雙腿著地時(shí)姿勢(shì)偏移對(duì)下肢各關(guān)節(jié)緩沖分配和各肌群收縮模式的影響

黃浩潔，孟歡歡，霍洪峰，趙煥彬

人體著地過程中，下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)[1-2]、動(dòng)力學(xué)[1-3]和肌電圖（Electromyogram，EMG）[4-6]特征經(jīng)常被用來評(píng)估運(yùn)動(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)。一般研究認(rèn)為，地面給下肢的反沖力過大是導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)損傷的主要原因[5-6]。但近期研究發(fā)現(xiàn)，地面反沖力過大無法完全解釋著地過程中女性相比男性有較高的損傷概率[7-8]。謹(jǐn)慎的評(píng)估也應(yīng)該考慮著地時(shí)人體的動(dòng)態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性（Dynamic Postural Stability，DPS）[9]，它被定義為從動(dòng)態(tài)到靜態(tài)過渡時(shí)人體保持平衡的能力[9]。有研究認(rèn)為，著地時(shí)下肢運(yùn)動(dòng)損傷風(fēng)險(xiǎn)與DPS 密切相關(guān)[4，10]。宋發(fā)明[4]和S.E.ROSS[11]等研究發(fā)現(xiàn)，在單腿著地時(shí)，踝關(guān)節(jié)功能不穩(wěn)定者比對(duì)照組需要更長(zhǎng)的時(shí)間站穩(wěn)。另一研究發(fā)現(xiàn)，重建前十字交叉韌帶者在一個(gè)單腿跳躍著地任務(wù)中姿勢(shì)穩(wěn)定時(shí)間比對(duì)照組要長(zhǎng)[12]。盡管單腿著地能力被用來評(píng)估患者或健康人群的DPS 得到了廣泛應(yīng)用[9]，但在運(yùn)動(dòng)、日常和職業(yè)活動(dòng)中，雙腿著地更加普遍，且有研究提示，這2 種動(dòng)作在運(yùn)動(dòng)學(xué)和EMG 屬性上有本質(zhì)不同[13]，雙腿著地?fù)p傷風(fēng)險(xiǎn)與許多因素有關(guān)[6]，如訓(xùn)練地面不平[14]或比賽中身體對(duì)抗碰撞[15]很容易造成姿勢(shì)偏移，意味著肌肉和韌帶等組織需要緩沖更大的重力力矩[16]。因此，姿勢(shì)偏移被認(rèn)為是落地過程下肢損傷的另一個(gè)重要危險(xiǎn)因素[17]，但目前關(guān)于落地過程姿勢(shì)偏移時(shí)，下肢如何及時(shí)緩沖減速，形成防止關(guān)節(jié)和韌帶損傷的機(jī)制還不是很清楚，圍繞姿勢(shì)偏移值得進(jìn)一步深入研究，特別是下落過程人體如何通過前饋運(yùn)動(dòng)控制（觸地前的肌肉預(yù)激活）和反饋運(yùn)動(dòng)控制（緩沖階段肌肉牽張反射等）來實(shí)現(xiàn)安全著地。此外，有流行病學(xué)報(bào)道，著地時(shí)右腿損傷風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)較左腿大[18]，提示著地時(shí)雙腿緩沖負(fù)荷是否存在偏側(cè)性也是一個(gè)值得考究的問題。關(guān)于該問題，雖然國(guó)內(nèi)外有學(xué)者進(jìn)行了研究[1，18-19]，但這些研究關(guān)注的是不同高度對(duì)偏側(cè)性的影響，很少關(guān)注姿勢(shì)偏移對(duì)偏側(cè)性的影響。

綜上所述，本研究使用紅外線動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，結(jié)合無線表面肌電系統(tǒng)，評(píng)估不同姿勢(shì)著地時(shí)下肢各關(guān)節(jié)角度和雙側(cè)腿各大肌群肌電圖特征，來解釋著地時(shí)人體下肢如何緩沖地面沖擊力，旨在為運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、運(yùn)動(dòng)損傷研究和防護(hù)裝備設(shè)計(jì)等相關(guān)領(lǐng)域提供理論參考。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

