隨機(jī)生物力學(xué)模擬比較不同落地形式對(duì)籃球運(yùn)動(dòng)員ACL損傷危險(xiǎn)性和危險(xiǎn)因素的影響

張美珍，劉德林，孫文文，楊震宇，劉 卉

●專題研究 Special Lecture

隨機(jī)生物力學(xué)模擬比較不同落地形式對(duì)籃球運(yùn)動(dòng)員ACL損傷危險(xiǎn)性和危險(xiǎn)因素的影響

張美珍1，劉德林1，孫文文1，楊震宇1，劉 卉2

目的：運(yùn)用隨機(jī)生物力學(xué)模型比較籃球運(yùn)動(dòng)員水平急停落地和垂直起跳落地動(dòng)作對(duì)ACL損傷危險(xiǎn)性和危險(xiǎn)因素的影響。方法：采集51名籃球?qū)ｍ?xiàng)大學(xué)生在完成急停起跳動(dòng)作時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和表面肌電學(xué)數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步研究受試者ACL損傷率以及引起損傷的下肢生物力學(xué)危險(xiǎn)特征。運(yùn)用混合設(shè)計(jì)的雙因素方差分析比較不同落地形式和性別對(duì)下肢生物力學(xué)特征的影響。結(jié)果：比較2種落地形式和性別對(duì)ACL損傷危險(xiǎn)因素的影響發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)屈角（F[1，18]=503.7，P＜0.001）、小腿傾角（F[1，18]=44.9，P＜0.001）、向后（F[1，18]=100.3，P＜0.001）和垂直（F[1，18]=29.3，P＜0.001）地面反力、膝關(guān)節(jié)伸展（F[1，18]=67.5，P＜0.001）和內(nèi)旋力矩（F[1，18]=12.3，P=0.003）、股后肌肌力（F[1，18]=13.8，P=0.002）、髕韌帶力（F[1，18]=62.8，P＜0.001）、向前剪切力（F[1，18]=36.0，P＜0.001）和矢狀面負(fù)荷（F[1，18]=63.1，P＜0.001）均具有顯著性交互作用。結(jié)論：基于隨機(jī)生物力學(xué)模擬方法得到籃球運(yùn)動(dòng)員在完成急停起跳落地動(dòng)作時(shí)，水平急停比垂直落地更容易引起ACL損傷，男性垂直落地形式下ACL損傷危險(xiǎn)性最小。女籃運(yùn)動(dòng)員ACL損傷危險(xiǎn)性大于男性，在水平急停時(shí)更為明顯?；@球運(yùn)動(dòng)員急停起跳時(shí)的2種不同落地形式其ACL損傷危險(xiǎn)因素因性別而有差異。

ACL損傷；蒙特卡洛模擬；水平急停；垂直落地；危險(xiǎn)因素

前交叉韌帶（ACL）損傷是體育運(yùn)動(dòng)中最常見(jiàn)的損傷之一[1-2]，籃球運(yùn)動(dòng)員ACL損傷率尤為突出[3-4]，女性籃球運(yùn)動(dòng)員ACL損傷發(fā)生率約為16%，且是男性損傷率的2～4倍[5]。ACL損傷后不論是保守治療還是進(jìn)行手術(shù)治療均會(huì)使患者患骨關(guān)節(jié)炎[6]、半月板等慢性疾病的發(fā)病率增加[7]。對(duì)運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)，ACL損傷可導(dǎo)致其短期運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中斷，長(zhǎng)時(shí)間停訓(xùn)，甚至運(yùn)動(dòng)生涯的終止[8]。

約2/3的ACL損傷是非接觸性損傷[9]，目前雖然已有很多針對(duì)ACL損傷的預(yù)防性訓(xùn)練研究，但效果并不樂(lè)觀，ACL損傷率仍居高不下[10]。了解和確定導(dǎo)致ACL損傷的危險(xiǎn)因素是制定針對(duì)性預(yù)防方案的基礎(chǔ)，但目前有關(guān)ACL損傷機(jī)制尚存在爭(zhēng)議，如不同落地形式下ACL損傷的危險(xiǎn)因素并不十分清楚。

