鞍座高度對(duì)騎行時(shí)髕股關(guān)節(jié)力學(xué)特征影響的研究

王 勇，梁雷超，王東海，湯運(yùn)啟,4，傅維杰，伍 勰，劉 宇

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鞍座高度對(duì)騎行時(shí)髕股關(guān)節(jié)力學(xué)特征影響的研究

王 勇1,2，梁雷超3，王東海1，湯運(yùn)啟1,4，傅維杰1，伍 勰1，劉 宇1

1.上海體育學(xué)院 運(yùn)動(dòng)科學(xué)學(xué)院, 上海 200438; 2.聊城大學(xué) 體育學(xué)院, 山東 聊城 252000; 3.上海健康醫(yī)學(xué)院 康復(fù)學(xué)院, 上海 201318; 4.陜西科技大學(xué) 設(shè)計(jì)與藝術(shù)學(xué)院, 陜西 西安 710021。

目的：探討不同鞍座高度對(duì)穩(wěn)定騎行狀態(tài)下髕股關(guān)節(jié)載荷的影響，為科學(xué)健身騎行提供理論參考。方法：20名受試者以隨機(jī)的順序完成（中等高度座高，Medium；自選高度座高，Preferred；較低高度座高，Low；較高高度座高，High）4種鞍座高度下的騎行，采用三維紅外動(dòng)作捕捉系統(tǒng)（200 Hz）、三維腳蹬測(cè)力臺(tái)（1 000 Hz）同步采集受試者騎行狀態(tài)下的右側(cè)下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)、踏板反作用力數(shù)據(jù)；使用三維分析軟件（Visual 3D）、Matlab軟件計(jì)算、分析連續(xù)10個(gè)踩踏周期的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)指標(biāo)。結(jié)果：采用較低的鞍座高度騎行時(shí)具有較大的股四頭肌峰值肌力（＜0.05）、髕股關(guān)節(jié)峰值力（＜0.05），與較高的鞍座騎行相比具有較大的髕股關(guān)節(jié)峰值應(yīng)力（＜0.05），同時(shí)髕股關(guān)節(jié)峰值力出現(xiàn)時(shí)膝關(guān)節(jié)屈曲角度更大（＜0.05）；鞍座高度并沒(méi)有影響髕股關(guān)節(jié)峰值應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)的膝關(guān)節(jié)角度（＞0.05）。結(jié)論：較低的鞍座高度騎行時(shí)，具有較大的股四頭肌峰值肌力、髕股關(guān)節(jié)峰值力及髕股關(guān)節(jié)峰值應(yīng)力，同時(shí)髕股關(guān)節(jié)峰值力出現(xiàn)時(shí)具有較大的膝關(guān)節(jié)角度。因此，從預(yù)防股髕關(guān)節(jié)疼痛綜合癥的觀點(diǎn)出發(fā)，騎行時(shí)需對(duì)鞍座高度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，不建議采用較低的鞍座高度騎行。

騎行；鞍座高度；髕股關(guān)節(jié)力；髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力

1 前言

騎行已成為運(yùn)動(dòng)鍛煉及臨床中如膝骨關(guān)節(jié)炎、前交叉韌帶損傷、中風(fēng)等疾病患者的一項(xiàng)有效康復(fù)手段[16]。但是有文獻(xiàn)顯示，長(zhǎng)時(shí)間騎行也可能導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)過(guò)用損傷（overuse injuries），大約40%～60%的騎行者經(jīng)歷過(guò)膝關(guān)節(jié)疼痛[12,27]，其中髕股關(guān)節(jié)痛（patellofemoral joint pain，PFP）[11]是最為常見(jiàn)的騎行運(yùn)動(dòng)損傷之一。關(guān)于騎行中PFP的損傷發(fā)生病理學(xué)尚不清楚[13]，但許多研究者認(rèn)為，自行車(chē)鞍座高度設(shè)置不合理是誘發(fā)PFP的原因之一[2,20,22]。