隨機(jī)選取16名運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練專業(yè)健康男性大學(xué)生作為受試者，年齡（22.3±2.1）歲，身高（178.3±3.1）cm，體重（67.8±4.4）kg，要求受試者試驗(yàn)前72 h 不能進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)，下肢和足部解剖結(jié)構(gòu)和功能正常，身體狀況和運(yùn)動(dòng)能力達(dá)到試驗(yàn)要求。選用運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練專業(yè)為受試者的原因是：（1）受試者有相似的訓(xùn)練史，個(gè)體差異?。唬?）受試者能熟練掌握試驗(yàn)所測(cè)試動(dòng)作，能很好模擬運(yùn)動(dòng)員落地時(shí)姿勢(shì)偏移的動(dòng)作；（3）在測(cè)試出現(xiàn)失誤時(shí)懂得如何進(jìn)行自我保護(hù)。

1.2 研究方法

1.2.1 測(cè)試動(dòng)作 參考日常訓(xùn)練跳深平臺(tái)高度，選擇著地下落高度為70 cm。正式試驗(yàn)前，受試者先進(jìn)行慢跑5 min 熱身并靜態(tài)拉伸下肢肌肉，隨機(jī)選取受試者站于平臺(tái)前沿，腳距與肩同寬，雙手自然垂放兩側(cè)。要求受試者接收到跳深指令前，保持靜息姿勢(shì)10 s，然后雙腳同時(shí)向前蹬伸，著地時(shí)隨機(jī)分別以后傾姿勢(shì)、正常姿勢(shì)和前傾姿勢(shì)3 種姿勢(shì)偏移方式落地。每個(gè)姿勢(shì)著地緩沖動(dòng)作重復(fù)測(cè)試3 次，求平均值，同一姿勢(shì)間歇30～35 s，不同姿勢(shì)間歇3 min（見圖1A）。姿勢(shì)合格標(biāo)準(zhǔn)：在X 軸方向上，在緩沖后期，肩峰marker 點(diǎn)（紅外反光標(biāo)志球）超過同側(cè)腳尖marker 點(diǎn)為前傾姿勢(shì)；肩峰marker 點(diǎn)處在腳后跟和腳尖marker 點(diǎn)之間為正常姿勢(shì)；肩峰marker 點(diǎn)落后于腳后跟marker 點(diǎn)為后傾姿勢(shì)。通過三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)回放動(dòng)作查看是否符合定義，如不符合，則放棄數(shù)據(jù)，重復(fù)測(cè)試（見圖1B）。

圖1 著地姿勢(shì)判斷標(biāo)準(zhǔn)（A）和落地動(dòng)作階段劃分（B）示意圖Figure1 Schematic Diagram of Judgment Standard of Landing Posture（A）and Division of Landing Action Phase（B）

彩圖對(duì)照

1.2.2 表面肌電信號(hào)數(shù)據(jù)采集 使用BTS FREEEMG 300便攜式無線表面肌電系統(tǒng)（產(chǎn)地：意大利；采集頻率：1 KHz）同時(shí)記錄雙側(cè)腿各8 塊肌群（股直肌、股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌、脛骨前肌、臀中肌、臀大肌、股二頭肌和外側(cè)腓腸?。〦MG 信號(hào)，測(cè)試3 次求平均值；電極片粘貼方法根據(jù)肌肉解剖學(xué)圖譜[20]找到測(cè)試肌群肌腹，如臀中肌定位時(shí)以食指尖和中指尖分別置于髂前上棘和髂脊下緣處，髂脊、食指、中指便構(gòu)成一個(gè)三角形，粘貼部位在食指和中指構(gòu)成的角內(nèi)。刮除體毛、磨皮去脂沿著肌群肌纖維走向?qū)g/AgCl 電極片平行貼在肌腹隆起部位，2 片電極片中心點(diǎn)距離約2 cm。

1.2.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)采集 使用8 攝像頭Motion 三維動(dòng)作捕捉分析系統(tǒng)（產(chǎn)地：美國(guó)；采樣頻率：200 Hz；像素：400 萬；精度：0.083 mm）進(jìn)行下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)采集。根據(jù)系統(tǒng)自帶的Helen Hayes 模型方案將29 個(gè)直徑為14 mm 的marker 點(diǎn)粘貼在對(duì)應(yīng)的骨標(biāo)志點(diǎn)[1，5，19]。運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)試與肌電測(cè)試同步進(jìn)行。