研究[9，11]表明突然制動(dòng)或轉(zhuǎn)體是非接觸性ACL損傷的高發(fā)動(dòng)作?；@球運(yùn)動(dòng)員每場(chǎng)比賽需要完成35～46次起跳和落地動(dòng)作，比足球和排球多2～4倍[12-13]，頻繁的突然減速、制動(dòng)和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作使得急停起跳動(dòng)作成為籃球運(yùn)動(dòng)員ACL損傷的高發(fā)動(dòng)作[14-15]。急停起跳動(dòng)作是指運(yùn)動(dòng)員水平急速跑動(dòng)中突然急停并垂直向上跳起，整個(gè)動(dòng)作過(guò)程中包括2次落地，第1次是從水平跑動(dòng)突然的減速制動(dòng)的急停動(dòng)作，第2次是垂直跳起后的落地動(dòng)作。已有大量研究分析水平急停[16-20]和垂直落地[21-24]動(dòng)作對(duì)ACL損傷的影響，并有學(xué)者提出水平急停和垂直落地著地時(shí)刻的神經(jīng)肌肉控制可能不同[25-26]。但目前的文獻(xiàn)并沒(méi)有研究和對(duì)比水平急停和垂直落地動(dòng)作對(duì)ACL損傷危險(xiǎn)性和危險(xiǎn)因素的影響。本研究將分析這2個(gè)動(dòng)作對(duì)ACL損傷的異同，此外本研究的優(yōu)勢(shì)還在于在一個(gè)動(dòng)作中對(duì)比2種落地形式，而不是分別做動(dòng)作。大部分垂直落地測(cè)試是要求受試者從同一高度（如跳箱）落下[21]，而采用自己全力起跳的垂直落地動(dòng)作可以更好地模擬籃球比賽實(shí)際情況。

隨機(jī)生物力學(xué)模型是確定骨骼肌肉系統(tǒng)損傷危險(xiǎn)因素的一個(gè)有效研究方法。蒙特卡洛模擬（Monte Carlo）技術(shù)是該模型的核心。蒙特卡洛模擬技術(shù)將人體運(yùn)動(dòng)的某個(gè)運(yùn)動(dòng)結(jié)果表達(dá)為一組隨機(jī)自變量的函數(shù)來(lái)模擬因變量的隨機(jī)結(jié)果。具體來(lái)看，隨機(jī)生物力學(xué)模型根據(jù)人體ACL的生物力學(xué)特點(diǎn)，將其受力表達(dá)為一組生物力學(xué)參數(shù)的函數(shù)，進(jìn)一步通過(guò)人體在無(wú)損傷情況下進(jìn)行試驗(yàn)獲得這些參數(shù)的分布狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用蒙特卡洛模擬技術(shù)，在表達(dá)ACL受力的各參數(shù)分布范圍內(nèi)反復(fù)隨機(jī)采樣并計(jì)算ACL受力，當(dāng)模擬得到的ACL受力滿足損傷定義時(shí)則被視為一例損傷案例。因此ACL受力的生物力學(xué)參數(shù)與ACL損傷之間的因果關(guān)系通過(guò)蒙特卡洛模擬技術(shù)得以建立，該方法可以用于探究ACL損傷危險(xiǎn)因素[18，27]。

因此本研究應(yīng)用隨機(jī)生物力學(xué)模型模擬的方法，比較籃球運(yùn)動(dòng)員在完成急停跳投動(dòng)作中水平急停和垂直落地對(duì)ACL損傷危險(xiǎn)因素的影響。本研究設(shè)立的研究假設(shè)是：（1）水平急停比垂直落地產(chǎn)生ACL損傷的危險(xiǎn)性更大；（2）不同的落地形式造成男女籃球運(yùn)動(dòng)員ACL損傷的危險(xiǎn)因素亦不同。本研究結(jié)果可以為籃球運(yùn)動(dòng)員在完成急停起跳落地動(dòng)作時(shí)設(shè)計(jì)個(gè)性化的ACL損傷預(yù)防訓(xùn)練提供依據(jù)，有針對(duì)性地對(duì)籃球運(yùn)動(dòng)員2種落地動(dòng)作給予反饋訓(xùn)練指導(dǎo)，以期使籃球運(yùn)動(dòng)員在提高運(yùn)動(dòng)能力或進(jìn)行體育鍛煉的同時(shí)降低ACL損傷危險(xiǎn)性，達(dá)到理想的ACL損傷預(yù)防訓(xùn)練效果。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 受試者

本研究受試者為51名訓(xùn)練年限在5年以上的籃球?qū)ｍ?xiàng)大學(xué)生。所有參加測(cè)試的受試者均無(wú)前交叉韌帶損傷史，且在近6個(gè)月內(nèi)無(wú)其他下肢損傷癥狀。本研究經(jīng)由北京體育大學(xué)科學(xué)研究倫理委員會(huì)審批，所有受試者在進(jìn)行試驗(yàn)前簽署了知情同意書。