自行車(chē)鞍座高度變化可以影響髕股關(guān)節(jié)（patellofemoral joint）運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)[5]。有研究發(fā)現(xiàn)，自行車(chē)鞍座高度降低可引起膝關(guān)節(jié)屈曲角度增大，進(jìn)而導(dǎo)致髕骨與股骨之間垂直方向的壓力增大，加重PFP[21]。騎行中，髕骨與股骨間接觸力-髕股關(guān)節(jié)力（patellofemoral joint force，PFJF）的異?？赡苁且痼x股關(guān)節(jié)痛的根本原因[10]。目前對(duì)于鞍座高度對(duì)PFJF的影響還存有爭(zhēng)議。Ericson等[13]發(fā)現(xiàn)，降低鞍座高度能夠引起PFJF的增加；但Bini等[23]的研究卻發(fā)現(xiàn)鞍座高度的變化沒(méi)有引起PFJF的改變。此外，Besier等[3]認(rèn)為，相對(duì)于PFJF，髕股關(guān)節(jié)間的應(yīng)力（stress）變化能夠更好地解釋力的變化與疼痛之間的關(guān)系，并認(rèn)為PFP是由于髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力（patellofemoral joint stress, PFJS）增加導(dǎo)致。這在走[14]、跑[24]等運(yùn)動(dòng)當(dāng)中已經(jīng)得以證實(shí)，但自行車(chē)中關(guān)于PFJS的研究較為少見(jiàn)。

目前，對(duì)騎行時(shí)的鞍座高度設(shè)置尚沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[25]，普通人群常根據(jù)自己的喜好選擇鞍座高度（自選高度）[16]，此外，更有許多人在選擇如共享單車(chē)作為交通工具時(shí)，常常不加調(diào)整或調(diào)整不當(dāng)。最新的研究則認(rèn)為，膝關(guān)節(jié)角度處于25°[6]（定義見(jiàn)方法部分）為最佳的騎行高度，但其與實(shí)際騎行當(dāng)中常用的幾種坐高之間有著怎樣的差異，該方面的研究較為少見(jiàn)。本研究旨在對(duì)比中等高度座高（Medium）、自選高度座高（Preferred）、較低高度座高（Low）、較高高度座高（High）4種鞍座高度下騎行時(shí)的膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)差異，探討鞍座高度變化對(duì)髕股關(guān)節(jié)受力及膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的影響，為科學(xué)健身騎行提供理論參考。本研究的假設(shè)為：1）髕股關(guān)節(jié)力峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的膝關(guān)節(jié)角度隨鞍座高度的降低而增大；2）髕股關(guān)節(jié)力隨鞍座高度的降低而增加；3）髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力隨鞍座高度的降低而增加。

2 研究對(duì)象與方法

2.1 研究對(duì)象

選取20名上海體育學(xué)院體育教育訓(xùn)練學(xué)專業(yè)學(xué)生作為研究對(duì)象（表1）。所有受試者實(shí)驗(yàn)前24 h內(nèi)未從事劇烈運(yùn)動(dòng)，確定其下肢三關(guān)節(jié)半年內(nèi)無(wú)明顯損傷，解剖結(jié)構(gòu)和機(jī)能正常，身體狀況以及運(yùn)動(dòng)能力良好，右腿為優(yōu)勢(shì)腿[23]，理解本實(shí)驗(yàn)意圖并簽署同意書(shū)。

表1 受試者基本情況

2.2 儀器設(shè)備

2.2.1 可調(diào)式騎行平臺(tái)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，本研究團(tuán)隊(duì)整合、設(shè)計(jì)了一種可調(diào)式騎行平臺(tái)（圖1）。騎行的阻力實(shí)施由改裝后的功率自行車(chē)（MONARK，828E）控制，自行研發(fā)的騎行平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)座高可調(diào)（鞍座前后，車(chē)把前后、上下也可調(diào)），最大限度地保持了其機(jī)械性能。將可調(diào)式車(chē)架與改裝的功率自行車(chē)連接得到了實(shí)驗(yàn)用的可調(diào)式騎行平臺(tái)（調(diào)節(jié)精度≤1 mm，可通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)讀取、反饋）。

