATLAB脚本，提取并计算关节角度、关节力矩、关节角速度和关节功率、GRF。

使用Visual3D(version 3.26, C-Motion Inc., Germantown, MD, USA)软件通过逆动力学方法计算获得关节角度和力矩。关节活动度(ROM)采用触地时关节角度与蹬伸结束时关节角度的差值计算。关节角度单位记为(°)，角速度单位记为(°/s)，关节力矩单位记为(Nm/kg)，关节功率单位记为(W/kg)，地面反作用力单位标准化为体重的倍数(BW)。

三维测力台(AMTI, Watertown, MA, USA)同步(Vicon Nexus 1.8.6)软件采集地面反作用力数据，采样频率1 000Hz。采集初次地面反作用力≥20N至地面反作用力≤20N时段，三个方向均相同。根据Winter对滤波器[35]频率选择，在子集中进行动力学残差分析确定最合适的信噪比，最后采用Butterworth四阶零相位滞后低通滤波器对原始运动学和动力学数据进行滤波平滑，截止频率分别为设为10Hz和20Hz。然后将数据导出到MATLAB R2019a(The MathWorks, MA, United States)中，使用编写的脚本处理数据。

1.4 统计学分析

WindowsTM软件(SPSSs Inc, Chicago, IL, USA)的SPSS 24.0进行配对样本t检验，检验关节初始角度、峰值角度、ROM、角速度、力矩峰值、功率峰值和GRF的差异，P<0.05设为有统计学意义。

MATLAB R2019a(The MathWorks, MA, United States)进行SPM(Statistical Parametric Mapping)分析，生成每个动作曲线，提取触地支撑阶段的所有运动学和动力学数据，用自定义的MATLAB脚本将数据点扩展为101个数据点(代表触地着陆阶段的0-100%)的时间序列曲线。然后使用开源SPM1d脚本的配对样本t检验进行统计分析，显著性阈值为P<0.05[36]。

2 研究结果

2.1 运动学结果

本研究运动学指标主要为左侧下肢踝、膝和髋关节矢状面的关节角度、角速度特点(图2、图3、表2)。测试结果显示，LSC的踝、膝关节ROM呈增加趋势，髋关节则相反。

图3 踝、膝、髋三关节活动度

表2 本研究踝、膝、髋矢状面运动学指标

图2 踝、膝、髋三关节侧切全过程关节角度、角速度SPM分析

膝关节测试结果显示，在22.02%～48.70%阶段的关节屈曲速度有显著差异(P<0.001)，LSC的踝关节背曲速度从刚触地时的显著高于SC(P<0.001)到急剧降至趋近停止才逐步放缓，可见此阶段踝关节跖屈肌发挥了明显的缓冲作用而表现出更大的踝关节活动度ROM(P<0.001)。

膝关节测试结果显示，两种动作在23.16%～77.53%阶段的膝关节屈曲角度呈现显著差异(P=0.018)，LSC获得更大的峰值屈曲角度(P<0.001)、活动度ROM(P<0.001)，同时屈膝角速度在13.89%～59.94%阶段同样呈现显著差异(P<0.001)，LSC拥有更大的峰值屈曲角速度(P=0.013)。

髋关节测试结果显示，在0%～54.02%阶段的关节屈曲角度也存在显著差异(P=0.038)。在触地时刻SC的髋关节屈角显著大于LSC(P<0.001)，整个动作，LSC的髋关节活动度ROM较SC更小(P<0.001)。但从髋关节屈曲角速度来看，SC的最大屈髋角度在整个动作的最开始，往后至结束都属于关节的伸展，而LSC则存在一定的屈髋角度、角速度，所以两者的髋关节会呈现不同的屈曲角速度(P<0.001)。

2.2 动力学结果

本研究动力学指标主要为左下肢踝、膝和髋关节矢状面的关节力矩、关节功率及三维地面反作用力(图4、表3)，这些指标中，除了膝关节功率峰值，LSC其余指标相较SC均显著提高(P<0.005)。在36.77%～75.63%阶段踝关节跖屈力矩呈现显著差异(P<0.001)、LSC获得更大的跖屈力矩峰值(P<0.001)。9.77%～32.51%阶段膝关节伸膝力矩呈现显著差异(P<0.001)、LSC获得更大的伸膝力矩峰值(P<0.001)。68.94%～76.49%、78.80%～96.66%两阶段的伸髋力矩分别呈现显著差异(P=0.004)、(P<0.001)，LSC获得更大的峰值伸髋力矩(P<0.001)。