表1 受試者基本信息表Table1 The Basic Characteristics of Subjects

1.2 數(shù)據(jù)采集

測(cè)試前首先要求受試者進(jìn)行充分的熱身運(yùn)動(dòng)，然后更換測(cè)試統(tǒng)一緊身衣，并根據(jù)研究目的粘貼15個(gè)反光標(biāo)志點(diǎn)[20]。測(cè)試動(dòng)作規(guī)范為：每名受試者在離目標(biāo)區(qū)域（測(cè)力臺(tái)）前完成3～5步助跑，并在達(dá)到目標(biāo)區(qū)域一步時(shí)，雙足同時(shí)分別跳至2塊測(cè)力臺(tái)臺(tái)面后急停，隨后馬上盡全力垂直向上起跳，雙足同時(shí)落回測(cè)力臺(tái)。每名受試者采集3次有效的測(cè)試動(dòng)作。運(yùn)用三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（Qualisys MCU500，瑞典）、測(cè)力臺(tái)（Kistler 9281CA，瑞士）和表面肌電測(cè)試系統(tǒng)（Mega ME6000，芬蘭）分別以200、1 000和2 040 Hz采集頻率獲取三維運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和受試者優(yōu)勢(shì)側(cè)半腱肌、股二頭肌、腓腸肌內(nèi)、外側(cè)頭的表面肌電信號(hào)，3套設(shè)備通過(guò)Qualisys運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)觸發(fā)進(jìn)行同步采集[19]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

通過(guò)體表標(biāo)志點(diǎn)建立大腿和小腿三維坐標(biāo)系，膝關(guān)節(jié)角度為這2個(gè)坐標(biāo)系之間的歐拉角，正角為膝關(guān)節(jié)屈曲角、內(nèi)收角和旋內(nèi)角[17]。足的著地方式以地面反作用力點(diǎn)（COP）到踝關(guān)節(jié)中心的水平距離表示，正數(shù)表示著地點(diǎn)在踝關(guān)節(jié)后方（足跟著地）。膝關(guān)節(jié)三維力矩?cái)?shù)據(jù)則運(yùn)用逆動(dòng)力學(xué)方法（MS3D 7.0版，MotionSoft，Inc，美國(guó)）獲得。原始肌電數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)帶通平滑（20～400 Hz）和15 Hz低通濾波得到線性包絡(luò)線（MoitonSoft 7.0，Inc，美國(guó)），并運(yùn)用MVC進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[27]，進(jìn)而確定股后肌和腓腸肌表面肌電的分布特征及標(biāo)準(zhǔn)差。之后根據(jù)M.A.PFLUM等[28]得到的垂直落地起跳過(guò)程中的股后肌群和腓腸肌肌力變化結(jié)果，進(jìn)而確定本研究中水平向后地面反作用力峰值時(shí)刻的股后肌群和腓腸肌收縮力的平均值，再結(jié)合肌電信號(hào)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差估算相應(yīng)肌肉收縮力的標(biāo)準(zhǔn)差[20，33]。

ACL瞬時(shí)最大受力出現(xiàn)在著地后水平向后地面反作用力第一峰值時(shí)刻[29]，因此本研究根據(jù)C.F.LIN等[27]建立的ACL受力的生物力學(xué)模型，以ACL受力為因變量，以水平向后地面反作用力、膝關(guān)節(jié)屈角、足的著地方式、小腿傾角、股后肌群和腓腸肌收縮力以及膝關(guān)節(jié)內(nèi)收外展力矩和旋內(nèi)旋外力矩為自變量，計(jì)算2種不同落地形式下這一特征時(shí)刻的ACL負(fù)荷。通過(guò)蒙特卡洛模擬技術(shù)在各自變量分布范圍內(nèi)隨機(jī)模擬計(jì)算10萬(wàn)次動(dòng)作的ACL受力，當(dāng)男性和女性受試者ACL受力分別大于2 250 N和1 800 N[18，33]時(shí)記錄為一次損傷，統(tǒng)計(jì)10萬(wàn)次模擬中ACL損傷次數(shù)。不同性別在不同落地形式情況下，這樣的模擬分別進(jìn)行10次。對(duì)比ACL損傷與無(wú)損傷情況下各自變量的差異，以期分析可能導(dǎo)致ACL損傷的危險(xiǎn)因素。

1.4 數(shù)據(jù)分析

生物力學(xué)參數(shù)的分布情況由偏度、峰度以及Shapiro-Wilk檢驗(yàn)進(jìn)行確定。運(yùn)用獨(dú)立樣本t-test對(duì)比損傷與無(wú)損傷試跳時(shí)各生物力學(xué)指標(biāo)是否具有顯著性差異。運(yùn)用混合設(shè)計(jì)的雙因素方差分析確定性別和2種落地形式對(duì)下肢生物力學(xué)特征的影響，性別是獨(dú)立變量，落地形式為重復(fù)變量，應(yīng)用SPSS 21.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，顯著性標(biāo)準(zhǔn)定為一類誤差概率不大于0.05。如性別和落地形式對(duì)下肢與ACL損傷相關(guān)的生物力學(xué)參數(shù)具有交互作用，則進(jìn)行后續(xù)簡(jiǎn)單效應(yīng)檢驗(yàn)。如參數(shù)為正態(tài)分布狀態(tài)，則運(yùn)用獨(dú)立樣本t-test和配對(duì)樣本t-test分別比較性別和落地形式間的差異；如參數(shù)屬于伽馬分布，則通過(guò)Mann-Whitney和Wilcoxon Singed Rank分別進(jìn)行檢驗(yàn)，由于性別和2種不同落地形式間各下肢生物力學(xué)參數(shù)存在相關(guān)關(guān)系，因此將顯著性水平調(diào)整為0.025。

