3種常見評估前交叉韌帶損傷風險落地動作的對比研究

周志鵬，曲峰

3種常見評估前交叉韌帶損傷風險落地動作的對比研究

周志鵬1，2，曲峰1

目的:探討3種常用于評估前交叉韌帶（ACL）損傷風險的落地測試動作（DL、DVJ和FVJ）之間的差異。方法:通過采用8鏡頭紅外光點運動捕捉系統(tǒng)和2塊三維測力臺，同步采集由11名健康男性受試者完成的3種不同落地測試動作，并對下肢的運動學和動力學參數(shù)進行統(tǒng)計分析。結(jié)果:3種不同落地動作之間存在較大的差異:（1）DL觸地時刻的屈髖和屈膝角較小，最大屈髖、屈膝和踝跖屈角較小，重心緩沖距離較短，最大地面反作用力和下肢剛度較大；（2）DVJ的最大踝背屈角較大，最大地面反作用力和下肢剛度較??；（3）FVJ觸地時刻的屈髖和屈膝角較大，最大屈髖和屈膝角較大，最大伸髖和伸膝力矩較大。結(jié)論:3種測試動作在多項運動學和動力學指標之間存在較大的差異，F(xiàn)VJ存在相對更大的ACL損傷風險，其次為DL；較為僵硬的落地方式可增大ACL損傷的風險，在落地時應采用更為柔軟的落地策略；為更好地識別與評估ACL損傷的風險因素及理解其損傷的發(fā)病機制，建議在今后進行ACL損傷風險評估及傷病預防的相關(guān)研究中可優(yōu)先采用標準化的FVJ測試動作。

前交叉韌帶損傷；跳躍落地動作；運動生物力學特征

前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）損傷是一項十分常見的運動損傷[1-2]，且常發(fā)生在各種落地（landing）[3-4]、側(cè)切（cutting）[5-7]及急停起跳（stop-jump）[6，8-9]等動作的支撐階段[10]。研究表明，大約80%的ACL損傷為非接觸性損傷[11]，因此學者認為通過對其損傷危險因素及發(fā)病機制的研究，有助于對不合理的運動模式進行調(diào)整和訓練（如增大落地時的屈膝、屈髖角[12]，加強核心區(qū)力量訓練[13]等），從而達到降低損傷發(fā)病的目的。

落地支撐是體育運動中的一個基本動作，在大多球類項目中，各種跳躍落地的動作使用尤其頻繁。良好的落地技巧有助于機體更好地緩沖和吸收地面沖擊能量，同時有利于控制身體平衡和降低下肢損傷風險；而僵硬的落地動作則會導致更大的地面沖擊力，增大下肢關(guān)節(jié)和韌帶的負荷，并使ACL損傷的風險增加[14]。因此，采用落地測試動作來對運動員或普通健身者的運動模式進行運動生物力學診斷與評估，可有助于識別其可能存在的ACL損傷風險，從而為制訂有針對性的損傷預防方案提供參考。

目前，常用于評估ACL損傷風險的落地測試動作包括3類:平臺落地支撐（drop landing，DL）[4，15-16]、平臺落地反跳（drop vertical jump，DVJ）[17-18]和平臺前跳落地反跳（forward vertical jump，F(xiàn)VJ）[19-20]等。然而，以往的研究大多只采用了1種測試方案，這也導致不同研究結(jié)果的部分生物力學指標出現(xiàn)了一定的差異。如DECKER[15]和HUSTON[16]等人通過DL的測試發(fā)現(xiàn)，觸地時的屈膝角女子小于男子，而CORTES[18]等人通過DVJ的測試卻發(fā)現(xiàn)落地時的屈膝角男女之間并無差別。分析產(chǎn)生差異的原因可能與測試動作的任務要求不同有關(guān)，如DL僅需落地站穩(wěn)即可，而DVJ和FVJ需先落地緩沖再立即作原地縱跳，因此可能會改變?nèi)梭w的運動模式，但這不利于對ACL損傷風險因素進行更好地識別與評估。因此，本研究以3種（DL、DVJ和FVJ）常用評估ACL損傷風險的測試動作為任務，對比不同測試動作中可能存在的損傷風險指標，分析不同測試動作對評估損傷風險敏感性的差異，從而為后續(xù)進行ACL損傷風險識別與評估及傷病預防的相關(guān)研究提供參考。