图4 踝、膝、髋三关节侧切全过程关节力矩SPM分析

关节功率测试结果显示(图5、表3)，完成LSC时表现出较大的踝、髋关节峰值功率(P<0.001)，较小的膝关节峰值功率(P<0.016)，但LSC下肢总功率更大。可见两种侧切为了保证稳定、有效地完成侧切动作，使得下肢三关节在缓冲、蹬伸阶段发力的方式发生调整。

图5 踝、膝、髋三关节功率峰值

表3 本研究踝、膝、髋矢状面动力学指标

三维地面反作用力测试结果显示(图6)，两种侧切在侧切角度一致的情况下，水平向右方向地反无显著差异，但LSC在1.20%～4.08%阶段表现出更大的水平向后地反力(P=0.024)以及1.86%～4.60%、14.76%～29.25%两阶段更大的垂直地反力(P=0.026)、(P<0.001)。(表4)反力峰值显示，除水平向右反力峰值和垂直向上反力加载率无显著差异外，LSC在水平向后、垂直向上的地面反力峰值、第一峰值以及峰值加载率都有显著提升(P<0.001)且均在侧切早期阶段。

图6 三维地面反作用力的SPM分析

表4 三维地面峰值反力及加载率

3 分析与讨论

落地过程中人体下肢承受较大的内外冲击负荷是造成损伤风险的潜在因素，由于很难精确地评价人体在体(in-vivo)解剖结构所承受的负荷分布和极限阈值，因此，基于人体试验的生物力学研究很难给出明确的结论：高负荷就会产生损伤[37]。而通过采集人体的实际运动轨迹，再把运动学数据输入到理论模型中进行仿真和优化的新方法，为理解和探索下肢关节损伤机制提供新的理论优化[38,39]。

多年来，虽针对运动员侧切变向和落地缓冲引起的下肢关节损伤的生物力学机制研究一直受到人们广泛的关注与讨论[8,28,29,40-42]，但大多是将侧切跑和落地缓冲作分为两动作研究，所以将两动作结合有关的下肢关节运动学、动力学策略并没有得到足够的重视和认识。毕竟在多数运动项目中，跳跃落地后并没有充足的时间做缓冲且并非原地不动的，所以本研究着重以人体在0.4m高度下落为出发点，详细探讨在一定高度下落后启动侧切(LSC)与平地助跑侧切(SC)，左腿(侧切蹬伸腿)矢状面内各个关节ROM、关节角速度、关节力矩、关节功率峰值和GRF峰值的差异。本研究主要发现：①采用LSC动作踝、膝关节ROM和关节角速度显著增加。②两侧切髋关节角度有着截然相反的表现：整个过程，SC髋关节屈角呈下降趋势，而LSC髋关节屈角先增大后减小。③LSC的踝、髋关节力矩、功率呈现显著提高。而LSC膝关节力矩峰值虽高于SC，但关节功率峰值较SC有所降低。④地面反作用力方面：LSC在水平向后、垂直向上地反峰值及峰值加载率有明显的增加，水平向右地反无明显差异。

人们通常在触地后利用下肢关节屈曲和肌肉活动来减缓身体向下的加速度，而为了降低关节承载负荷，保持下肢紧张及躯干稳定[4,17]，因此在采用落地启动完成侧切，运动员也会采用增大下肢踝、膝关节ROM方式耗散、缓冲来自地面的反力冲击，这与前人研究结论相似[43,44]。但髋关节却相反，不仅关节ROM没有增大反而减小，这是因为平地助跑侧切在触地瞬间即形成半屈姿势，随后一直保持更伸展的髋关节角度完成整个侧切，落地侧切虽有小幅的髋关节屈曲与伸展，但这极有可能只是帮助耗散踝、膝关节未完全耗散的地面反作用力而产生的被动屈髋，这也有可能是为了保持腾空状态时身体矢状面上的相对平衡而未提前屈髋。另外，LSC在动作过程中其下肢踝、膝和髋关节角速度峰值均大于SC(表2)，这表明在侧切前，人体希望通过加快下肢关节的屈曲来主动应对落地带来的冲击能量，因为增加人体下肢关节角速度可以减小落地过程承受的GRF[10]。值得注意的是(图2)，LSC的踝关节角速度由背曲到跖屈的转换比SC更为迅速，且在低速阶段保持时间较长，这种差异可能是由于踝关节作为三关节首要受力关节，在落地启动中第一时间承受了较大的反力冲击而加快了关节角速度且保持更长时间的关节紧张(低速阶段)为接下来的向前移动积攒更多、更稳定的势能做准备。