2 結(jié)果

2.1 自變量的分布情況

表2為分析得到籃球運(yùn)動(dòng)員下肢生物力學(xué)參數(shù)的分布檢驗(yàn)結(jié)果。男籃球運(yùn)動(dòng)員完成水平急停時(shí)COP到踝水平距離、水平向后地面反力和地面反力殘差屬于伽馬分布，而在垂直落地時(shí)刻膝關(guān)節(jié)屈角、股后肌和腓腸肌為伽馬分布，其余指標(biāo)均屬于正態(tài)分布。

女籃運(yùn)動(dòng)員水平急停著地時(shí)刻COP到踝水平距離、股后肌肌力和地面反力殘差為伽馬分布，垂直落地時(shí)刻中水平向后地面反力和股后肌肌力屬于伽馬分布，其它參數(shù)均為正態(tài)分布（見(jiàn)表3）。

表2 男籃球運(yùn)動(dòng)員2種落地形式下獨(dú)立自變量分布形式、分布檢驗(yàn)及其統(tǒng)計(jì)量Table2 Types of Distributions，Normality Test and Statistics of Independent Variables for Male Basketball Players During Two Different Landing Styles

表3 女籃球運(yùn)動(dòng)員2種落地形式下獨(dú)立自變量分布形式、分布檢驗(yàn)及其統(tǒng)計(jì)量Table3 Types of Distributions，Normality Test and Statistics of Independent Variables for Female Basketball Players During Two Different Landing Styles

2.2 蒙特卡洛模擬ACL損傷情況

運(yùn)用蒙特卡洛模擬技術(shù)得到男女籃球運(yùn)動(dòng)員10萬(wàn)次急停起跳中2種落地形式下ACL損傷情況。圖1結(jié)果顯示不論男女，水平急停ACL損傷率顯著大于垂直落地，男為（86.4±8.1）次vs.（1.1±0.3）次，女為（1 042.6±33.6）次vs.（545.2±23.7）次。不論何種落地形式，女性ACL損傷率均高于男性（P＜0.001），其中男性垂直落地時(shí)ACL損傷可能性最小，女性水平急停落地時(shí)損傷危險(xiǎn)性最大。

從模擬得到的受試者2種落地形式下?lián)p傷與無(wú)損傷試跳的下肢生物力學(xué)參數(shù)（見(jiàn)表4，5）可以看出，不論性別，2種落地形式下ACL損傷試跳均表現(xiàn)為膝關(guān)節(jié)屈角更小、小腿前傾更明顯、地面反作用力更大、足跟著地以及大的髕韌帶力、向前剪切力和膝關(guān)節(jié)伸展力矩。股后肌、腓腸肌肌力以及膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩在ACL損傷與無(wú)損傷試跳間的差異與落地形式和性別有關(guān)。與無(wú)損傷試跳相比，水平急停時(shí)男籃運(yùn)動(dòng)員損傷試跳的膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩較大，而女性則無(wú)顯著性差異；同時(shí)僅女籃運(yùn)動(dòng)員ACL損傷試跳中膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋力矩較大、股后肌肌力大、腓腸肌肌力小。而在完成垂直落地時(shí)，男籃運(yùn)動(dòng)員表現(xiàn)出損傷試跳時(shí)膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋力矩更大，而女籃運(yùn)動(dòng)員這4個(gè)參數(shù)在損傷與無(wú)損傷試跳間均具有顯著性差異。

圖1 模擬10萬(wàn)次試跳得到的ACL損傷例數(shù)Figure1 Simulated ACL Injury Trials During 100 Thousand Jumps for both Gender

綜合上述模擬結(jié)果可以得出籃球運(yùn)動(dòng)員在水平急停和垂直落地時(shí)大的矢狀面和非矢狀面負(fù)荷是ACL損傷的危險(xiǎn)因素，而且矢狀面負(fù)荷對(duì)ACL損傷的影響更突出。