圖1 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)儀器架設(shè)（上）、下肢三關(guān)節(jié)角度（θh為髖關(guān)節(jié)，θ為膝關(guān)節(jié)，θa為踝關(guān)節(jié)）的定義影像圖（下）

Figure 1. Experimental Set-up and the Definition of theHip, Knee and Ankle Angle，θh-hip Angle, θ-knee Angle, θa-ankle Angle

2.2.2 三維運(yùn)動(dòng)學(xué)捕捉系統(tǒng)

本研究運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)的采集使用Vicon紅外高速運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)和T40型號(hào)的10臺(tái)攝像機(jī)，采樣頻率200 Hz。Marker點(diǎn)黏貼在各解剖學(xué)標(biāo)志點(diǎn)[1]。此外，為跟蹤腳蹬測(cè)力臺(tái)，設(shè)計(jì)了一個(gè)“F”型框架，放于測(cè)力臺(tái)前側(cè)面，“F”型框架上有5個(gè)點(diǎn)，另外有2個(gè)點(diǎn)放在自行車(chē)的中軸上（圖1）。

2.2.3 三維測(cè)力腳踏

動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的采集采用一臺(tái)定制的腳蹬測(cè)力臺(tái) [（長(zhǎng)×寬×高：115×80×34.8 mm）Kistler，9016B]，4個(gè)角各分布有一個(gè)壓晶式測(cè)力傳感器（圖1）。力值誤差：3個(gè)方向上小于5 N；2 min內(nèi)漂移小于10 N。壓心誤差：3個(gè)方向上均小于5 mm。本研究統(tǒng)一采集右側(cè)下肢（優(yōu)勢(shì)腿）的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，采樣頻率1 000 Hz，測(cè)力臺(tái)安裝在右腳踏板上，左腳踏板進(jìn)行了配重。

運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采集采用外部觸發(fā)的同步盒實(shí)現(xiàn)兩者的同步采集。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案

在正式實(shí)驗(yàn)前采集受試者的身高、體重。受試者到實(shí)驗(yàn)室后進(jìn)行較低負(fù)荷自選高度的騎行，熱身15 min。然后進(jìn)行固定踩踏頻率（60 revolution per minute, rpm）、負(fù)荷（1 kg）、4種座高的騎行。預(yù)實(shí)驗(yàn)證明受試者使用節(jié)拍器能夠很好的控制騎行頻率，因此使用了節(jié)拍器來(lái)控制騎行頻率。膝關(guān)節(jié)角度采用角度器測(cè)量大轉(zhuǎn)子、膝關(guān)節(jié)外側(cè)髁、踝關(guān)節(jié)外側(cè)3點(diǎn)連線的角度來(lái)確定（圖1）。本研究選用了4種常用的鞍座高度[5]進(jìn)行研究：1）中等高度座高（Medium），踏板位于下死點(diǎn)時(shí)膝關(guān)節(jié)角度為25°；2）自選高度座高（Preferred），受試者自己選擇的座高；3）較低高度座高（Low），自選高度－15°；4）較高高度座高（High），自選高度＋15°。4種座高的采集順序是隨機(jī)的。每種座高，受試者騎行3 min，當(dāng)受試者進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后（踩踏頻率固定在60 rpm[18]），采集穩(wěn)定狀態(tài)下10個(gè)連續(xù)完整的踩踏周期。每次測(cè)試間隔：受試者休息3~5 min，待其心率恢復(fù)至靜息心率時(shí)，方可進(jìn)行下次騎行。受試者在每種座高騎行時(shí)，軀干與水平面的夾角保持在35°，腳與踏板中軸保持垂直，且第一跖骨頭放在踏板中軸上，目視前方看懸掛物（騎行平臺(tái)正前方3 m處，與受試者頭部等高）。