1 研究對角與方法

1.1 測試對象

招募11名普通健康男性體育大學生，年齡（23.6±1.7）歲；身高（1.73±0.04）m；體質(zhì)量（66.7±3.9）kg。受試者選擇標準:近1年內(nèi)無頭部及下肢嚴重損傷，近3個月無急性下肢損傷；每周運動3次以上；無心肺疾??；試驗前48 h未從事劇烈運動。正式試驗之前，告知受試者具體試驗過程，并簽署知情同意書。

1.2 試驗方案

受試者穿著統(tǒng)一配備的慢跑鞋、緊身衣，佩戴泳帽，先進行5 min的慢跑熱身，再做充分的下肢肌肉拉伸，熱身結(jié)束后由專人講解并示范測試動作，并讓受試者充分練習至自我習慣為止。

所有受試者的3種不同方案落地測試動作（見圖1）采用隨機順序進行。（1）DL:受試者從緊貼測力臺邊緣高30 cm的平臺上，由靜止直立姿勢（兩腳分開與肩同寬）開始，向前方雙腳起跳，并分別同時踏落在各一塊測力臺上迅速支撐站穩(wěn)，再恢復至直立姿勢為止。（2）DVJ:啟動姿勢同DL，受試者在落地后需無停頓迅速作最大用力原地縱跳（為達到最大起跳高度，要求受試者落地緩沖時自由擺臂向下，起跳時用力作向上擺臂動作）。（3）FVJ:受試者從距離測力臺邊緣70 cm[21]高30 cm的平臺上，由靜止直立姿勢開始，向測力臺中心雙腳同時起跳，并分別落在各一塊測力臺上，落地后再迅速作最大用力原地縱跳（擺臂動作要求同DVJ）。所有測試動作要求起跳和落地時均面向正前方，落地時如失去平衡、軀干出現(xiàn)過度晃動或有多余的跳躍動作等均視為失敗。為避免產(chǎn)生疲勞，每次測試之間休息1 min，每人每個位置測試動作需采集各3次有效數(shù)據(jù)并均用于最后的數(shù)據(jù)分析（取平均值）。

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

圖1 三種不同方案落地測試動作示意圖Figure1Three Jump Landing Tasks

測試時受試者身上粘貼29個紅外反光點（頭頂，頭前/后，左/右肩峰，左/右肱骨外上髁，左/右尺骨莖突與橈骨莖突中點，右側(cè)肩胛骨，左/右髂前上棘，第四、五腰椎棘突中點，左/右大腿前側(cè)，左/右股骨外側(cè)髁和內(nèi)側(cè)髁，左/右脛骨粗隆，左/右內(nèi)外踝，左/右足跟，左/右足尖），通過8鏡頭紅外高速運動捕捉系統(tǒng)（Motion Analysis Raptor-4，USA，200 Hz）和2塊三維測力臺（Kistler 9281CA，Switzerland，1 000 Hz）同步采集運動學和動力學數(shù)據(jù)，標定空間為測力臺上方4.0 m×2.5 m×3.0 m的范圍。采用Motion Analysis Cortex軟件（Version 2.6.2，USA）對所有標志點的三維坐標采用4階巴特沃斯法進行平滑（截斷頻率為13.3 Hz[22]），并根據(jù)標志點坐標建立人體環(huán)節(jié)坐標系[23-24]，采用歐拉角的方法計算髖、膝、踝的三維角度，關(guān)節(jié)凈力矩的計算采用逆動力學的方法，其中人體慣性參數(shù)和人體質(zhì)心的計算采用DE LEVA[25]修正后的Zatsiorsky-Seluyanov人體慣性參數(shù)計算方法。測試動作分析從受試者雙腳接觸測力臺瞬間，垂直地面反作用力大于10 N[26]開始，DVJ和FVJ動作截止至測力臺力值減小至10 N[26]以下為止，DL動作截止至恢復直立站立為止。