2.3 落地形式和性別對(duì)ACL損傷危險(xiǎn)因素的影響

雙因素方差分析落地形式和性別對(duì)ACL損傷危險(xiǎn)因素的影響發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)屈角（F[1，18]=503.7，P＜0.001）、小腿傾角（F[1，18]=44.9，P＜0.001）、向后（F[1，18]=100.3，P＜0.001）和垂直（F[1，18]=29.3，P＜0.001）地面反力、膝關(guān)節(jié)伸展（F[1，18]=67.5，P＜0.001）和內(nèi)旋力矩（F[1，18]=12.3，P=0.003）、股后肌肌力（F[1，18]=13.8，P=0.002）、髕韌帶力（F[1，18]=62.8，P＜0.001）、向前剪切力（F[1，18]=36.0，P＜0.001）和矢狀面負(fù)荷（F[1，18]=63.1，P＜0.001）均具有顯著性交互作用，而COP到踝關(guān)節(jié)的水平距離（F[1，18]=0.76，P=0.396）、膝內(nèi)收力矩（F[1，18]=1.25，P=0.279）、腓腸肌肌力（F[1，18]=0.16，P=0.698）和非矢狀面負(fù)荷（F[1，18]=2.69，P=0.119）無(wú)交互作用。

不論性別，籃球運(yùn)動(dòng)員水平急停比垂直落地均表現(xiàn)出小腿后傾、足跟著地、更小的垂直地面反力、更小的膝內(nèi)旋力矩和更大的股后肌肌力荷。此外，男籃運(yùn)動(dòng)員水平急停時(shí)膝關(guān)節(jié)屈角和向前剪切力顯著小于垂直落地；女籃運(yùn)動(dòng)員水平急停比垂直落地時(shí)具有更大的膝關(guān)節(jié)屈角、水平向后地面反力、膝伸展力矩、膝內(nèi)收力矩、髕韌帶力和向前剪切力以及更小的腓腸肌肌力（見(jiàn)圖2）。

表4 模擬得到男籃運(yùn)動(dòng)員ACL損傷與無(wú)損傷試跳的下肢生物力學(xué)特征Table 4 Biomechanical Characteristics of Simulated Injury and Non-injury Trials of Male Basketball Players

表5 模擬得到女籃運(yùn)動(dòng)員ACL損傷與無(wú)損傷試跳的下肢生物力學(xué)特征Table5 Biomechanical Characteristics of Simulated Injury and Non-injury Trials of Female Basketball Players

圖2 不同落地形式和性別對(duì)模擬得到的損傷測(cè)試跳參數(shù)的影響Figure 2 Effect of Different Landing Styles and Gender on Biomechanics of Simulated Injury Jumps

在水平急停落地形式中，除膝內(nèi)收力矩外，其他指標(biāo)在性別間均具有顯著性差異。而在垂直落地時(shí)，COP到踝的水平距離、垂直地面反力、膝內(nèi)收和內(nèi)旋力矩以及腓腸肌肌力無(wú)性別差異，其余參數(shù)在性別間有顯著差異。

整體來(lái)看，男籃運(yùn)動(dòng)員水平急停比垂直落地時(shí)的矢狀面負(fù)荷顯著大，而女籃在不同落地形式間矢狀面負(fù)荷無(wú)顯著性差異。同時(shí)，不論男女垂直落地比水平急停非矢狀面更大。男籃運(yùn)動(dòng)員不論在水平急停還是垂直落地時(shí)刻矢狀面和非矢狀面負(fù)荷均顯著大于女性。

3 討論

3.1 不同落地形式對(duì)ACL損傷危險(xiǎn)因素的影響

本研究的結(jié)果支持第1個(gè)研究假設(shè)：不論性別，籃球運(yùn)動(dòng)員在完成急停起跳動(dòng)作時(shí)，2種落地形式對(duì)ACL損傷危險(xiǎn)性及危險(xiǎn)因素有影響，水平急停比垂直落地著地時(shí)刻ACL損傷的危險(xiǎn)性更大。

