2種復(fù)合運(yùn)動(dòng)著陸瞬間膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特征分析

孟慶華，鮑春雨，孟清華

（天津體育學(xué)院 1.體育文化傳媒系，2.體育訓(xùn)練一系，3.天津市運(yùn)動(dòng)生理與運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300381）

2種復(fù)合運(yùn)動(dòng)著陸瞬間膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特征分析

孟慶華1，3，鮑春雨2，3，孟清華3

（天津體育學(xué)院 1.體育文化傳媒系，2.體育訓(xùn)練一系，3.天津市運(yùn)動(dòng)生理與運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300381）

通過(guò)運(yùn)用動(dòng)作捕捉系統(tǒng)和三維測(cè)力臺(tái)對(duì)受試者規(guī)定完成的復(fù)合動(dòng)作進(jìn)行動(dòng)作采集，分別得到運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行整理分析.結(jié)果表明，復(fù)合動(dòng)作Ⅰ（跑動(dòng)急停單腳起跳雙腳落地）和復(fù)合動(dòng)作Ⅱ（跑動(dòng)急停雙腳起跳雙腳落地）相比，急停落地過(guò)程中具有更小的膝關(guān)節(jié)屈曲角度，更大的向后及垂直地面反作用力，較大的膝關(guān)節(jié)伸展力矩及膝關(guān)節(jié)剪切力容易導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶的損傷.

膝關(guān)節(jié)；著陸瞬間；起跳；生物力學(xué)特征

單腳和雙腳的急停起跳技術(shù)在排球、籃球和手球等運(yùn)動(dòng)中很常見(jiàn)，并且在這些運(yùn)動(dòng)中，前交叉韌帶的損傷也頻繁發(fā)生[1-4].急停起跳的著陸階段給下肢特別是前交叉韌帶帶來(lái)了顯著的損傷風(fēng)險(xiǎn)[5]299.一系列的研究表明，大多數(shù)運(yùn)動(dòng)性的前交叉韌帶損傷發(fā)生在著陸、迅速減速和突然變向等非接觸性的條件下[2，6].本文通過(guò)分析天津體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練專業(yè)在校大學(xué)生在常見(jiàn)的體育運(yùn)動(dòng)中跳躍動(dòng)作著陸瞬間膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)數(shù)據(jù)，得出生物力學(xué)特征，研究膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)機(jī)制.為指導(dǎo)大學(xué)生科學(xué)地進(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)，選擇合適的動(dòng)作，減少膝關(guān)節(jié)及其韌帶損傷提供理論依據(jù).

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

選取天津體育學(xué)院在校運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練專業(yè)學(xué)生20名（專項(xiàng)水平達(dá)國(guó)家二級(jí)運(yùn)動(dòng)員水平）為研究對(duì)象，其基本情況見(jiàn)表1.所有受試對(duì)象在實(shí)驗(yàn)前1個(gè)月內(nèi)無(wú)膝關(guān)節(jié)損傷，且挑選具有相同優(yōu)勢(shì)腿的運(yùn)動(dòng)員（起跳腿同為左腿）.

表1 受試者基本情況

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

通過(guò)運(yùn)用Vicon動(dòng)作捕捉系統(tǒng)和Kistler三維測(cè)力臺(tái)9281B對(duì)受試者規(guī)定完成的復(fù)合動(dòng)作進(jìn)行動(dòng)作采集，分別得到運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析.分析在校大學(xué)生在常見(jiàn)體育運(yùn)動(dòng)中急停跳躍動(dòng)作著陸瞬間膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)數(shù)據(jù)和生物力學(xué)特征，研究膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)機(jī)制.為指導(dǎo)大學(xué)生科學(xué)的進(jìn)行體育運(yùn)動(dòng)，減少膝關(guān)節(jié)及其韌帶損傷提供理論依據(jù).

2種動(dòng)作包括：Ⅰ單腿急停單腳起跳落地模式（跑動(dòng)急停單腳起跳雙腳落地）；Ⅱ跑動(dòng)急停雙腳起跳落地模式（跑動(dòng)急停雙腳起跳雙腳落地）.

1.3 數(shù)據(jù)處理

由于急停起跳造成的損傷主要出現(xiàn)在急停過(guò)程中，所以本文主要對(duì)急停起跳第一次著地過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.應(yīng)用SPSS13.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件與Microsoft Office Excel 2007分析數(shù)據(jù)，結(jié)果用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，以獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)的方法比較兩組間及兩動(dòng)作間的差異性，顯著水平P<0.05.

