非預(yù)期條件下女足運動員側(cè)切動作中膝關(guān)節(jié)運動生物力學(xué)特性

鄒利民，毛麗娟，梁雷超，湯運啟，李 震

（1.上海體育學(xué)院體育教育訓(xùn)練學(xué)院，上海200438；2.井岡山大學(xué)體育學(xué)院，江西吉安343009；3.上海健康醫(yī)學(xué)院康復(fù)學(xué)院，上海201318）

快速變向能力是優(yōu)秀足球運動員必備的專項技術(shù)，在比賽中可以有效地擺脫對手。據(jù)統(tǒng)計，每一場正式的足球比賽中，人均變向動作多達700余次，且多為90°左右的大幅度變向動作［1］，其側(cè)切動作（sidestep-cutting）是快速變向動作中最為常用的技術(shù)之一。因此，側(cè)切動作一直是足球技術(shù)研究的重點，而與側(cè)切動作有關(guān)的運動損傷問題則是其中的一個熱點話題。有大量研究發(fā)現(xiàn)，側(cè)切動作與足球運動員常見的膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）損傷有密切聯(lián)系，70%以上的ACL損傷出現(xiàn)在急速的側(cè)切動作中［2-3］，且女子足球運動員ACL損傷的概率遠(yuǎn)高于男性，約為男子的2～3倍［4-5］。

傳統(tǒng)上對跳躍-落地、側(cè)切等動作中的ACL損傷風(fēng)險因素的研究多采用預(yù)期試驗?zāi)Ｊ竭M行，即在受試者有準(zhǔn)備的狀態(tài)下，來完成指定動作（落地、側(cè)切或2者結(jié)合），然后分析動作當(dāng)中的下肢運動特點［6-8］。然而，這種預(yù)期條件下的測試并不能完全真實地反映運動員在比賽環(huán)境中的實際情況。足球比賽中，運動員經(jīng)常面對外界的突然變化做出快速的反應(yīng)，如為擺脫對手瞬間變向，或為接隊友來球突然動作，這些外來刺激都是在不確定或非預(yù)期（unanticipated）條件下發(fā)生的。因此，與預(yù)期條件下的測試相比，非預(yù)期條件下的測試可以更好地模擬比賽環(huán)境的實際情況（非預(yù)期條件是指受試者預(yù)先不知道測試動作的方向或者路線，而需通過視覺預(yù)判做出臨時反應(yīng)）［9］。

然而，目前大部分關(guān)于女子足球運動員的運動損傷問題研究是在預(yù)期條件下分析側(cè)切或急停起跳等動作時對膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)影響，只有少數(shù)研究對比了預(yù)期與非預(yù)期條件下的45°側(cè)切動作，發(fā)現(xiàn)非預(yù)期條件下完成45°側(cè)切動作時由于膝關(guān)節(jié)的外翻角度、外翻力矩及內(nèi)旋力矩的增加，膝關(guān)節(jié)需承載負(fù)荷更大，導(dǎo)致非接觸性ACL損傷的風(fēng)險可能增大［10-12］。除45°側(cè)切動作外，90°及更大角度的側(cè)切動作在實際足球比賽中的采用也十分頻繁，由于動作幅度更大，膝關(guān)節(jié)有著更高的ACL損傷發(fā)生風(fēng)險。

由于非預(yù)期條件下完成大角度（≥90°）側(cè)切動作時的膝關(guān)節(jié)運動及受力特點目前尚不明確，因此，本文目的在于比較女子足球運動員預(yù)期和非預(yù)期2種條件下，完成90°側(cè)切動作過程中膝關(guān)節(jié)運動學(xué)及動力學(xué)方面的異同，嘗試了解非預(yù)期條件下女子足球運動員膝關(guān)節(jié)ACL損傷潛在的風(fēng)險，以期為相關(guān)的變向技術(shù)動作提供數(shù)據(jù)與理論支撐。

1 研究對象與方法

本文關(guān)于女子足球運動員完成側(cè)切動作時的假設(shè)如下：①完成90°側(cè)切動作時，非預(yù)期條件與預(yù)期條件下，觸地時刻膝關(guān)節(jié)著地狀態(tài)不同；②與預(yù)期條件相比，緩沖階段非預(yù)期條件下膝關(guān)節(jié)屈曲角度變小，外翻角度和力矩增大；③與預(yù)期條件相比，非預(yù)期條件下膝關(guān)節(jié)承受的負(fù)荷更大，并增加ACL損傷發(fā)生風(fēng)險。

