疾跑時股后肌群的生物力學(xué)特征
——對拉傷危險時相的分析

萬祥林，曲 峰，劉 卉，于 冰

股后肌群拉傷是體育運動中最為常見的損傷之一，多發(fā)于田徑、足球、澳式橄欖球、英式橄欖球、美式橄欖球等涉及快速奔跑、跳躍、踢等動作的項目（Mendiguchia et al.，2012；Opar et al.，2012），其中，疾跑是最主要的損傷動作形式（Brooks et al.，2006;Woods et al.，2004）。拉傷的高損傷率和復(fù)發(fā)率會導(dǎo)致運動員缺席比賽，造成巨大的經(jīng)濟損失等（Askling et al.，2006;Ekstrand et al.，2012;Hickey et al.，2014）。盡管大量的人力、物力、財力被投入用于預(yù)防股后肌群的拉傷和提高拉傷的康復(fù)效果，然而近30年來，股后肌群的損傷率一直沒有下降（Liu et al.，2012;Ramos et al.，2017），因此，當(dāng)前迫切需要研究并提出預(yù)防拉傷和提高康復(fù)效果的有效措施。

明確損傷機制是預(yù)防股后肌群拉傷和提高損傷后康復(fù)效果的前提，而了解疾跑時股后肌群拉傷的生物力學(xué)條件對于探明拉傷機制具有重要意義。目前，針對股后肌群拉傷易發(fā)生在跑步周期的支撐相還是擺動相仍存在爭議。由于人的痛覺的滯后性，很難通過現(xiàn)場視頻或傷者本人的描述來判斷運動中拉傷發(fā)生的時刻，因此，實驗室生物力學(xué)研究是分析跑動過程中股后肌群易傷時相的主要方法。Mann（1981）和魏書濤等（2009）發(fā)現(xiàn)，屈膝力矩和伸髖力矩的峰值出現(xiàn)在疾跑支撐相初期，因此認為股后肌群承受巨大負荷使得支撐相初期成為拉傷發(fā)生的高危時相。Sun 等（2015）還發(fā)現(xiàn)，在擺動相末期，有一個比支撐相初期更大的屈膝、伸髖力矩，認為支撐相初期和擺動相末期均是疾跑股后肌群拉傷的高危時刻。然而，許多學(xué)者通過動物模型研究表明，拉傷主要是在肌肉處于拉長狀態(tài)下發(fā)生的，拉傷的直接原因是肌肉應(yīng)變過大，而與肌肉收縮力和速度不相關(guān)（Yu et al.，2017），因此，屈膝、伸髖力矩大并不一定是股后肌群拉傷的原因。肌肉應(yīng)變是指肌肉相對靜息長度的增量與肌肉靜息長度的比值（Enoka，2008）。Thelen 等（2005）發(fā)現(xiàn)，在跑臺上疾跑的擺動相末期，股后肌群出現(xiàn)長度峰值且處于離心收縮狀態(tài)，故認為拉傷易發(fā)生在擺動相末期。Yu等（2008）分析了地面上跑時股后肌群的運動學(xué)及肌電特征，發(fā)現(xiàn)在擺動相末期和支撐相末期，股后肌群均出現(xiàn)長度峰值并處于離心收縮狀態(tài)，且擺動相末期的長度更長、激活程度最高，因此得出疾跑的擺動相末期和支撐相末期是股后肌群易拉傷的時相，且擺動末期拉傷的風(fēng)險可能更高。這些分析運動中股后肌群拉傷機制的研究，或是采用股后肌群的絕對長度，或是采用肌肉長度相對直立時肌肉長度的形變量來間接反應(yīng)肌肉的應(yīng)變，鮮見討論與拉傷直接相關(guān)的股后肌群應(yīng)變特征。

本研究在測量計算受試者股后肌群最優(yōu)長度的基礎(chǔ)上，分析疾跑一個步態(tài)周期過程中股后肌群應(yīng)變特征，同時結(jié)合疾跑過程中下肢運動學(xué)、動力學(xué)和股后肌群激活特征等參數(shù)的分析，探討股后肌群拉傷的危險時相，深入分析疾跑時股后肌群拉傷的機制。