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合動(dòng)作Ⅰ和復(fù)合動(dòng)作Ⅱ運(yùn)動(dòng)學(xué)變化特征對(duì)比

復(fù)合動(dòng)作Ⅰ和復(fù)合動(dòng)作Ⅱ運(yùn)動(dòng)學(xué)變化特征對(duì)比情況見(jiàn)表2.由表2可見(jiàn)，在矢狀面內(nèi)，復(fù)合動(dòng)作Ⅰ和復(fù)合動(dòng)作Ⅱ在起跳腳著地時(shí)刻（P=0.017），向后反作用力峰值時(shí)刻（P<0.01），垂直反作用力峰值時(shí)刻（P<0.01），開(kāi)始蹬地時(shí)刻（P<0.01）以及起跳蹬伸離地時(shí)刻（P=0.021）膝關(guān)節(jié)角度都具有顯著性差異，而且復(fù)合動(dòng)作Ⅰ的習(xí)慣屈曲角度都較?。辉陬~狀面內(nèi)，只有在起跳腳著地時(shí)刻，膝關(guān)節(jié)角度具有顯著性差異（P=0.040）且復(fù)合動(dòng)作Ⅱ的外翻角度較大.

表2 復(fù)合動(dòng)作Ⅰ和復(fù)合動(dòng)作Ⅱ運(yùn)動(dòng)學(xué)變化特征對(duì)比

2.2 復(fù)合動(dòng)作Ⅰ和復(fù)合動(dòng)作Ⅱ動(dòng)力學(xué)變化特征對(duì)比

復(fù)合動(dòng)作Ⅰ和復(fù)合動(dòng)作Ⅱ動(dòng)力學(xué)變化特征對(duì)比見(jiàn)情況表3.由表3可見(jiàn)，在復(fù)合動(dòng)作Ⅰ和復(fù)合動(dòng)作Ⅱ的動(dòng)力學(xué)比較方面，其在向后地面反作用力峰值（P<0.01），垂直地面反作用力峰值（P<0.01），著地膝關(guān)節(jié)力（P=0.033），著地膝關(guān)節(jié)力（P<0.01）以及著地膝關(guān)節(jié)力（P<0.01）方面均具有顯著性差異，并且復(fù)合動(dòng)作Ⅰ在數(shù)值上均大于復(fù)合動(dòng)作Ⅱ.

表3 復(fù)合動(dòng)作Ⅰ和復(fù)合動(dòng)作Ⅱ動(dòng)力學(xué)變化特征對(duì)比

2.3 復(fù)合動(dòng)作Ⅰ和復(fù)合動(dòng)作Ⅱ運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特征比較

急停起跳的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)特征的研究對(duì)于下肢損傷的預(yù)防意義重大[5]302，且有研究發(fā)現(xiàn)單腿落地過(guò)程中前交叉韌帶損傷的風(fēng)險(xiǎn)更高[3]1008.但對(duì)單腳急停起跳及雙腳急停起跳這2種常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)方式著陸過(guò)程中的下肢損傷風(fēng)險(xiǎn)對(duì)比研究較少.有研究發(fā)現(xiàn)，地面反作用力與下肢負(fù)荷成正比關(guān)系[7-9]，并且有一些研究對(duì)比了單腿落地及雙腿落地過(guò)程中地面反作用力的特征[10-11].Pappas[10]等研究發(fā)現(xiàn)，從0.4 m高臺(tái)落下時(shí)，單腿落地過(guò)程中的垂直地面反作用力峰值要高于雙腿落地動(dòng)作；Yeow[11]等研究也具有類似的結(jié)果，從0.3 m及0.6 m的高臺(tái)跳下時(shí)，單腿落地比雙腿落地具有更高的地面反作用力峰值.本研究結(jié)果（見(jiàn)表3）與上述結(jié)論相近，單腿落地具有更大垂直地面反作用力，繼而具有較大的膝關(guān)節(jié)負(fù)荷.

落地過(guò)程中膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征是影響地面反作用力的重要因素.Malinzak[12]及YU[5]發(fā)現(xiàn)落地過(guò)程中較小的膝關(guān)節(jié)屈曲角度將會(huì)增加前交叉韌帶的負(fù)荷.由本研究結(jié)果（見(jiàn)表2）可見(jiàn)，單腿急停起跳在急停著陸瞬間的膝關(guān)節(jié)屈曲角度較小，并且在第一次著陸過(guò)程中的向后地面反作用力及垂直地面反作用力明顯高于雙腿急停起跳動(dòng)作，提示單腿急停起跳比雙腿急停起跳的下肢前交叉韌帶損傷風(fēng)險(xiǎn)更高.

非接觸性前交叉韌帶損傷的產(chǎn)生是由于前交叉韌帶受到強(qiáng)烈的拉力造成的[13]，而脛骨向前的剪切力是導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶拉力產(chǎn)生的最主要因素.由本研究結(jié)果（見(jiàn)表3）可見(jiàn)，單腿落地過(guò)程中膝關(guān)節(jié)力（脛骨剪切力）明顯高于雙腿落地，單腳和雙腳急停起跳在著陸階段的動(dòng)力學(xué)特征是有顯著性差異的.單腳急停起跳與雙腳急停起跳相比，在著陸階段會(huì)表現(xiàn)出更大的脛骨前側(cè)向剪切峰值力.這也是推測(cè)單腳的急停起跳對(duì)ACL損傷有更高風(fēng)險(xiǎn)的緣由.