1.3 數(shù)據(jù)分析

為了方便數(shù)據(jù)分析，根據(jù)腳尖marker 點(diǎn)和腳后跟marker 點(diǎn)Z 軸坐標(biāo)軌跡識(shí)別受試者啟動(dòng)時(shí)刻、著地時(shí)刻和站穩(wěn)時(shí)刻。本研究中，據(jù)此把3種姿勢(shì)著地緩沖動(dòng)作劃分為準(zhǔn)備階段（啟動(dòng)前10 s 的安靜狀態(tài)）、啟動(dòng)階段（啟動(dòng)開始腰點(diǎn)Z 軸方向開始有移動(dòng)到腳尖點(diǎn)在X 軸方向開始有移動(dòng)離開平臺(tái)）、騰空階段（離開平臺(tái)到腳尖點(diǎn)后腳后跟點(diǎn)Z軸停止位移觸地）和緩沖階段（觸地到緩沖完成，即髖關(guān)節(jié)中心下降到最低點(diǎn)）（見圖1B）。數(shù)據(jù)采集完成后，利用BTS EMG Analyzer30.0 分析系統(tǒng)各功能模板對(duì)所有的運(yùn)動(dòng)學(xué)和EMG信號(hào)進(jìn)行分析。

1.3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)處理和所選指標(biāo) 髖中心點(diǎn)位移（Displacement Of the Hip Center，DOHC）：左右髂前上棘點(diǎn)和腰點(diǎn)的坐標(biāo)值相加求平均得到的點(diǎn)為人體髖中心點(diǎn)，著地瞬間髖中心點(diǎn)坐標(biāo)與姿勢(shì)穩(wěn)定后髖中心坐標(biāo)相減求DOHC[1，5]。髖中心點(diǎn)加速度（a）：髖中心點(diǎn)坐標(biāo)二次求導(dǎo)可以獲得髖中心加速度[1，5]。關(guān)節(jié)角度變化（Δθ）：通過選擇單一環(huán)節(jié)、相應(yīng)的參考環(huán)節(jié)、卡丹次序和坐標(biāo)系完成髖（θ髖）、膝（θ膝）和踝（θ踝）3 個(gè)關(guān)節(jié)角度的定義[3，5]（見圖1A 和圖2）。著地瞬間關(guān)節(jié)角度減去站穩(wěn)后關(guān)節(jié)角度獲得Δθ。關(guān)節(jié)角速度變化（ωmax）：對(duì)關(guān)節(jié)角度進(jìn)行時(shí)間求導(dǎo)獲得角速度再求最大值獲得ωmax。

圖2 著地過程雙側(cè)腿髖膝踝關(guān)節(jié)肌肉共激活變化特征Figure2 Characteristics of Co-activation of Hip，Knee and Ankle Muscles of in Lower Limbs

彩圖對(duì)照

1.3.2 肌電圖數(shù)據(jù)處理和所選指標(biāo) （1）時(shí)域分析。先將原始EMG信號(hào)進(jìn)行帶通濾波（高通20 Hz，低通400 Hz）處理，然后進(jìn)行全波整流，計(jì)算各肌肉信號(hào)的均方根振幅（Root Mean Square，RMS），所求RMS時(shí)間窗口設(shè)為100 ms[20]，分別求4階段的maxEMGRMS值，分別代表安靜激活程度、啟動(dòng)激活程度、預(yù)激活（騰空階段肌肉預(yù)先激活）程度和后激活（緩沖階段肌肉被激活）程度[5，19，21]。其中，啟動(dòng)前2 s為安靜階段，此時(shí)EMGRMS信號(hào)為基線屬于安靜激活[5，19]。

標(biāo)準(zhǔn)化maxEMGRMS：由于不同受試者同塊EMG 信號(hào)個(gè)體差異性較大。因此，本研究根據(jù)相對(duì)振幅法對(duì)各肌肉max-EMGRMS進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，選取9 次（3 種方式×3 次測(cè)試）著地動(dòng)作測(cè)試過程中所有肌肉中maxEMGRMS值作為該受試者maxEMGRMS標(biāo)準(zhǔn)化的分母[5，19-20]，分別求騰空階段和緩沖階段各肌群標(biāo)準(zhǔn)化maxEMGRMS，公式為：標(biāo)準(zhǔn)化maxEMGRMS=各階段中max-EMGRMS/9次所有肌肉中最大RMS值×100%。