1 研究對象與方法

1.1 受試者

本研究受試者為男、女各20名有短跑訓(xùn)練經(jīng)驗的大學(xué)生（表1）。所有受試者無股后肌群拉傷史，下肢及足部半年內(nèi)無明顯損傷，實驗前48 h未從事劇烈運動。所有受試者均簽署了知情同意書。

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理

受試者著緊身衣褲，在身上粘貼反光標志點（第4、5腰椎棘突中點，以及左右側(cè)的髂前上棘、髂嵴最高點、股骨大轉(zhuǎn)子、股骨外側(cè)髁、股骨內(nèi)側(cè)髁、脛骨粗隆、腓骨外踝、脛骨內(nèi)踝、足跟及足尖），通過肌電儀（NoraxonTeleMyo 2400T G2，Noraxon Inc.，Scottsdale，AZ，USA，3 000Hz）采集兩側(cè)股二頭肌和半腱半膜肌的肌電信號，同時通過8鏡頭紅外高速運動捕捉系統(tǒng)（Motion Analysis Raptor-4，Motion Analysis Corp.，Santa Rosa，CA，USA， 200Hz）、三維測力臺（Kistler 9281CA，Kistler Instruments，Winterthur，Switzerland，1 000 Hz）與肌電同步采集體表標志點坐標和地面反作用力數(shù)據(jù)。跑步距離約35 m，受試者在距離測力臺直線距離約20 m處以站立式起跑姿勢準備，聽到口令后盡最快的速度跑過測試區(qū)域。受試者以正常步態(tài)、無任何步伐調(diào)整并以測試腳著在測力臺上視為1次有效測試。受試者每側(cè)腿完成3次有效測試，每次之間休息60 s，疾跑測試獲得的指標取3次結(jié)果的平均值。

表1 受試者基本信息Table 1 Basic Information of Subjects

受試者完成疾跑測試后，保持原有體表標志點不變，坐在等速測試儀上（Isomed 2000，D&R Ferstl GmbH，Hemau，Germany），保持髖屈約90°，測試腿的大腿及小腿分別被固定在座椅和機械臂上，防止代償動作以保證只能完成膝的屈伸運動，膝的屈伸軸與機械臂的轉(zhuǎn)動軸對齊。測試的機械臂活動范圍為110°，膝完全伸直時機械臂的位置為0°。受試者每側(cè)腿盡全力完成3次角速度為10°/s的等速屈膝運動，每次之間休息90 s。體表標志點的坐標通過10鏡頭紅外運動捕捉系統(tǒng)（Qualisys，Gothenburg，Sweden）采集，并與等速力矩數(shù)據(jù)同步。

采集的所有體表標志點三維坐標，運用Butterworth低通濾波法進行平滑，截斷頻率為13 Hz（Yu et al.，1999）。根據(jù)標志點坐標建立骨盆、大腿、小腿和足的環(huán)節(jié)坐標系。參照前人研究（Wan et al.，2017；Yu et al.，2008）計算股后肌群各肌肉起、止點在大地坐標系中的坐標。肌肉的長度為大地坐標系中肌肉起、止點連線的距離。由于目前難以獲取在體肌肉的靜息長度，肌肉的最優(yōu)長度可近似當(dāng)作肌肉的靜息長度（Kaufman et al.，1991），肌肉的最優(yōu)長度是指肌肉產(chǎn)生最大收縮力時的長度（Chang et al.，1999）。股后肌群每塊肌肉的收縮力根據(jù)等速屈膝力矩、肌肉的生理橫截面積、肌肉力臂計算獲得，具體的計算方法可參照我們之前的研究（Wan et al.，2017）。某一時刻某塊肌肉的應(yīng)變（εt）由這一時刻肌肉的長度（Lt）和肌肉的最優(yōu)長度（L0）計算獲得，即εt=（Lt-L0）/L0。