所有數(shù)據(jù)均提取受試者優(yōu)勢側(cè)（定義為踢球時選擇作為踢球腿的一側(cè)下肢，本研究中均為右側(cè)），其中地面反作用力和下肢剛度[27]采用體重（BW）進行標準化，關(guān)節(jié)力矩和關(guān)節(jié)剛度[27]采用體質(zhì)量（kg）進行標準化。

1.4 統(tǒng)計分析

采用SPSS 19.0軟件對所有數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，利用單因素重復測量方差分析法來對結(jié)果進行統(tǒng)計學分析，自變量為3種不同方案落地測試動作，因變量為下肢各生物力學指標，后續(xù)兩兩比較采用LSD法，顯著性水平設為0.05，所有數(shù)據(jù)采用平均值±標準差表示。

2 研究結(jié)果

3種不同方案落地測試動作結(jié)果表明（見表1、圖2、3、4），在著地時刻髖關(guān)節(jié)屈角DL＜DVJ＜FVJ（F（2，9）=62.12，P＜0.001），膝關(guān)節(jié)屈角DVJ和FVJ要大于DL（F（2，9）=31.10，P＜0.001），而踝關(guān)節(jié)跖屈角三者之間無顯著性差異（F（2，9）=2.23，P=0.16）；在緩沖階段，最大屈髖角DL＜DVJ＜FVJ（F（2，9）=27.82，P＜0.001），最大屈膝角DVJ和FVJ要大于DL（F（2，9）=12.19，P=0.003），而踝關(guān)節(jié)背屈角DL和FVJ要小于DVJ（F（2，9）=7.97，P=0.01）；在落地緩沖階段，最大伸髖力矩DL＜DVJ＜FVJ（F（2，9）=16.00，P= 0.001），最大伸膝力矩FVJ要大于DL和DVJ（F（2，9）=4.60，P= 0.042），而踝跖屈力矩三者之間無顯著性差異（F（2，9）=3.74，P= 0.066）。

表1 落地緩沖階段下肢關(guān)節(jié)角度和力矩的比較Table1Lower Extremity Angles and Torques During Landing Phase of Three Tasks

圖2 落地階段髖關(guān)節(jié)屈伸角度變化曲線Figure2Curves of Hip Flexion Angles During Landing Phase

圖3 落地階段膝關(guān)節(jié)屈伸角度變化曲線Figure3Curves of Knee Flexion Angles During Landing Phase

圖4 落地階段踝關(guān)節(jié)跖屈背屈角度變化曲線Figure4Curves of Dorsi Flexion and Plantar Flexion Angles During Landing Phase

3種不同方案落地測試動作中（見表2），重心落地緩沖距離DL要小于DVJ和FVJ（F（2，9）=10.49，P=0.004）；在落地緩沖階段，最大垂直地面反作用力DVJ要明顯小于DL和FVJ（F（2，9）= 12.81，P=0.002），而最大垂直地面反作用力加載率則表現(xiàn)為DVJ＜DL＜FVJ（F（2，9）=19.10，P=0.001）；對于下肢剛度而言，則表現(xiàn)為DL＞FVJ＞DVJ（F（2，9）=7.83，P=0.011）；而從關(guān)節(jié)剛度結(jié)果來看，髖關(guān)節(jié)剛度（F（2，9）=2.42，P=0.145）、膝關(guān)節(jié)剛度（F（2，9）=1.48，P=0.278）和踝關(guān)節(jié)剛度（F（2，9）=2.69，P=0.121）3者之間均無顯著性差異。

表2 落地緩沖階段地面反作用力、下肢剛度和關(guān)節(jié)剛度的比較Table 2GRF，Leg Stiffness and Joint Stiffness During Landing Phase

3 分析討論

研究認為，下肢矢狀面的生物力學是ACL受力及發(fā)生損傷的主要影響因素[12，28]。因此，本研究主要從下肢矢狀面的生物力學指標來對3種不同落地動作進行比較，結(jié)果表明，多項運動學和動力學指標在3種落地測試動作之間存在較大的差異。