肌肉共激活（Co-activation）：比較拮抗肌和主動(dòng)肌max-EMGRMS可間接評(píng)估肌肉共激活情況，可反映肌肉的協(xié)調(diào)關(guān)系以及肌肉維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定的特性[5，19]。共激活的計(jì)算方式：Co-activation=拮抗肌maxEMGRMS/主動(dòng)肌maxEMGRMS×100%。

本文研究了騰空和緩沖階段髖膝踝三關(guān)節(jié)肌肉共激活的情況，髖膝踝三關(guān)節(jié)的拮抗肌和主動(dòng)肌分別為[5，19]：股直肌和股二頭?。≧F/BF），股二頭肌和股外側(cè)肌加上股直肌后的均值[BF/（VL+RF/2）]，脛骨前肌與腓腸肌外側(cè)頭（TA/LG）（見圖2）。

（2）時(shí)序分析。本研究中，肌肉開始收縮起始時(shí)刻定義為該肌肉RMS 曲線持續(xù)超過2 倍最大基線信號(hào)50 ms 以上的時(shí)刻[20]，該時(shí)刻距離著地時(shí)刻越遠(yuǎn)，說明該肌肉越先收縮。然后，把同種姿勢(shì)下每次測(cè)試雙側(cè)腿同名肌肉開始收縮時(shí)刻到著地時(shí)刻的時(shí)間差求平均，時(shí)間差由小到大排列，對(duì)相鄰的值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，據(jù)此排出被測(cè)肌肉收縮時(shí)序。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

記錄每個(gè)受試者3 種姿勢(shì)下3次成功著地緩沖動(dòng)作數(shù)據(jù)，采用SPSS20.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)結(jié)果的分析，描述性分析結(jié)果以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（M±SD）表示。經(jīng)one-way ANOVA 分別做自變量姿勢(shì)偏移因素（前傾、正常和后傾）和側(cè)別（習(xí)慣性腿和非習(xí)慣性腿）因素對(duì)各階段下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)和肌肉電信號(hào)的影響分析，進(jìn)一步分析姿勢(shì)偏移和雙腿之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)和肌肉電信號(hào)水平差異性，通過post-hoc Fisher’s LSD 進(jìn)行兩兩比較，顯著性水平為P＜0.05。

2 結(jié) 果

2.1 落地過程中下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)特征

2.1.1 不同姿勢(shì)緩沖階段髖中心點(diǎn)位移有差異 與正常姿勢(shì)相比，在緩沖階段落地瞬間，3 種不同姿勢(shì)髖中心點(diǎn)坐標(biāo)在x-y-z方向上的位移分量均產(chǎn)生不同程度上的差異，前傾和后傾姿勢(shì)DOHC前后（F前傾=82.816，P=0.000；F后傾=61.225，P=0.021）和DOHC左右（F前傾=8.436，P=0.021；F后傾=11.245，P=0.011）存在顯著性差異，DOHC上下分量不存在顯著差異（P＞0.05）（見表1）。

表1 3種姿勢(shì)落地瞬間髖中心點(diǎn)位移（DOHC）分量比較/mmTable1 Comparison of Displacement of Hip Center Position（DOHC）Components Among the Three Postures at an Instant Landing/mm

2.1.2 不同姿勢(shì)緩沖階段髖中心點(diǎn)加速度有差異 與正常姿勢(shì)相比，在緩沖階段，3種不同姿勢(shì)髖中心加速度在x-y-z方向上的加速度分量均產(chǎn)生不同程度上的差異，前傾和后傾姿勢(shì)a前后（F前傾=32.816，F(xiàn)后傾=21.225，均P=0.000）和a左右（F前傾=11.23，P=0.012；F后傾=9.322，P=0.022）分量均存在顯著性差異，而a上下分量不存在顯著性差異（P＞0.05）（見表2）。

表2 3種姿勢(shì)落地瞬間髖中心點(diǎn)加速度分量比較/mm·s-2Table2 Comparison of the Components of the Acceleration of Hip Center Among the Three Postures at an Instant Landing/mm·s-2