本研究要求受試者在完成急停起跳動(dòng)作時(shí)，模擬其在籃球訓(xùn)練或比賽中進(jìn)行跳投或抓籃板球時(shí)的情境，并告知受試者以其最大的助跑速度來(lái)完成測(cè)試動(dòng)作。這種要求受試者根據(jù)其舒適的并盡全力地進(jìn)行助跑完成測(cè)試動(dòng)作，與以往文獻(xiàn)一致[16-17，29-30]，而且相比設(shè)定統(tǒng)一的助跑速度該試驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠更接近實(shí)際訓(xùn)練或比賽情況，同時(shí)還能夠體現(xiàn)個(gè)體運(yùn)動(dòng)能力的差異性以及避免教練的訓(xùn)練影響。比較損傷與無(wú)損傷水平急停和垂直落地均可以看出膝關(guān)節(jié)屈角越小，ACL損傷的可能性越大，該結(jié)果與研究者通過(guò)分析比賽視頻得到的發(fā)生ACL損傷時(shí)，膝關(guān)節(jié)幾乎處于完全伸展?fàn)顟B(tài)一致[9]。另外大量研究[23，31]通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試或計(jì)算模擬的方法已經(jīng)證實(shí)不論在體內(nèi)還是體外，ACL負(fù)荷與膝關(guān)節(jié)屈曲角度之間具有相關(guān)關(guān)系，膝關(guān)節(jié)屈角越小，髕腱—脛骨縱軸夾角和ACL傾斜角越大，ACL負(fù)荷越大。另外，有研究[27]提出小腿前傾時(shí)膝關(guān)節(jié)中心在COP前方，產(chǎn)生一個(gè)膝關(guān)節(jié)外部屈曲力矩，因此需要增加膝關(guān)節(jié)內(nèi)部伸展力矩，因此小腿前傾也是導(dǎo)致ACL損傷的危險(xiǎn)因素之一。本研究模擬得到的損傷試跳中，水平急停時(shí)小腿后傾不明顯，垂直落地時(shí)小腿明顯前傾，而小腿前傾均會(huì)使得ACL負(fù)荷增加。同時(shí)模擬得到的籃球運(yùn)動(dòng)員在損傷試跳中COP距離踝關(guān)節(jié)更近（即足跟著地），而COP越靠前，產(chǎn)生的膝關(guān)節(jié)屈曲力矩越大和伸展力矩越小，因此使得水平急停著地時(shí)刻ACL負(fù)荷更大，該結(jié)果與以往前瞻性研究[32]和試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果[18-19，27]均一致。

此外，從動(dòng)力學(xué)參數(shù)來(lái)看，更大的水平向后和垂直地面反力、髕韌帶力、脛骨近端向前剪切力和膝關(guān)節(jié)伸展力矩均是籃球運(yùn)動(dòng)員急停起跳動(dòng)作中2種不同落地形式下ACL損傷的危險(xiǎn)因素。B.YU等[17]提出，水平向后地面反力越大，膝關(guān)節(jié)伸展力矩也越大，因此可以產(chǎn)生一個(gè)大的作用在脛骨近端的向前剪切力，進(jìn)而增加了ACL受力。另外，雖然大的垂直地面反力也會(huì)使ACL負(fù)荷增加，但是還與足的著地方式和脛骨傾斜角有關(guān)[33]。而膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻和內(nèi)旋力矩對(duì)不同落地形式ACL損傷的影響并不一致，男籃運(yùn)動(dòng)員在水平急停時(shí)損傷試跳具有更大的膝內(nèi)翻力矩（P＜0.001），膝內(nèi)旋力矩并無(wú)影響；但在垂直落地時(shí)大的膝內(nèi)旋力矩可能會(huì)增加ACL損傷危險(xiǎn)性（P=0.013）。以往有研究者提出當(dāng)脛骨近端向前剪切力存在時(shí)，膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩、內(nèi)旋力矩才能產(chǎn)生顯著增大的ACL負(fù)荷[34]。同時(shí)本研究也說(shuō)明膝內(nèi)翻和內(nèi)旋力矩對(duì)ACL損傷危險(xiǎn)性的影響與落地形式有關(guān)。

模擬結(jié)果還可以看出，股后肌和腓腸肌對(duì)男籃運(yùn)動(dòng)員在進(jìn)行水平急停和垂直落地時(shí)ACL損傷均無(wú)影響，女籃運(yùn)動(dòng)員則相反。這些結(jié)果在一定程度上與以往文獻(xiàn)是一致的[18，31，35]，股后肌和腓腸肌肌力對(duì)ACL損傷的影響可能是有限的。

綜合下肢生物力學(xué)特征，水平急停和垂直落地時(shí)大矢狀面和非矢狀面負(fù)荷的綜合作用使得ACL損傷危險(xiǎn)性增大，而且非矢狀面負(fù)荷顯著低于矢狀面負(fù)荷，這也在一定程度上支持以往研究者提出的矢狀面負(fù)荷可能是ACL損傷的主要危險(xiǎn)機(jī)制[17，33]。進(jìn)一步，本研究通過(guò)運(yùn)用蒙特卡洛模擬得到的水平急停落地形式ACL損傷率也顯著高于垂直落地。該研究結(jié)果與N.A.BATES等[21-22]得到的女性籃球運(yùn)動(dòng)員在完成跳箱（31 cm）落地動(dòng)作中2種落地形式對(duì)ACL損傷危險(xiǎn)性的影響不一致。其可能原因是本研究采用的是助跑急停起跳，然后再次垂直起跳落地，而N.A.BATES等人則采用的是從跳箱上2次垂直落地動(dòng)作。這也提示我們?cè)谝院蟮难芯恐?，可以進(jìn)一步分析急停起跳和跳箱落地不同著地形式的差異，以便更全面地了解不同落地形式對(duì)ACL損傷危險(xiǎn)性和危險(xiǎn)因素的影響。