1.1 研究對象本文招募21名大學(xué)女子足球運動員，要求為受試者在過去1年中無下肢損傷，且自愿參與本項目測試。招募的受試者情況：年齡（18.4±1.4）歲，身高（166.0±5.2）cm，體質(zhì)量（60.1±5.5）kg；已訓(xùn)練年限約為10年；其中，運動水平達到國家健將的2名，達到一級的16名，達到二級的3名。在測試開始前，告知所有受試者測試內(nèi)容，征得其同意后簽署知情同意書。

1.2 測試方案

1.2.1 測試儀器 測試儀器包括三維紅外運動捕捉系統(tǒng)、三維測力臺及紅外光柵阻斷設(shè)備。

（1）三維紅外運動捕捉系統(tǒng)。采用16臺三維紅外攝像頭（T40）和英國產(chǎn)運動捕捉系統(tǒng)（vicon motion analysis），配套直徑14 mm的反光標(biāo)志球，用于采集膝關(guān)節(jié)運動學(xué)參數(shù)，采樣頻率為200 Hz。

（2）三維測力臺。采用瑞士Kistler Instruments AG Corp.生產(chǎn)的三維測力臺1塊（90 cm×60 cm×10 cm），用于采集測試動作的動力學(xué)參數(shù)，采樣頻率為1000 Hz。

（3）自制紅外光柵阻斷設(shè)備?；贏rduino開源電子原型平臺，自主設(shè)計并加工制作紅外光柵阻斷器。阻斷器分為紅外發(fā)射器、紅外接收器及轉(zhuǎn)向燈3個部分，其中紅外發(fā)射器和接收器分別放置在跑道兩側(cè)距離測力臺中心前2 m處，轉(zhuǎn)向燈屏幕放置在距測力臺邊緣后4 m處（圖1）。阻斷器主要用于模擬測試時的非預(yù)期條件，受試者助跑經(jīng)過并阻斷紅外線時，代表3個不同動作的轉(zhuǎn)向燈會隨機亮起，提示受試者依據(jù)視覺判斷來完成測試動作。

圖1 測試儀器與助跑場地布置情況Figure 1 Experimental set-ups and instrumentation

1.2.2 測試流程 為了使實驗室條件下的非預(yù)期側(cè)切動作指令更加符合足球運動中的“非預(yù)期”實際情況，本文在非預(yù)期條件的設(shè)計上混雜了側(cè)切90°（優(yōu)勢腿觸地后，向優(yōu)勢腿對側(cè)90°轉(zhuǎn)向）、橫切45°（優(yōu)勢腿觸地后，向優(yōu)勢腿同側(cè)45°轉(zhuǎn)向）、轉(zhuǎn)身180°（優(yōu)勢腿觸地后，向后180°轉(zhuǎn)向）這3個足球比賽中最為見的變向動作，運動員在跑步過程中需根據(jù)轉(zhuǎn)向燈的隨機指令來完成相應(yīng)的變向動作，使得隨機完成的側(cè)切動作在理論上滿足非預(yù)期假設(shè)。

測試前，要求所有受試者進行10 min慢跑熱身及3 min拉伸練習(xí)，身著測試服飾（背心、短褲、鞋和襪子），確定優(yōu)勢腿［13］（慣用踢球腿，本文受試者優(yōu)勢腿均為右腿）。38個直徑14 mm的反光標(biāo)志求球放置在受試者骨盆及下肢的骨性標(biāo)志點上（見圖2）。測試前向受試者說明測試流程、測試動作及注意事項，并留出時間給受試者熟悉3種變向動作。

圖2 受試者紅外反光標(biāo)志球放置的位置Figure 2 The set-up of marker position

正式測試時，要求每名受試者在長7 m的場地上（圖1）全速助跑，完成預(yù)期和非預(yù)期2種條件下的測試。預(yù)期條件下按指令只完成90°側(cè)切動作；非預(yù)期條件下，受試者助跑通過紅外線阻斷設(shè)備后，需根據(jù)轉(zhuǎn)向燈的指示方向完成變向動作，要分別完成隨機側(cè)切、橫切、轉(zhuǎn)身動作各5次。測試要求受試者快速完成測試動作，助跑速度需≥3 m/s。，本文對預(yù)期和非預(yù)期條件下的測試結(jié)果各選3次有效的側(cè)切動作數(shù)據(jù)進行分析。鑒于本文主要關(guān)注的動作為側(cè)切，因此橫切與轉(zhuǎn)身動作的測試數(shù)據(jù)不進入分析流程。