2.4 數(shù)據(jù)處理

本研究對(duì)下肢三關(guān)節(jié)角度的定義如圖1所示，踩踏周期的定義為：從上死點(diǎn)開(kāi)始到下一個(gè)上死點(diǎn)結(jié)束（圖2）。

在VICON中將采集的原始運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模、補(bǔ)點(diǎn)處理后生成新的C3D文件，將其導(dǎo)入Visual 3D（美國(guó)，C-MOTION，V5）三維分析軟件，獲取右下肢髖、膝、踝三關(guān)節(jié)矢狀面的關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)力矩。原始的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)信號(hào)采用Butter-worth四階數(shù)字低通濾波器濾波，運(yùn)動(dòng)學(xué)截止頻率6 Hz[7]，動(dòng)力學(xué)截止頻率為50 Hz[7]。

圖2 踩踏周期定義

Figure2. Diagram of One Complete Cycle

圖3 髕股關(guān)節(jié)隔離體以及角度定義

Figure 3. Free-body Diagram of the Patella and the Definition of the Angle

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于騎行的研究中，動(dòng)態(tài)條件下的PFJF計(jì)算主要采用生物力學(xué)模型的方法，其中Zajac等[28]、Mason等[19]、Bressel[9]的模型較為常用。本研究引用Bressel的計(jì)算模型，假設(shè)騎行中矢狀面凈膝關(guān)節(jié)力矩為正值時(shí)即為伸膝力矩，這會(huì)導(dǎo)致對(duì)髕股關(guān)節(jié)受力的低估。但考慮到騎行下沖程當(dāng)中膝關(guān)節(jié)力矩主要為伸膝力矩（Zajac模型），因此，該假設(shè)也被研究者所認(rèn)可[9,14,19]。髕骨與股骨接觸面積主要依據(jù)Vannatta等[24]使用的模型回歸方程得到，在上述基礎(chǔ)上完成PFJS的計(jì)算，具體如下：

2.4.1 股四頭肌肌力計(jì)算

本研究同樣假設(shè)騎行中矢狀面凈膝關(guān)節(jié)力矩為正值時(shí)即為伸膝力矩，即：

2.4.2 髕股關(guān)節(jié)力計(jì)算

其中：

2.4.3 髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力計(jì)算

2.5 統(tǒng)計(jì)方法

各樣本數(shù)據(jù)的正態(tài)分布用Shapiroe-Wilk進(jìn)行檢驗(yàn)，并采用Levene’s檢驗(yàn)各樣本方差齊性。采用多元方差分析（One-way repeated measues of MANOVA）觀察座高對(duì)髕股關(guān)節(jié)力峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的膝關(guān)節(jié)角度（KAPFJF）、髕股關(guān)節(jié)應(yīng)力峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的膝關(guān)節(jié)角度（KAPFJS）、股四頭肌峰值肌力（QFpeak）、髕股關(guān)節(jié)峰值力（PFJFpeak）、髕股關(guān)節(jié)峰值應(yīng)力（PFJSpeak）各指標(biāo)的影響，若Wilks’Lambda多重檢驗(yàn)具有顯著性，則采用LSDpost-hoc檢驗(yàn)進(jìn)行事后兩兩比較，以此確定差異具體來(lái)自于哪兩種水平，統(tǒng)計(jì)顯著性水平設(shè)為＜0.05，本研究的統(tǒng)計(jì)學(xué)全部采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 21.0（IBMS, NY, USA）進(jìn)行處理。