3.2 性別對(duì)不同落地形式ACL損傷危險(xiǎn)因素的影響

本研究結(jié)果支持假設(shè)二，本研究發(fā)現(xiàn)男女籃球運(yùn)動(dòng)員在不同落地形式下ACL損傷的危險(xiǎn)因素具有差異。

本研究中模擬得到的不論男女籃球運(yùn)動(dòng)員水平急停比垂直落地更傾向于足跟著地，這種著地形式可能使水平急停比垂直落地ACL損傷危險(xiǎn)性更大。此外，垂直落地比水平急停小腿前傾明顯、垂直地面反力大以及膝內(nèi)旋力矩大，而這些特征則是垂直落地時(shí)ACL負(fù)荷增加的主要危險(xiǎn)因素。

另外，男籃運(yùn)動(dòng)員水平急停落地時(shí)刻膝關(guān)節(jié)屈角顯著小于垂直落地，而女籃運(yùn)動(dòng)員則相反，其垂直落地時(shí)膝關(guān)節(jié)角度更小。不難看出，膝關(guān)節(jié)屈角對(duì)不同落地形式ACL損傷危險(xiǎn)因素的影響與性別有關(guān)。研究還顯示水平急停時(shí)向后地面反力大于垂直落地，女籃運(yùn)動(dòng)員尤為突出，而垂直地面反力則相反，這也說(shuō)明水平急停落地形式屬于水平制動(dòng)急停，因此在水平方向獲得的地面反作用力更為明顯，而垂直落地形式為垂直起跳落地，因此更容易獲得更大的垂直地面反作用力，而大的地面反作用力會(huì)使ACL負(fù)荷增大[17，33]。此外，男籃運(yùn)動(dòng)員水平急停和垂直落地形式間膝伸展力矩、內(nèi)翻力矩、髕韌帶力和腓腸肌肌力均無(wú)顯著性影響，但是女籃水平急停時(shí)膝伸展力矩較大、內(nèi)翻力矩較大、髕韌帶力大，這從另一個(gè)角度也說(shuō)明女籃運(yùn)動(dòng)員不同落地形式間ACL損傷的危險(xiǎn)因素更可能復(fù)雜。

另外，在完成同一落地動(dòng)作時(shí)，性別間也表現(xiàn)出顯著性差異。完成水平急停著地時(shí)，比男性相比，女籃運(yùn)動(dòng)員表現(xiàn)出小腿向后傾斜角小[20，33]的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征以及水平向后和垂直地面反力、膝伸展力矩、髕韌帶力和向前剪切力大的動(dòng)力學(xué)特征，這些因素均有助于使女性膝關(guān)節(jié)ACL受力更大。與女性相比，男性則由于落地時(shí)膝關(guān)節(jié)趨于垂直、足跟著地的形式也容易造成其ACL負(fù)荷較大。但在進(jìn)行垂直落地時(shí)，男籃比女籃運(yùn)動(dòng)員小腿前傾角度更大、水平向后地面反力大、膝伸展力矩大、髕韌帶力、向前剪切力更大，這些因素均會(huì)使膝關(guān)節(jié)矢狀面和非矢狀面負(fù)荷增大，而女籃運(yùn)動(dòng)員僅僅表現(xiàn)出使ACL受力增大的危險(xiǎn)因素為更小的膝關(guān)節(jié)屈角。但由于模擬ACL損傷的極限負(fù)荷為男性2 250 N，女性為1 800 N[18，33]，因此最終模擬結(jié)果仍然顯示女性ACL損傷率大于男性，特別是在水平急停落地形式。

綜合下肢生物力學(xué)特征，男籃水平急停的矢狀面負(fù)荷顯著大于垂直落地，而女籃無(wú)顯著性差異，同時(shí)主要由膝內(nèi)外翻和內(nèi)外旋力矩產(chǎn)生的非矢狀面負(fù)荷則表現(xiàn)出垂直落地更大，可以看出水平急停時(shí)矢狀面負(fù)荷的影響更為突出，而垂直落地時(shí)的非矢狀面負(fù)荷貢獻(xiàn)可能更大。此外，本研究中女男ACL損傷比率較以往文獻(xiàn)中提出的比率大[5]?？赡茉蛞环矫媸潜狙芯?jī)H僅分析了引起籃球運(yùn)動(dòng)員ACL損傷的其中一個(gè)高發(fā)動(dòng)作—急停起跳，而在急停變向跑、急停轉(zhuǎn)體等動(dòng)作中也可能發(fā)生ACL損傷，因此該比例不能完全涵蓋籃球運(yùn)動(dòng)員ACL損傷的整體情況。另外一方面原因是本研究是通過(guò)隨機(jī)生物力學(xué)模型模擬10萬(wàn)次試跳計(jì)算得到的ACL損傷率，而這與流行病學(xué)提出的運(yùn)動(dòng)暴露損傷率有所區(qū)別。