1.3 數(shù)據(jù)處理將側(cè)切動作過程定義為從支撐足著地（測力臺）至支撐足離地。著地與離地的判斷標(biāo)準(zhǔn)為：地面反作用力垂直分量≥10 N即為著地，≤10 N則為離地。根據(jù)肌肉的工作性質(zhì)，整個側(cè)切動作又可分為緩沖階段與蹬伸階段：緩沖階段從支撐足著地至膝關(guān)節(jié)最大屈（膝關(guān)節(jié)伸肌離心收縮），蹬伸階段從膝關(guān)節(jié)最大屈至支撐足離地（膝關(guān)節(jié)伸肌向心收縮）。將捕捉得到的運動學(xué)和動力學(xué)原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入Visual 3D分析軟件，采用Butterworth四階低通濾波器對原始運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)進行濾波平滑，截止頻率分別為設(shè)為 12 Hz和 100 Hz［14］。

選取指標(biāo)：膝關(guān)節(jié)在助跑速度（采用著地瞬間的重心水平速度）、觸地時刻及緩沖階段這3個運動平面中的角度值；緩沖階段垂直地面反作用力峰值；側(cè)向地面反作用力峰值；膝關(guān)節(jié)角度和力矩峰值及其時間曲線。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析所得結(jié)果采用“均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示，并采用配對樣本t檢驗觀察2種條件下側(cè)切動作時膝關(guān)節(jié)的運動學(xué)和動力學(xué)差異，顯著性水平設(shè)定為P＜0.05。統(tǒng)計軟件采用SPSS19.0。

2 研究結(jié)果

2.1 預(yù)期/非預(yù)期條件下助跑速度測試者以最快速度助跑，非預(yù)期條件下助跑速度（3.01±0.27）m/s明顯小于預(yù)期條件下助跑速度（3.39±0.35）m/s（P＜0.05）。

2.2 預(yù)期/非預(yù)期條件下運動學(xué)指標(biāo)如圖3所示，在整個側(cè)切動作過程中，預(yù)期和非預(yù)期2種條件下膝關(guān)節(jié)額狀面基本均處于外翻狀態(tài)，水平面處于內(nèi)旋狀態(tài)，矢狀面處于屈曲狀態(tài)，二者的角度變化趨勢基本一致。但相比于預(yù)期條件，非預(yù)期條件下各角度均有所增大。

圖3 支撐期矢狀面、額狀面、水平面膝關(guān)節(jié)角度變化曲線Figure 3 Knee joint angles in sagittal,frontal,transverse plane during the stance phase

如表1所示，觸地時刻，非預(yù)期條件下最大膝屈角度和內(nèi)旋角度均顯著大于預(yù)期條件下的角度（P＜0.05）；非預(yù)期條件下膝關(guān)節(jié)處于外翻狀態(tài)（角度為-0.17°±4.23°）；而預(yù)期條件下膝關(guān)節(jié)呈內(nèi)翻狀態(tài)（角度1.30°±4.31°）。

表1 觸地時刻膝關(guān)節(jié)最大角度Table 1 Peak angles of knee joint in sagittal,frontal,transverse plane at initial contact

如表2所示，緩沖階段，非預(yù)期條件下最大膝屈角顯著大于預(yù)期條件下的角度（P＜0.05）；非預(yù)期條件下最大外翻角度和內(nèi)旋角度顯著大于預(yù)期條件下的角度（P＜0.05）；而預(yù)期條件下最大內(nèi)翻角度大于非預(yù)期條件下的角度（P＜0.05）。

表2 緩沖階段矢狀面、額狀面、水平面膝關(guān)節(jié)最大角度Table 2 Peak angles of knee joint in sagittal,frontal,transverse plane at buffer phase

2.3 預(yù)期/非預(yù)期條件下動力學(xué)指標(biāo)如表3所示，緩沖階段非預(yù)期條件下垂直地面反作用力顯著小于預(yù)期條件下的反作用力（P＜0.05）；而非預(yù)期條件下側(cè)向地面反作用力顯著大于預(yù)期條件下的反作用力。