一個步態(tài)周期定義為腳著地到該腳再次著地。跑速定義為第4、5腰椎棘突中點在一個步態(tài)周期中的平均速度。肌肉拉伸速度為單位時間內(nèi)肌肉長度的變化。采用歐拉角的方法（Kadaba et al.，1990）計算髖、膝、踝的三維角度。采用逆動力學(xué)的方法（Frankel et al.，1950）計算下肢關(guān)節(jié)的三維凈力矩，其中人體慣性參數(shù)采用DeLeva（1996）修正后的Zatsiorsky-Seluyanovs人體慣性參數(shù)。關(guān)節(jié)功率為關(guān)節(jié)凈力矩與關(guān)節(jié)角速度的乘積。疾跑過程中肌電的原始信號采用帶通濾波進行處理，濾波器范圍為10～800 Hz，之后進行全波整流，全波整流后的信號再經(jīng)過20 Hz的低通濾波，獲得肌電的線性包絡(luò)線。采用3次樣條插值法對各指標按步態(tài)周期進行歸一化處理。

1.3 統(tǒng)計分析

采用混合設(shè)計雙因素方差分析檢驗不同肌肉（股二頭肌長頭、半腱肌、半膜?。┖托詣e（男、女）對疾跑時肌肉最大應(yīng)變及到達最大應(yīng)變時間的影響，將肌肉作為重復(fù)測量因素。所有統(tǒng)計學(xué)分析采用SPSS 16.0軟件（SPSS，Chicago，IL，USA）完成，統(tǒng)計學(xué)顯著性的定義為一類錯誤概率不大于0.05。

2 結(jié)果

男性受試者的跑速為8.16±0.52 m/s，女性受試者的跑速為6.78±0.55 m/s。在跑步周期中支撐相所占百分比男、女分別為25.93%±0.03%、27.02%±0.02%。

疾跑時1個步態(tài)周期內(nèi)股后肌群3塊雙關(guān)節(jié)肌的應(yīng)變（圖1）從著地開始先逐漸減小至步態(tài)周期的55%左右，之后開始增大，應(yīng)變峰值出現(xiàn)在步態(tài)周期的90%左右（表3），此后減小至足觸地。3塊肌肉的收縮速度在應(yīng)變減小階段表現(xiàn)為負值，在應(yīng)變增大階段表現(xiàn)為正值（圖1）。

方差分析結(jié)果顯示（表2），疾跑過程中股后肌群不同肌肉的最大應(yīng)變有顯著性差異（F =6.156，P =0.003），但在性別間差異不顯著（F =0.757，P =0.387），肌肉與性別的交互作用不顯著（F =0.682，P =0.507）。后續(xù)檢驗表明，股二頭肌長頭（P =0.002）和半腱?。≒ =0.029）的最大應(yīng)變大于半膜肌。

肌肉與性別對疾跑過程中股后肌群最大應(yīng)變出現(xiàn)時間（表3）的影響有顯著的交互作用（F =8.213，P =0.001）。后續(xù)獨立樣本t檢驗表明，股二頭肌長頭（F =5.976，P =0.515）、半膜?。‵ =7.480，P =0.657）和半腱?。‵ =8.904，P =0.084）最大應(yīng)變出現(xiàn)時間在性別之間無顯著性差異。單因素重復(fù)測量方差分析結(jié)果表明，不同肌肉最大應(yīng)變出現(xiàn)時間在男（F =50.041，P =0.001）、女（F =99.598，P =0.001）上均有顯著性差異，后續(xù)檢驗表明男性（P=0.001，P =0.001，P =0.001）與女性（P =0.001，P =0.001，P =0.018）均呈現(xiàn)半膜肌最大應(yīng)變出現(xiàn)時間晚于股二頭肌長頭和半腱肌，股二頭肌長頭晚于半腱肌。

表2 疾跑過程中股后肌群的最大肌肉應(yīng)變Table 2 Peak Muscle Strains during the Sprinting Gait Cycle

表3 疾跑過程中股后肌群最大肌肉應(yīng)變出現(xiàn)時間Table 3 Time of Occurrence of Peak Muscle Strain during the Sprinting Gait Cycle