由于人体下肢肌肉骨骼系统具有缓冲减震的功能，所以在整个触地时段其踝、膝和髋关节作用力峰值逐渐减小，且峰值出现时间不同分别延迟到达冲击力峰值的时间[45]。以往研究都显示腾空落地较跑动触地时下肢所受冲击负载更大，同时本研究两相比较也明显发现LSC下肢关节力矩峰值，踝、髋关节功率峰值更高。至于LSC膝关节功率为何较低，推测与踝、髋关节对缓冲贡献较多有关，(图5)表现出的踝、髋关节力矩峰值、关节功率峰值远高于SC。有趣的是，LSC以更大的膝关节力矩完成侧切时，相反关节功率峰值却略低于SC。不难发现(表2)由于LSC整个过程所耗帧数(时间)显著长于SC，膝关节应对缓冲时间更长致使功率稍低于SC。但总体上，无论从关节力矩峰值或关节功率峰值来看，完成LSC下肢所承受的冲击负载更大。

水平向后的地面反作用力峰值是膝关节负载的重要来源，也是膝关节受伤的危险因素[29,46]。着地瞬间的向后地反第一峰值越大、膝角越小，ACL损伤的风险越大[8,40,47,48]，本研究测试结果显示，LSC在1.20%～4.08%阶段内出现的向后地面反第一峰值以峰值及加载率显著大于SC(P=0.024)、(P<0.001)，致使膝关节角度、角速度和伸膝力矩增加，而膝关节矢状面负荷是ACL损伤的主要来源，这提示落地后的变向启动会增加膝关节载荷。ACL最大张力发生在VGRF峰值时刻[49,50]，即最容易发生ACL损伤的时刻，LSC所受VGRF峰值在1.86%～4.60%和14.76%～29.25%两阶段均高于SC(P=0.026)、(P<0.001)，越大的VGRF，对ACL造成的损伤风险越大[51-53]。在触地期间VGRF的增加会增加股四头肌的收缩力从而增加膝关节、关节韧带负荷[10]，较高的VGRF和VGRF耗散不足也可能增加ACL的损伤风险[54,55]。这些指标与水平向后地反力相同，都是致使落地后变向启动发生膝关节损伤的危险因素。不可忽视的一点：致使膝关节发生关节外展的水平向右地面反作用力并无显著差异，而水平向右地反一直以来被认为是平地侧切变向中致使ACL损伤发生的主要危险因素之一，LSC的反力峰值和峰值加载率与其表现相似，这可能依然提示着水平向右地反力同样也是LSC发生膝关节损伤的危险因子。

本研究在表面肌电相关技术(sEMG)上有所欠缺，分析股四头肌以及腘绳肌等肌肉活动特征对分析侧切动作同样具有重要意义，肌电图数据在后续研究中应予以考虑。其次，此次实验对象未包括女性足球运动员以及其他项目运动员，不同项目的男性和女性运动员在此两种侧切过程中可能存在差异[4,56]，因此，在今后的研究中应考虑不同人群以及性别差异研究。

4 结 论

落地后启动侧切的变向方式，虽然降低了膝关节功率，但其余所有运动学、动力学及GRF指标都显示下肢关节所承受的损伤风险更高，尤其是踝关节和膝关节。踝关节的高功率和跖屈肌的持续紧张、伸膝力矩和三维地反的显著提高，使得该动作比本就充满高损伤风险的平跑侧切损伤风险更高。建议此动作较多的运动项目，教练员及运动员要更加注意对下肢关节的保护和弱势肌肉、肌群肌力的加强，降低运动损伤风险，远离伤病。