在急停起跳動(dòng)作的急停落地過(guò)程中向后地面反作用力似乎是影響膝關(guān)節(jié)伸展力矩的一個(gè)重要因素，YU[5]的研究也指出，向后地面反作用力峰值和膝關(guān)節(jié)落地過(guò)程中的伸展力矩成正比關(guān)系.在落地過(guò)程中較高的膝關(guān)節(jié)向后地面反作用力導(dǎo)致較大的膝關(guān)節(jié)伸展力矩，由本研究結(jié)果（見(jiàn)表3）可見(jiàn)，單腿急停起跳具有更高的向后地面反作用力，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致較大的膝關(guān)節(jié)伸展力矩及較大的膝關(guān)節(jié)剪切力，容易造成前交叉韌帶的損傷.

3 結(jié)論

綜上所述，復(fù)合動(dòng)作Ⅰ和復(fù)合動(dòng)作Ⅱ相比，急停落地過(guò)程中具有更小的膝關(guān)節(jié)屈曲角度，更大的向后及垂直地面反作用力，較大的膝關(guān)節(jié)伸展力矩及較大的膝關(guān)節(jié)剪切力，容易導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶的損傷.

[1]ANDREA FERRETTI M，PAOLA PAPANDREA M，F(xiàn)ABIO CONTEDUCA M，et al.Knee ligament injuries in volleyball players [J].American Journal of Sports Medicine，1992（2）：203-207

[2]GRIFFIN L Y，AGEL J，ALBOHM M J，et al.Noncontact Anterior Cruciate Ligament Injuries：Risk Factors and Prevention Strategies [J].The Journal of the American Academy of Orthopaedic Surgeons，2000（3）：141-150

[3]ODD-EGIL OLSEN P，MSC，GRETHE MYKLEBUST P，et al.Injury mechanisms for anterior cruciate ligament injuries in team handball：a systematic video analysis [J].American Journal of Sports Medicine，2004（4）：1002-1012

[4]P R，A L，E A，et al.Non-contact ACL injuries in female athletes：an International Olympic Committee current concepts statement [J].British Journal of Sports Medicine，2008（6）：394-412

[5]YU B，LIN C F，GARRETT W E.Lower extremity biomechanics during the landing of a stop-jump task [J].Clinical Biomechanics，2006（3）：297-305

[6]BP B，GS D，JAJR F，et al.Mechanisms of anterior cruciate ligament injury [J].ORTHOPEDICS，2000（6）：573-578

[7]MCNITT-GRAY J L.Kinematics and Impulse Characteristics of Drop Landing From Three Heights [J].International Journal of Sport Biomechanics，1991，7（2）：201-224

[8]RADIN E L，YANG K H，RIEGGER C，et al.Relationship between lower limb dynamics and knee joint pain [J].J Orthop Res，1991，9（3）：398-405

[9]SHELBURNE K B，PANDY M G，TORRY M R.Comparison of shear forces and ligament loading in the healthy and ACL-deficient knee during gait [J].J Biomech，2004，37（3）：313-319

[10]PAPPAS E，HAGINS M，SHEIKHZADEH A，et al.Biomechanical differences between unilateral and bilateral landings from a jump：gender differences [J].Clin J Sport Med，2007，17（4）：263-268

[11]YEOW C H，LEE P V，GOH J C.Sagittal knee joint kinematics and energetics in response to different landing heights and techniques [J].Knee，2010，17（2）：127-131

[12]MALINZAK R A，COLBY S M，KIRKENDALL D T，et al.A comparison of knee joint motion patterns between men and women in selected athletic tasks [J].Clin Biomech （Bristol，Avon），2001，16（5）：438-445

[13]YU B，GARRETT W E.Mechanisms of non-contact ACL injuries [J].Br J Sports Med，2007，41：47-51

Biomechanical characteristics of knee joint in two kinds of composite movement

MENG Qing-hua1，3，BAO Chun-yu2，3，MENG Qing-hua3

（1.Department of Sport Culture Media，2.Department of No.1 Physical Education and Training，3.Tianjin Key Laboratory of Exercise Physiology and Sports Medicine，Tianjin University of Sport，Tianjin 300381，China）

By using motion capture system and three-dimensional force platform，the complex movements of the subjects were collected，and the data of kinematics and dynamics were obtained respectively.The results show that the composite actionⅠ（running stop foot jump landing on both feet）and compound actionⅡ（stop running feet take-off vertical landing）compared to stop the knee flexion angle has smaller landing process，more backward and vertical ground reaction force，the larger the knee extension torque and larger knee the joint shear force，easily lead to the ACL injury.

knee joint；moment of landing；take off；biomechanical characteristics

G804.6

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.12.014

2016-09-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11372223，11102135）；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目（14JCYBJC29300，13JCYBJC25000）

孟慶華（1975-），女，黑龍江雞西人，教授，博士，主要從事運(yùn)動(dòng)仿真研究.E-mail：745112962@qq.com

1007-9831（2016）12-0055-04