表3 緩沖階段地面反作用力峰值Table 3 Peak ground reaction force at buffer phase

如圖4所示，側(cè)切動作過程的前10%階段，預(yù)期和非預(yù)期2種條件下，膝關(guān)節(jié)均受到內(nèi)翻力矩和內(nèi)旋力矩的作用，但預(yù)期條件下的內(nèi)翻力矩大于非預(yù)期條件下的力矩；在之后的部分緩沖和蹬伸階段，非預(yù)期條件下膝關(guān)節(jié)受到外翻力矩和外旋力矩的作用，而在預(yù)期條件下則受到內(nèi)翻力矩和內(nèi)旋力矩的作用，2種條件下膝關(guān)節(jié)額狀面和水平面上所受的力矩有著本質(zhì)上的差異。

圖4 支撐期額狀面、矢狀面、水平面膝關(guān)節(jié)力矩變化Figure 4 Knee joint moments in sagittal,frontal,transverse plane during the stance phase

3 討論

本文主要目的在于比較女子足球運動員在預(yù)期和非預(yù)期條件下，完成90°側(cè)切動作過程中膝關(guān)節(jié)運動學(xué)、動力學(xué)指標(biāo)之間的差異，以了解非預(yù)期條件下膝關(guān)節(jié)發(fā)生非接觸性ACL損傷的潛在風(fēng)險。

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，非預(yù)期條件下觸地時刻膝關(guān)節(jié)處于外翻狀態(tài)，而預(yù)期條件下膝關(guān)節(jié)呈內(nèi)翻狀態(tài)，非預(yù)期條件下緩沖階段膝關(guān)節(jié)最大外翻、內(nèi)旋角度都明顯大于預(yù)期條件下的角度。造成這些結(jié)果的原因，可能是由于非預(yù)期條件下存在對動作方向的視覺預(yù)判，受試者需在極短的時間內(nèi)進行姿勢調(diào)整。有研究認(rèn)為在這種條件下，只有利用腳外翻著地以及靠身體向外傾斜來完成觸地時的啟動［15］，進而增加了膝關(guān)節(jié)的外翻角度和內(nèi)旋角度。而預(yù)期條件下，受試者不需要先對動作方向進行視覺預(yù)判，在觸地前有較充分的準(zhǔn)備時間，能改變神經(jīng)反射性反應(yīng)并進行姿勢調(diào)整，使身體保持一種合適的啟動姿勢［15-17］，因此不需要額外改變膝關(guān)節(jié)的內(nèi)/外翻和內(nèi)/外旋角度。以上研究結(jié)果與研究假設(shè)一致，也與前人的研究結(jié)果相似。

文獻［18-21］中的研究表明，女子運動員在非預(yù)期條件下，觸地初期和前50%支撐期膝關(guān)節(jié)外翻角度和內(nèi)旋角度增加，且非預(yù)期條件下觸地時刻外翻角度遠(yuǎn)高于預(yù)期條件下。這些研究還表明80%大學(xué)女子足球運動員在做側(cè)切動作時，緩沖階段膝關(guān)節(jié)表現(xiàn)為外翻運動，且最大外翻角度增大。而膝關(guān)節(jié)最大外翻角度和內(nèi)旋角度增大，可能增加了非接觸性ACL損傷的發(fā)生風(fēng)險。這是因為過大的膝關(guān)節(jié)外翻角度會導(dǎo)致韌帶對膝關(guān)節(jié)的約束限制減弱，進而增加膝關(guān)節(jié)的負(fù)荷［13］，并且膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋角度越大，ACL損傷越容易發(fā)生［22］。

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，非預(yù)期條件下緩沖階段膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度大于預(yù)期條件下的角度，這與研究假設(shè)不一致，但與Borotikar等［23］的研究結(jié)果相一致。Borotikar等人認(rèn)為在支撐期，非預(yù)期條件下側(cè)切膝關(guān)節(jié)屈曲角度比預(yù)期條件下的角度會大。這可能是由于在非預(yù)期條件下的助跑當(dāng)中，受試者需動員更多的注意資源來關(guān)注轉(zhuǎn)向燈的信號刺激，以確定需完成動作的方向，這使得運動員助跑速度變慢；在接到轉(zhuǎn)向燈指令時，為了加快側(cè)切動作的完成，相比于預(yù)期條件下，受試者制動和蹬伸動作都顯得不夠“充分”，膝關(guān)節(jié)屈曲角度明顯大于預(yù)期條件下的數(shù)值。