3 研究結(jié)果

3.1 不同鞍座高度騎行時(shí)的膝關(guān)節(jié)角度

由圖4所示，隨著曲柄角度的增加（由TDC開(kāi)始），髖、膝和踝關(guān)節(jié)均開(kāi)始做伸展動(dòng)作，在BDC前后達(dá)到最大，此后開(kāi)始做屈曲動(dòng)作，并在到達(dá)TDC前達(dá)到極值。本研究發(fā)現(xiàn)，鞍座高度對(duì)KAPFJF產(chǎn)生了影響（＜0.001），與Preferred、Medium以及High相比，在鞍座高度Low騎行時(shí)，具有最大的膝關(guān)節(jié)角度（值分別為0.008、0.026和0.014），而采用其他3種鞍座高度騎行時(shí)，KAPFJF差異不具有顯著性（＞0.05）。但是，鞍座高度并沒(méi)有影響KAPFJS（=0.530）（表2）。

表2 4種鞍座高度騎行時(shí)的KAPFJF、KAPFJS和KABDC（°）

注：a表示與座高Low對(duì)比差異具有顯著性，b表示與座高Preferred對(duì)比差異具有顯著性，c代表與座高High對(duì)比差異具有顯著性，＜0.05，下同。

圖4 4種鞍座高度騎行時(shí)矢狀面髖（上）、膝（中）、踝（下）三關(guān)節(jié)角度（n=20）

Figure 4. Representative Curves for the Average Sagittal Hip(top), Knee (middle) and Ankle (bottom) Angle (=20)

采用Preferred、Medium鞍座高度騎行時(shí)BDC時(shí)刻膝關(guān)節(jié)角度（KABDC）處于30°左右。鞍座高度影響了KABDC（＜0.001），與Preferred、Medium以及High相比，在鞍座高度Low騎行時(shí)，具有最大的KABDC（＜0.001），隨著鞍座高度增加，KABDC逐漸減?。ū?）。

3.2 不同鞍座高度騎行時(shí)QF、PFJF與PFJS

圖5 4種鞍座高度騎行時(shí)QF（上）、PFJF（中）與PFJS（下）曲線隨曲柄角度變化（n=20）

Figure 5. Representative Curves for QF (top),PFJF(middle) and PFJS(bottom)（=20）

如圖5所示，隨著曲柄角度的增加（由TDC開(kāi)始），QF、PFJF與PFJS不斷增大，并在曲柄角度達(dá)到90°之前達(dá)到峰值，但QFpeak與PFJFpeak出現(xiàn)時(shí)刻要早于PFJSpeak出現(xiàn)時(shí)刻，隨后均不斷減小。鞍座高度影響了QFpeak、PFJFpeak以及PFJSpeak的大?。ǎ?.001）。與Preferred、Medium以及High相比，在鞍座高度Low騎行時(shí)，具有較大的QFpeak（值分別為0.047、0.025和0.021）、PFJFpeak（值分別為0.019、0.010和0.007），同時(shí)與座高High相比，鞍座高度Low具有較大的PFJSpeak（=0.008）。Preferred、Medium與High 3種座高騎行時(shí)的QFpeak與PFJFpeak差異不具有顯著性（＞0.05）；Preferred與Medium騎行時(shí)的PFJSpeak差異也不具有顯著性（=0.645）（表3）。

4 討論

4.1 鞍座高度對(duì)KAPFJF、KAPFJS的影響

本研究結(jié)果表明，采用鞍座Low騎行時(shí)，具有最大的KAPFJF（96.42±10.81°），這一研究結(jié)果支持了本研究KAPFJF隨鞍座高度的降低而增加的假設(shè)。這一發(fā)現(xiàn)與Ericson等[23]和Bini等[25]的研究相似。這是由于在鞍座高度Low騎行時(shí)，膝關(guān)節(jié)在騎行中的下沖程階段（從TDC到BDC）無(wú)法充分伸展，而伸膝力矩峰值通常出現(xiàn)在這一階段，同時(shí)過(guò)低的鞍座限制了踝關(guān)節(jié)的跖屈，從而導(dǎo)致在伸膝力矩峰值出現(xiàn)時(shí)刻具有更大的膝關(guān)節(jié)角度。前人的研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)時(shí)間采用較大的膝關(guān)節(jié)角度騎行是造成PFP的主要原因，這可能是由于膝關(guān)節(jié)屈曲角度變大時(shí)，髕骨與股骨之間垂直方向的壓力增大導(dǎo)致[21]，因此，結(jié)合本研究的結(jié)果，不建議采用較低的鞍座高度騎行。