本研究結(jié)果顯示，受試者完成3種落地測試動作時所采用的著地姿勢有顯著差異，著地時刻的屈髖和屈膝角DL要小于DVJ和FVJ。研究表明，在著地緩沖過程中，較小的屈膝角、較小的屈髖角、較大的地面反作用力等均可增大ACL所受的負荷及損傷的風險[33-34]。著地時采用較小的屈髖角會增大股四頭肌的激活水平，從而增加對脛骨的向前剪切力，導致ACL損傷風險有所增大[29]；當膝關(guān)節(jié)屈曲角度較小時（＜30°），ACL所受到的牽拉負荷明顯較屈膝角較大時有所增大[30]；屈膝角每減小1度，還可增大約68 N（0.1 BW）的垂直地面反作用力[31]。而增大著地階段髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的屈曲角度，可有助于落地時沖擊能量的吸收和減少ACL所受的負荷，從而降低其損傷的風險[3]；且增大膝關(guān)節(jié)的屈曲角度，還有利于更好地激活股后肌群，協(xié)助穩(wěn)定脛骨，減少動作中的脛骨前移，降低脛骨的向前剪切力，從而減少對ACL的拉扯[32]；當膝關(guān)節(jié)屈曲角超過60°時，ACL所受的負荷可顯著降低[33-34]。從本研究結(jié)果來看，著地時刻3種落地測試動作中的屈膝角均小于30°，提示可能均具有一定的ACL損傷風險；對比本研究中受試者所完成的3種測試動作而言，落地時均采用了相對較為僵硬的落地姿勢（較小的屈髖、屈膝角），尤其是DL所采用的姿勢可能存在更大的損傷風險，這也提示對于今后的損傷預防訓練而言，應加強落地姿勢的身體功能訓練（采用柔軟的落地策略，如增大膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)屈角等）。

在本研究中，雖然3種落地測試動作均從30 cm高的平臺跳落，但最大垂直地面反作用力DVJ要小于DL和FVJ，最大垂直地面反作用力加載率DVJ＜DL＜FVJ，這提示對于同樣高度跳躍落地的沖擊性落地動作而言，著地后所受到的沖擊能量不僅與觸地瞬間的身體姿勢有關(guān)，還可能與著地后身體姿勢的變化相關(guān)。研究指出，改變著地時的身體姿勢，對于沖擊力轉(zhuǎn)移階段的能量消耗或轉(zhuǎn)換可起到重要的作用，如增大膝關(guān)節(jié)在著地后的最大屈曲角度，可有效降低著地后的地面沖擊力[34]。本研究中，受試者在完成DL測試動作時，由于身體重心向下緩沖距離較短，最大屈膝和屈髖角度也均較小，且由于觸地時身體又處在較為直立的姿勢。因此，在著地后并不能有效地將地面沖擊能量進行轉(zhuǎn)移，從而導致完成DL動作時的下肢剛度亦較高，這也進一步提示相較于DVJ和FVJ而言，采用較為僵硬的著地方式可能會增大下肢關(guān)節(jié)和ACL的負荷，引起損傷風險的增大。而對比DVJ和FVJ兩種落地測試動作來看，雖然在觸地時刻的屈膝角和踝跖屈角并無顯著差異，身體重心緩沖距離和最大屈膝角之間也無明顯差別，但完成FVJ動作時的最大垂直地面反作用力、最大垂直地面反作用力加載率和下肢剛度等卻要明顯高于DVJ，分析其原因可能與落地緩沖階段FVJ的踝關(guān)節(jié)背屈活動幅度較小有關(guān)。研究認為，在跳躍落地時，為了可承受著地初期較大的地面沖擊力，踝關(guān)節(jié)必須要有較大的活動幅度[35]。在著地初期，踝關(guān)節(jié)周圍的肌肉會首先激活，其次是膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)周圍的肌肉組織[36]；觸地后，通過更多的踝關(guān)節(jié)周圍肌肉組織和被動組織結(jié)構(gòu)（軟骨、韌帶等）的活動來吸收較多的能量，將有助于減少下肢損傷的風險[37]。因此，增大踝關(guān)節(jié)跖屈和背屈的活動幅度，不僅可為踝關(guān)節(jié)提供更大的緩沖減震能力，還有利于降低對ACL和下肢關(guān)節(jié)的沖擊負荷，從而降低損傷的風險[15]。在本研究中，DL和FVJ在緩沖階段的踝關(guān)節(jié)背屈活動相對較小，尤其是完成DL動作時，由于觸地時的身體姿勢已相對較為僵硬（較小的屈髖、屈膝角），而緩沖階段又未能作更大幅度的屈髖屈膝及踝背屈活動，導致地面沖擊能量不能有效吸收，使得完成該動作時可能存在的ACL損傷風險相對較大；而FVJ較DVJ存在較大的ACL損傷風險（較大的地面反作用力和下肢剛度等）可能與FVJ在緩沖階段較小的踝關(guān)節(jié)背屈活動有關(guān)。以上均提示在今后的ACL損傷預防訓練中，還應加強落地時踝關(guān)節(jié)的功能訓練（如強化踝關(guān)節(jié)背屈活動等）。