下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)矢狀面關(guān)節(jié)凈力矩（圖2）表明，在觸地初期，髖、膝、踝關(guān)節(jié)表現(xiàn)為伸髖、屈膝和跖屈力矩，之后的支撐相主要表現(xiàn)為伸髖、伸膝和跖屈力矩。在擺動相，髖關(guān)節(jié)先后表現(xiàn)為屈髖和伸髖力矩，而膝關(guān)節(jié)則先后表現(xiàn)為伸膝和屈膝力矩，擺動相踝關(guān)節(jié)處于放松，力矩幾乎為零。矢狀面關(guān)節(jié)功率曲線（圖2）表明，在支撐相前期，伸髖力矩做正功，支撐相末期至擺動相初期，屈髖力矩做負功，之后屈髖力矩做正功，擺動相中后期伸髖力矩先做負功后做正功。支撐相膝關(guān)節(jié)主要為伸膝力矩先做負功后做正功，擺動相前期伸膝力矩做負功，擺動相后期屈膝力矩做負功。踝關(guān)節(jié)在支撐相表現(xiàn)為跖屈力矩先做負功后做正功，擺動相功率幾乎為零。

股后肌群的肌電線性包絡(luò)線的變化（圖3）表明，內(nèi)外側(cè)的股后肌群均在疾跑支撐相初期和擺動相末期激活程度較高，而在支撐相末期和擺動相初、中期激活程度較低。

圖3 疾跑步態(tài)周期內(nèi)股后肌群的肌電線性包絡(luò)線Figure 3. Linear Envelop EMG of Hamstring during the Sprinting Gait Cycle

3 討論

疾跑過程中股后肌群拉傷機制的一個重要問題便是明確拉傷易發(fā)生的時相。本研究的結(jié)果表明，股后肌群3塊雙關(guān)節(jié)肌的最大應(yīng)變均出現(xiàn)在疾跑擺動相末期，此前有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在跑臺上（Thelen et al.，2005）和地面上（Wood，1987；Yu et al.，2008）跑時，股后肌群的最大長度出現(xiàn)在擺動相末期。研究已經(jīng)表明，肌肉拉傷是離心收縮狀態(tài)下肌肉應(yīng)變過大導(dǎo)致的。本研究的結(jié)果和前人的研究共同表明，疾跑擺動相末期是股后肌群拉傷的危險時相。此外，有研究（Wood，1987；Yu et al.，2008）還發(fā)現(xiàn)，在疾跑支撐相末期，股后肌群也存在一個長度峰值，因此，他們認為，支撐相末期也是一個危險時相。這種前人研究之間的差異可能是跑臺上跑和地面上跑之間動作模式不同導(dǎo)致的（Yu et al.，2008）。而本研究的結(jié)果并不支持支撐相末期是危險時相的結(jié)論，對比本研究和Yu等（2008）的研究方法可以發(fā)現(xiàn)，他們研究中的受試者在疾跑時可能仍處在明顯的加速階段，因為受試者的起跑位置距離動作采集區(qū)域僅有約10 m。有研究（Higashihara et al.，2015）表明，與疾跑速度保持階段軀干基本保持直立相比，在加速跑階段軀干傾向于前傾姿勢，軀干前傾會使得骨盆前傾角和髖關(guān)節(jié)屈角增大，骨盆前傾和髖關(guān)節(jié)屈角增大使得股后肌群被拉得更長，而這便可能導(dǎo)致在疾跑加速跑的支撐相后期股后肌群存在一個長度峰值。

部分研究者根據(jù)屈膝和伸髖力矩峰值出現(xiàn)時間認為，支撐相初期（Mann，1981；Sun et al.，2015；魏書濤 等，2009）和擺動相末期（Sun et al.，2015）是疾跑股后肌群拉傷的高危時刻。本研究的下肢關(guān)節(jié)力矩結(jié)果與前人的發(fā)現(xiàn)基本一致，在著地初期，由于地面反作用力通過髖、膝關(guān)節(jié)的前方，地面反作用力在髖、膝關(guān)節(jié)處產(chǎn)生了一個很大的屈髖、伸膝力矩，為了抵抗地面反作用力的作用，腿部的肌肉，主要是股后肌群收縮產(chǎn)生了較大的伸髖、屈膝力矩。在擺動末期，股后肌群收縮產(chǎn)生一個很大的屈膝、伸髖力矩來抵抗小腿加速前擺。從肌電信號也可以發(fā)現(xiàn)，股后肌群在支撐相初期和擺動相末期處于劇烈收縮的狀態(tài)。但是，從本研究的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，股后肌群的肌肉拉伸速度在疾跑支撐相為負值，即處于縮短的狀態(tài)。在支撐相初期，下肢髖、膝關(guān)節(jié)的凈功率為正值，伸髖屈膝肌群做正功，意味著肌肉向心收縮產(chǎn)生能量并向肢體傳遞。上述結(jié)果均表明，在疾跑支撐相初期股后肌群是處于向心收縮狀態(tài)的，盡管這一階段肌肉會產(chǎn)生巨大的屈膝和伸髖力矩，但肌肉拉傷是由過大的應(yīng)變導(dǎo)致的，而巨大的肌肉收縮力并不是必要條件，目前沒有研究可以直接表明肌肉會在向心收縮狀態(tài)下發(fā)生拉傷。因此，本研究并不支持疾跑支撐相初期是股后肌群易拉傷的危險時相。