此外，本研究發(fā)現(xiàn)，鞍座高度對(duì)于KAPFJS沒(méi)有影響（＞0.05），此時(shí)的膝關(guān)節(jié)角度大約在80°左右，這可能是因?yàn)椋瑹o(wú)論在哪種鞍座高度騎行，PFJFpeak出現(xiàn)時(shí)刻與PFJSpeak出現(xiàn)時(shí)刻不相一致，而后者相對(duì)較晚一些。PFJFpeak出現(xiàn)時(shí)的膝關(guān)節(jié)角度也較大，髕骨與股骨之間的接觸面積也較大，因此，此時(shí)的PFJS沒(méi)有達(dá)到最大值，隨著膝關(guān)節(jié)的伸展，膝關(guān)節(jié)角度變小，雖然此時(shí)PFJF在變小，但是髕骨與股骨之間的接觸面積也在減小，因此，在隨后的某一時(shí)刻PFJS達(dá)到最大。

有研究認(rèn)為，騎行時(shí)KABDC處于25°～30°是比較合適的[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，采用Preferred、Medium鞍座高度騎行時(shí)KABDC處于30°左右，因此，建議騎行時(shí)采用Preferred、Medium兩種鞍座高度。盡管本研究發(fā)現(xiàn)采用較高（High）的座高騎行時(shí)，PFJS較小，但同時(shí)發(fā)現(xiàn)在BDC時(shí)刻具有最小的膝關(guān)節(jié)角度（21.6±5.4°）。有文獻(xiàn)報(bào)道，長(zhǎng)時(shí)間采用過(guò)高的鞍座騎行容易導(dǎo)致髂脛束綜合癥（iliotibial band syndrome）[15,20]，其發(fā)病原因可能與BDC時(shí)刻過(guò)小的膝關(guān)節(jié)角度（＜30°）[17]有關(guān)，因此，增加鞍座高度對(duì)于髕股關(guān)節(jié)痛患者來(lái)說(shuō)可能緩解疼痛，但是鑒于避免患髂脛束綜合癥的風(fēng)險(xiǎn)，建議髕股關(guān)節(jié)痛患者采用中等高度座高進(jìn)行康復(fù)騎行。

4.2 鞍座高度對(duì)PFJF的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，以較低鞍座高度騎行時(shí)存在著較大的PFJFpeak，PFJF隨鞍座高度的降低而增加。Ericson等[13]的研究同樣發(fā)現(xiàn)降低鞍座高度能夠增加PFJF。騎行任務(wù)（抵抗負(fù)荷）是由下肢三關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)共同完成的，較低的鞍座高度騎行限制了髖關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)的伸展，同時(shí)，膝關(guān)節(jié)屈曲角度的增加導(dǎo)致QF臂減小，在提供相同的力矩時(shí)，必然需要增加QF，同理，根據(jù)PFJF的計(jì)算方法，PFJF也必然增加。然而，Bini等[23]的研究沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鞍座高度對(duì)PFJF產(chǎn)生影響，這可能是由于鞍座之間的變化較?。ǎ?%），不足以引起膝關(guān)節(jié)負(fù)載的變化所導(dǎo)致。