從本研究落地緩沖階段的最大伸展力矩結(jié)果來看，3種落地測試動作對機體的動員水平呈現(xiàn)逐漸遞進的關(guān)系，完成DL動作對機體的要求相對較低，而FVJ對機體的動員水平相對較高，出現(xiàn)以上結(jié)果的原因與3種落地測試動作的難度大小不同有關(guān)。由于FVJ動作時的落地點相對較遠（離測力臺70 cm），其測試動作要求不僅要在水平方向上進行有效地制動緩沖，同時還需立即完成后續(xù)的原地縱跳，因此會激活更多的下肢伸肌肌群活動，從而產(chǎn)生較大的伸展力矩；同樣，DVJ與DL動作相比，也需在落地緩沖的基礎上立即完成后續(xù)的原地縱跳，因此下肢伸肌活動的要求也較DL有所增加。而以往的研究表明，下肢在制動過程中，較大的伸膝力矩可顯著增大對ACL的牽拉負荷，從而增加損傷的風險[8，12，28]。從本研究結(jié)果來看，F(xiàn)VJ的最大伸膝力矩顯著高于DL和DVJ，這也提示其ACL損傷的風險可能相對較高；而對比DL和DVJ 2種落地動作來看，雖然DVJ對機體的要求相對更高，但伸膝力矩兩者之間并無顯著差異，而較大的伸膝力矩合并較小的屈膝角，可顯著增大脛骨近端向前的剪切力，從而增大ACL的牽拉負荷和損傷風險[28]，因此，對于這2種落地動作而言，DL的損傷風險可能更大。以上結(jié)果提示落地時如能采用較為柔軟的落地策略（如增大屈髖、屈膝角和踝關(guān)節(jié)背屈活動等），可能有助于降低地面沖擊能量和減少下肢關(guān)節(jié)及韌帶的負荷，從而有利于降低ACL損傷的風險。

綜上所述，本研究受試者完成以上3種常用于評估ACL損傷風險的落地動作在多項運動學和動力學指標上出現(xiàn)了較大的差異，分析其原因可能與不同測試動作本身存在的差異（3種測試動作對機體的難度要求為DL＜DVJ＜FVJ）及機體采用了不同的落地策略有關(guān)。而目前研究認為，落地過程中有較小的屈膝角（＜30°）、較大的地面反作用力、較大的伸膝力矩等是導致ACL發(fā)生損傷的重要風險因素。因此，結(jié)合本研究結(jié)果來看，3種落地測試動作中由于FVJ對于機體的要求最高，對比其他2種落地動作而言，存在較大的ACL損傷風險（如屈膝角＜30°、較大的伸膝力矩、較大的地面反作用力和加載率等）；而對比DL和DVJ來看，雖然DVJ對機體的要求更高，但DL較DVJ存在更大的ACL損傷風險（如屈膝角＜30°、較大的地面反作用力和下肢剛度等），分析其原因可能與DL落地時采用較為僵硬的落地姿勢有關(guān)，而這也進一步提示如能采用較為柔軟的落地策略，則可能有助于降低ACL的損傷風險。由此可見，由于3種落地測試動作的不同，可能會使運動者完成動作時采用不同的落地運動模式，但這可能導致采用不同落地測試動作對運動者進行ACL損傷風險評估時出現(xiàn)不同的評價結(jié)果，因此，建議在今后進行ACL損傷風險評估的研究中應采用較為有效和統(tǒng)一的測試動作，從而有利于更好地進行ACL損傷風險評估及用于比較和總結(jié)。在上述3種落地測試動作中，由于FVJ較DL和DVJ更符合實際運動場景的需求，在本研究中也顯示其診斷ACL損傷風險上具有更高的敏感性，且相較于其他常用于評價ACL損傷風險的側(cè)切、急停起跳等動作而言，F(xiàn)VJ測試動作也更容易對落地時的速度及位置進行標準化控制；同時，以往的研究也已證實FVJ是一項可有效用于評估ACL損傷風險的測試方案[20]，因此，建議在今后進行ACL損傷風險識別與評估的相關(guān)研究中可優(yōu)先采用FVJ測試動作。