有研究認(rèn)為，膝關(guān)節(jié)屈曲的增大限制了股四頭肌發(fā)力的增加，從而使股后肌群能更有效地限制脛骨前移［24］，這一結(jié)果似乎認(rèn)為在非預(yù)期條件下可能會減少ACL損傷風(fēng)險。然而，大量的肌肉骨骼模型研究［25］表明，單獨矢狀面不會產(chǎn)生足夠使ACL損傷發(fā)生的力，且膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度同樣沒有被認(rèn)為是預(yù)測ACL損傷風(fēng)險的指標(biāo)［26］。所以，僅憑膝關(guān)節(jié)屈曲角度增大尚不能說明其降低了發(fā)生非接觸性ACL損傷的風(fēng)險。

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在緩沖階段，非預(yù)期條件下膝關(guān)節(jié)受到外翻力矩和外旋力矩的作用，而預(yù)期條件下則受到內(nèi)翻力矩和內(nèi)旋力矩的作用，說明預(yù)期與非預(yù)期條件下膝關(guān)節(jié)在額狀面和水平面上的受力方式有著本質(zhì)區(qū)別，該結(jié)果支持了研究假設(shè)。導(dǎo)致這種差別的主要原因包括以下幾方面：

（1）非預(yù)期條件下，膝關(guān)節(jié)觸地時外翻角度大于預(yù)期條件下的角度，可能引起身體重心與足底壓力中心的距離增加，進而增大地面反作用力的力臂，從而引起緩沖階段膝關(guān)節(jié)外翻力矩的增大［27］。

（2）非預(yù)期條件下，本文增加了受試者完成側(cè)切動作時的轉(zhuǎn)向角度，以往研究中側(cè)切動作的角度大部分是 45°，而本文的側(cè)切角度是90°。Sigward等［28］發(fā)現(xiàn)側(cè)切角度增加會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)外翻力矩增加，所以動作幅度的變化也是引起了膝關(guān)節(jié)外翻力矩增大的原因。

（3）非預(yù)期條件下，受試者受到較大的側(cè)向地面反作用力，說明在啟動前運動員的身體質(zhì)心遠(yuǎn)離了支撐腿，在緩沖階段沒有充分制動的情況下，觸地時倉促地試圖變向，這與Houck等［29］研究的一致。而預(yù)期條件下，受試者受到較小的側(cè)向地面反作用力，說明該條件下，運動員在緩沖階段充分制動后再進行變向。有研究表明，側(cè)向地面反作用力是膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生額狀面力矩的主要原因，膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生的外翻力矩隨側(cè)向地面反作用力的增大而增大［30］，所以側(cè)向地面反作用力的增加，引起了膝關(guān)節(jié)外翻力矩的增大。

（4）以往的側(cè)切研究中發(fā)現(xiàn)，預(yù)期條件下運動員有著較充分的準(zhǔn)備時間，相應(yīng)的肌群產(chǎn)生適宜的預(yù)激活效應(yīng)，可使膝關(guān)節(jié)得到有效的保護［9］，但在非預(yù)期條件下，內(nèi)側(cè)肌群和伸膝肌可能沒有得到充分激活，膝關(guān)節(jié)得不到肌肉收縮的保護，從而受到了外翻和外旋的作用［31］。有研究表明，側(cè)切動作過程中增加膝關(guān)節(jié)外翻力矩是非接觸性ACL損傷的主要風(fēng)險因素［26］。本文中非預(yù)期條件下膝關(guān)節(jié)受到較大的外翻力矩提示該類損傷有較高的發(fā)生風(fēng)險。

（5）除了外翻力矩的因素，側(cè)向地面反作用力也是導(dǎo)致ACL損傷風(fēng)險增加的主要因素之一。有研究表明，側(cè)向地面反作用力越大，股四頭肌力就越大，ACL承受的負(fù)載也就越大［32-33］。這從另外一個角度提示了非預(yù)期條件下發(fā)生ACL損傷風(fēng)險要高于預(yù)期條件下的發(fā)生風(fēng)險。

4 結(jié)束語

與預(yù)期條件相比，非預(yù)期條件下女足運動員側(cè)切動作在觸地時刻的膝關(guān)節(jié)外翻姿態(tài)以及在緩沖階段的更多外翻和內(nèi)旋表現(xiàn)，可能是導(dǎo)致側(cè)切過程中更大的地面反作用力和膝關(guān)節(jié)力矩載荷性質(zhì)轉(zhuǎn)變的主要力學(xué)機制，這提示非預(yù)期的側(cè)切動作可能會增大非接觸性ACL損傷發(fā)生的風(fēng)險。