研究結(jié)果顯示，男女在疾跑時的股后肌群最大應(yīng)變并沒有顯著性差異，這一結(jié)果提示，疾跑時股后肌群的拉傷風(fēng)險可能沒有性別差異。然而，這與許多臨床研究的結(jié)論并不一致，很多研究發(fā)現(xiàn)，在各種涉及高速奔跑的運動中，男性的股后肌群拉傷率均高于女性（Dalton et al.，2015；Opar et al.，2014）。造成這一結(jié)論不同的原因可能是在比賽和訓(xùn)練中，男女之間的運動強度和疲勞程度不同。許多研究已經(jīng)表明，疲勞是股后肌群拉傷的一個危險因素，大部分的股后肌群拉傷發(fā)生都在比賽或訓(xùn)練的后程（Brooks et al.，2006；Woods et al.，2004）。疲勞的肌肉抵抗被拉長的能力下降，在吸收相同能量的情況下，相比未疲勞的肌肉，疲勞的肌肉會被拉得更長，從而更容易達到被拉傷的應(yīng)變條件（Mair et al.，1996）。疲勞程度的增加使得人體的本體感覺能力下降（Allen et al.，2010），改變?nèi)思才軙r的運動學(xué)和動力學(xué)特征，從而增加股后肌群的長度（Small et al.，2009，2010），進而影響肌肉的最大應(yīng)變。今后的研究需要進一步確定性別和疲勞對疾跑時最大應(yīng)變的影響，從而明確性別和疲勞是否對最大應(yīng)變的影響產(chǎn)生交互作用，最終有助于理解性別對股后肌群拉傷風(fēng)險的影響機制。

研究結(jié)果顯示，股二頭肌長頭和半腱肌的最大應(yīng)變大于半膜肌，這一結(jié)果提示，在疾跑時，股二頭肌長頭和半腱肌比半膜肌的拉傷風(fēng)險更高。這與許多臨床研究的結(jié)果一致，本研究的結(jié)果可以部分解釋流行病學(xué)呈現(xiàn)出的現(xiàn)象。流行病學(xué)的研究結(jié)果表明，股二頭肌長頭是股后肌群多塊肌肉中拉傷率最高的肌肉（Askling et al.，2007；Slavotinek et al.，2002），一些研究表明，半腱肌的拉傷率高于半膜肌（De Smet et al.，2000；Slavotinek et al.，2002），但也有部分研究顯示半膜肌的損傷率高于半腱?。↘oulouris et al.，2003；Speer et al.，1993）。此外，本研究結(jié)果還顯示，股二頭肌長頭和半膜肌疾跑時最大肌肉應(yīng)變出現(xiàn)時間晚于半腱肌，半膜肌晚于股二頭肌長頭，表明，不同股后肌群肌肉拉傷出現(xiàn)的時刻可能不同。但是，通過現(xiàn)有的技術(shù)，臨床上要獲得股后肌群不同肌肉拉傷的準確時刻還很困難，今后還需要進一步驗證本研究的結(jié)果。

4 結(jié)論

疾跑時股后肌群最大應(yīng)變出現(xiàn)在擺動相末期，提示，股后肌群拉傷更易發(fā)生于疾跑擺動末期。疾跑時股后肌群最大應(yīng)變無性別差異。疾跑時股后肌群各肌肉最大應(yīng)變不同，這可能是疾跑時各肌肉拉傷率不同的原因之一。