在本研究中，由于招募的受試者身高均較為一致，因此在測試平臺高度上參考以往的研究均選用了30 cm，同時在FVJ動作中均采用了70 cm的距離來進行測試。建議在今后的研究中可根據(jù)不同受試者的身高或腿長來進行標準化處理，從而減小因身高或腿長的不同而造成完成動作難度的差異，進而更有利于不同研究之間的比較。此外，由于本研究僅對健康男性受試者進行了比較，因此其結(jié)果可能在女性或其他高水平運動員中不能直接應用，建議在后續(xù)的研究中可納入女性及不同運動水平、不同身體狀況的受試者；同時也可在今后的研究中加入表面肌電的測試，從而更有利于深入了解下肢肌肉的激活和協(xié)同作用，進而為探尋ACL損傷的風險機制及提出有效的預防措施提供參考。

4 小結(jié)

3種常見ACL損傷風險評估測試動作在多項運動學和動力學指標之間存在較大的差異，F(xiàn)VJ存在相對更大的ACL損傷風險，其次為DL；較為僵硬的落地方式可增大ACL損傷的風險，在落地時應采用更為柔軟的落地策略；為更好地識別與評估ACL損傷的風險因素及理解其損傷的發(fā)病機制，建議在今后進行ACL損傷風險評估及傷病預防的相關(guān)研究中可優(yōu)先采用標準化的FVJ測試動作。

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A Comparative Study of Risk Factors Related to ACL Injury among Three Jump Landing Tasks

ZHOU Zhipeng1，2，QU Feng1
（1.College of Sport Science，Beijing Sport University，Beijing 100084，China；2.College of Sport and Health，Shandong Sport University，Jinan 250102，China）

Objective:The purpose was to compare the biomechanics of three jump landing tasks（drop landing，DL；drop vertical jump，DVJ；forward vertical jump，F(xiàn)VJ）used in ACL research.Methods:Eleven healthy male college students were recruited in this study.By using Motion capture system and Kistler force platform，kinematic and kinetic parameters were collected during subjects completed three different jump landing tasks.Results:Significant differences were found in kinematic and kinetic among three different jump landing tasks.The DL had the smallest hip and knee flextion angle at initial contact，smallest peak hip and knee flextion angle，smallest peak dorsal flexion angle，shortest descend distance of center of gravity，largest peak ground reaction force，and largest leg stiffness.The DVJ had the largest peak dorsal flexion angle，smallest peak ground reaction force，and smallest leg stiffness.The FVJ had the largest hip and knee flextion angle at initial contact，largest peak hip and knee flextion angle，and largest hip and knee flextion moment.Conclusions:The results showed significant differences exist in kinematics and kinetics among the three landing tasks.The FVJ had a relatively greatest risk of ACL injury，followed by DL.A stiffer landing strategy could cause higher ACL injury risk，soft landing strategy should be taken during any jump landing task.In order to better identify and assess the risk factors related to ACL injury and to understand the mechanisms of injury，we suggest future research of ACL injury risk assessment and prevention should priority use the standardized FVJ task.

ACL injury；jump landing tasks；biomechanical characteristics

G 804.6

A

1005-0000（2016）05-455-06

10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2016.05.014

2016-05-31；

2016-08-08；錄用日期：2016-08-09

山東體育學院院級重點課題（項目編號:131102）

周志鵬（1979-），男，浙江臨安人，講師，在讀博士研究生，研究方向為運動損傷生物力學；通信作者:曲峰（1963-），女，山東萊州人，教授，博士生導師，研究方向為運動物生力學。

1.北京體育大學運動人體科學學院，北京100084；2.山東體育學院運動與健康學院，山東濟南250102。