表3 4種鞍座高度騎行時(shí)的QFpeak、PFJFpeak和PFJSpeak

4.3 鞍座高度對(duì)PFJS的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，以較低鞍座高度騎行時(shí)存在著較大的PFJSpeak，該發(fā)現(xiàn)支持了本研究PFJS隨鞍座高度的降低而增加的假設(shè)。根據(jù)計(jì)算PFJSpeak的模型可知，PFJSpeak的增大可能是由于PFJF的增加，或者是髕骨與股骨間接觸面積的減小導(dǎo)致。本研究的結(jié)果表明，降低鞍座高度可以引起PFJF的增加，這是造成本研究PFJS增大的根本原因。此外，本研究的另一研究結(jié)果，即降低鞍座高度可以引起QF的增加，根據(jù)PFJF的計(jì)算模型，這也可以解釋降低鞍座高度可以引起PFJF增加的原因。

本研究發(fā)現(xiàn)，盡管采用較低的座高騎行增加了膝關(guān)節(jié)屈曲角度，相對(duì)的增加了髕股關(guān)節(jié)接觸面積[4]，但同時(shí)也增加了PFJF，最終導(dǎo)致PFJSpeak增加。這對(duì)于那些患有PFP的患者來(lái)說(shuō)，采用較低的鞍座高度騎行時(shí)更能夠增加疼痛，因此，不建議采用較低的鞍座高度騎行。

此外，有多項(xiàng)研究探討了不同人群行走、跑步等運(yùn)動(dòng)中的PFJS，均大于本研究騎行時(shí)的數(shù)值。Ward等[26]發(fā)現(xiàn)，在快速行走中健康人群的PFJS峰值約為3.1 Mpa，高位髕骨人群約為4.9 Mpa。Vannatta等[24]研究了16名健康女性在兩種跑步模式下（足跟觸地與腳前掌觸地）的PFJS均值為15.8 MPa。類似的研究有Brechter等[8]發(fā)現(xiàn)，健康人群與具有髕股關(guān)節(jié)痛的人群在上、下樓梯過(guò)程中的PFJS均約為7 Mpa。上述結(jié)果均遠(yuǎn)大于本研究的發(fā)現(xiàn)（1.1 Mpa），由此可見(jiàn)，在低負(fù)荷情況下，騎行時(shí)的PFJSpeak要遠(yuǎn)小于走、跑、上下樓梯時(shí)的峰值應(yīng)力。僅從峰值應(yīng)力大小的角度來(lái)講，本研究的結(jié)果支持低負(fù)荷騎行可以作為一種健身騎行或康復(fù)騎行的建議。

4.4 本研究存在的局限性與后期展望

在本研究中，髕股關(guān)節(jié)受力的計(jì)算仍是基于前人生物力學(xué)模型的方法，該方法存在著一定程度的不足。首先，計(jì)算中假設(shè)伸膝力矩與凈關(guān)節(jié)力矩相等，這會(huì)導(dǎo)致對(duì)髕股關(guān)節(jié)受力的低估。因?yàn)閮絷P(guān)節(jié)力矩是伸肌力矩與屈肌力矩的合力矩，雖然在膝關(guān)節(jié)伸展過(guò)程中的屈肌力矩非常小，但嚴(yán)格意義上在研究中是不能忽略的。其次，本研究采用的股四頭肌肌力臂與髕股關(guān)節(jié)接觸面積都是根據(jù)前人的回歸方程計(jì)算得到的，但這些計(jì)算結(jié)果與真實(shí)運(yùn)動(dòng)中的人體數(shù)據(jù)不一定完全相符。最后，本文僅提供了應(yīng)力大小，并沒(méi)有提供應(yīng)力的分布，正如Besier等人[3]說(shuō)的，當(dāng)考慮患者的疼痛時(shí)，應(yīng)力的分布似乎更加重要，因?yàn)橄鄬?duì)較大的力作用在一個(gè)較小的面積上更能夠?qū)е绿弁?，但是僅通過(guò)計(jì)算平均壓力卻無(wú)法得到這一有用的信息。