總之，本研究結(jié)果提示研究者在分析籃球運(yùn)動(dòng)員ACL損傷危險(xiǎn)性時(shí)，應(yīng)考慮不同落地形式、不同損傷率計(jì)算方法等對(duì)ACL損傷的影響，以便更全面地對(duì)籃球運(yùn)動(dòng)員ACL損傷危險(xiǎn)機(jī)制加以了解，并為損傷預(yù)防訓(xùn)練方案提供針對(duì)性的指導(dǎo)意見(jiàn)。

4 結(jié)論

（1）籃球運(yùn)動(dòng)員在完成急停起跳落地動(dòng)作時(shí)，水平急停比垂直落地著地時(shí)刻更容易引起ACL損傷。（2）女籃運(yùn)動(dòng)員在急停起跳落地的2種不同落地形式下ACL損傷危險(xiǎn)性均大于男性，在水平急停時(shí)更為明顯。（3）男籃球運(yùn)動(dòng)員水平急停時(shí)膝關(guān)節(jié)屈角小、足跟著地等造成的矢狀面負(fù)荷是其ACL損傷的主要因素。（4）男籃球運(yùn)動(dòng)員垂直落地時(shí)小腿前傾、地面反作用力較大，以及非矢狀面負(fù)荷是造成其ACL損傷風(fēng)險(xiǎn)增加的原因。（5）女籃球運(yùn)動(dòng)員水平急停落地時(shí)刻ACL損傷的危險(xiǎn)因素是足跟著地、大的水平向后地面反力和膝伸展力矩。（6）女籃運(yùn)動(dòng)員垂直落地動(dòng)作中膝關(guān)節(jié)屈角小、小腿前傾、大的垂直地面反力、膝內(nèi)旋力矩是其ACL損傷的主要危險(xiǎn)因素，非矢狀面負(fù)荷的影響也較突出。

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Effect of Different Landing Styles to ACL Injury Risk and Risk Factors for Basketball Player with Stochastic Biomechanical Modeling Method

ZHANG Meizhen1，LIU Delin1，SUN Wenwen1，YANG Zhenyu1，LIU Hui2
（1.School of PE，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China；2.Beijing Sport University，Beijing 100084，China）

Objective：To estimate the influences of level stop-jump and vetical take-off landings on Anterior Cruciate Ligment（ACL）injury risk and risk fac?tors for basketball players with stochastic biomechanical modeling method.Method：The kinematic，kinetic and EMG data for 51 basketball players during stop-jump task were collected and analyzed.The ACL injury rate and biomechanical risk factors were obtained by Monte Carlo Simulation.Mixed designed two-way ANOVA was used to determine the effect of landing styles and gender on simulated ACL injury trials.Results：The landing styles and gender could ef?fect the risk factors of ACL injury.Knee flexion angle（F[1，18]=503.7，P＜0.001），tibial tilting angle（F[1，18]=44.9，P＜0.001），posterior（F[1，18]=100.3，P＜0.001）and vertical ground reaction force（F[1，18]=29.3，P＜0.001），knee extension moment（F[1，18]=67.5，P＜0.001），knee internal rotation moment（F[1，18]=12.3，P=0.003），hamstring EMG（F[1，18]=13.8，P=0.002），patellar tendon force（F[1，18]=62.8，P＜0.001），proximal tibial anterior shear force（F[1，18]=36.0，P＜0.001）and sagittal loading（F[1，18]=63.1，P＜0.001）had significant interaction between landing styles and gender.Conclusions：The basketball players would be more likely to have ACL injuries in level stop-jump than vertical take-off landing，and ACL injury risk for male basketball players during vertical take-off landing could be con?sidered as minimal.Female basketball players were more prone to have ACL injuries compared to males，especially during level stop-jump tasks.The ACL in?jury factors would be affected by gender and different landing style at stop-jump task.

Anterior Cruciate Ligament injury；stochastic biomechanical modeling；level stop-jump；vertical take-off landing；risk factors

G 804.6

A

1005-0000（2017）03-245-07

2017-03-20；錄用日期：2017-03-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：30870600）；山西省高等學(xué)校哲學(xué)社會(huì)科學(xué)基金一般項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2014223）；太原理工大學(xué)人文社科?；穑?xiàng)目編號(hào)：2015RS020）

張美珍（1983-），女，山西呂梁人，在站博士后，副教授，研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué)。

1.太原理工大學(xué)體育學(xué)院，山西太原030024；2.北京體育大學(xué)，北京100084。

10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2017.03.011