針對(duì)上述不足，后期研究展望：1）采用如SIMI或Opensim等仿真軟件建立騎行中人體肌肉模型，以獲取相對(duì)精確的股四頭肌肌力；2）采用更為先進(jìn)的雙平面正交熒光成像技術(shù)（dual-fluoroscopic imaging system，DFIS）直接量化騎行中髕股關(guān)節(jié)的接觸面積，并采用有限元建模的方法計(jì)算PFJS的分布。

5 結(jié)論

較低的鞍座高度騎行時(shí)，具有較大的股四頭肌峰值肌力、髕股關(guān)節(jié)峰值力及髕股關(guān)節(jié)峰值應(yīng)力，同時(shí)，髕股關(guān)節(jié)峰值力出現(xiàn)時(shí)具有較大的膝關(guān)節(jié)角度，因此，從預(yù)防股髕關(guān)節(jié)疼痛綜合癥的觀點(diǎn)出發(fā)，騎行時(shí)需對(duì)鞍座高度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，不建議采用較低的鞍座高度長(zhǎng)時(shí)間騎行；對(duì)于髕股關(guān)節(jié)痛患者，建議采用中等高度座高（腳置于踏板，位于下死點(diǎn)時(shí)膝關(guān)節(jié)屈曲角度30°左右）進(jìn)行低負(fù)荷的康復(fù)騎行。

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Effects of Saddle Heights on Patellofemoral Joint Force and Stress during Cycling

WANG Yong1,2, LIANG Lei-chao3, WANG Dong-hai1, TANG Yun-qi1,4, Fu Wei-jie1,WU Xie1, LIU Yu1

1. Shanghai University of Sport, Shanghai 200438, China; 2. Liaocheng University, Liaocheng 252000, China; 3.Shanghai University of Medicine&Health Sciences, Shanghai 201318, China;4. Shaanxi University of Science & Technology, Xi’an 710021, China.

Objective: Prior research indicates that overuse of forces and great angle movements at the knee joints during cycling may lead to a high risk of knee injury, including patellofemoral pain. The purpose of this study was to evaluate the effects of different saddle heights on patellofemoral joint force and stress during cycling. Methods: 20 healthy subjects, serving as self-control, performeda cycling task with the saddle set at four different heights (Low, Medium, High, and Preferred). Data across the four different saddle heights were collected by using 3D Kinematics and pedal reaction force.The dependent variables were peak quadriceps, patellofemoral joint force, joint stress, and angle at knee joints. Results: Results from the MANOVA test showed an overall significant difference attributable to saddle height (＜0.05), indicated that, compared with High, Medium, and Preferred heights, performance at the Low saddle height showed greater peak quadriceps force, peak patellofemoral joint force,and peak patellofemoral joint stress (＜0.05). In addition, compared with High, Medium, and Preferred heights, the instant angle at the knee joint during the Low height performance was shown to be greatest at the peak of the patellofemoral joint force(＜0.05). No differences were observed, however, for the angle at the knee joint for the joint stress. Conclusion: Comparing to higher saddle positions during cycling, a low saddle height produced greater peak quadriceps force, patellofemoral joint force, patellofemoral joint stress, and greater knee angle shown at the peak of the patellofemoral joint force. These results suggest that cycling with a low saddle height may have a negative impact on patellofemoral joints.

G804.63

A

1000-677X(2018)06-0060-07

10.16469/j.css.201806007

2018-02-13；

2018-06-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81572213); 上海市科委重點(diǎn)項(xiàng)目(17080503200); 上海體育學(xué)院研究生教育創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(yjscx2016002); 山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2014CL014)。

王勇,男,講師,在讀博士研究生,主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué), E-mail: bihai_zhixin@163.com; 劉宇,男,教授,博士,博士研究生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué)、體育工程,E-mail: yuliu@sus.edu.cn。