2.1.3 不同姿勢(shì)緩沖階段下肢三關(guān)節(jié)角度變化量（Δθ）有差異 與正常姿勢(shì)相比，后傾姿勢(shì)髖關(guān)節(jié)Δθ顯著增大（F習(xí)慣=12.321，P=0.026；F非習(xí)慣=12.321，P=0.026），膝關(guān)節(jié)無顯著差異（P＞0.05），踝關(guān)節(jié)顯著減少（F習(xí)慣=7.651，P=0.032；F非習(xí)慣=6.761，P=0.035）；前傾姿勢(shì)髖關(guān)節(jié)Δθ顯著減小（F習(xí)慣=11.538，P=0.0361；F非習(xí)慣=24.761，P=0.041），膝關(guān)節(jié)顯著增大（F習(xí)慣=78.871，P=0.026；F非習(xí)慣=64.324，P=0.018），踝關(guān)節(jié)僅習(xí)慣性腿顯著增大（F習(xí)慣=22.881，P=0.024；F非習(xí)慣=1.761，P＞0.05）。

與非習(xí)慣性腿相比，習(xí)慣性腿髖和膝關(guān)節(jié)3 種姿勢(shì)均無顯著差異（P＞0.05），踝關(guān)節(jié)Δθ則均顯著增大（F前傾=87.325，F(xiàn)正常=72.361，F(xiàn)后傾=82.377；均P=0.000）（見表3）。

表3 3種姿勢(shì)緩沖階段下肢各關(guān)節(jié)角度變化量比較/（°）Table3 Comparison of Angular Changes of Lower Limb Joints in Three Postures During Buffer Phase/（°）

2.1.4 不同姿勢(shì)緩沖階段下肢各關(guān)節(jié)的最大角速度（ωmax）有差異 與正常姿勢(shì)相比，后傾姿勢(shì)髖關(guān)節(jié)ωmax顯著減少（F習(xí)慣=76.321，F(xiàn)非習(xí)慣=82.321，均P=0.000），膝關(guān)節(jié)無顯著差異（P＞0.05），踝關(guān)節(jié)僅習(xí)慣性腿顯著增大（F習(xí)慣=93.651，P=0.000；F非習(xí)慣=2.344，P＞0.05）；前傾姿勢(shì)髖關(guān)節(jié)ωmax也顯著減?。‵習(xí)慣=98.518，F(xiàn)非習(xí)慣=66.771，均P=0.000），膝關(guān)節(jié)僅習(xí)慣性腿顯著減少（F習(xí)慣=15.661，P=0.022；F非習(xí)慣=1.224，P＞0.05），踝關(guān)節(jié)顯著增大（F習(xí)慣=72.881，P=0.000；F非習(xí)慣=16.761，P=0.032）。

與非習(xí)慣性腿相比，習(xí)慣性腿髖關(guān)節(jié)前傾和后傾姿勢(shì)ωmax均有顯著差異（F前傾=17.395，P=0.032；F后傾=22.377，P=0.019），膝關(guān)節(jié)前傾和后傾姿勢(shì)ωmax也均有顯著差異（F前傾=10.135，P=0.031；F后傾=12.376，P=0.018），踝關(guān)節(jié)前傾和后傾姿勢(shì)ωmax也均有顯著差異（F前傾=87.935，F(xiàn)后傾=72.876，均P=0.000）；3個(gè)關(guān)節(jié)正常姿勢(shì)均無顯著差異（P＞0.05）（見表4）。

2.2 落地過程中下肢肌群電活動(dòng)特征

2.2.1 不同姿勢(shì)下肢各肌群標(biāo)準(zhǔn)化maxEMGRMS 有差異 騰空階段：（1）與正常姿勢(shì)相比，前傾姿勢(shì)習(xí)慣性腿的臀中?。‵=97.376，P=0.000）和股二頭肌標(biāo)準(zhǔn)化maxEMGRMS顯著減?。‵=76.451，P=0.000），脛骨前肌則顯著增大（F=66.321，P=0.043），非習(xí)慣性腿中僅股二頭肌顯著減?。‵=86.321，P=0.000）；后傾姿勢(shì)習(xí)慣性腿的臀大肌（F=23.321，P=0.023）、股直肌（F=21.371，P=0.033）和脛骨前?。‵=12.321，P=0.041）顯著增大，而在非習(xí)慣性腿中股外側(cè)?。‵=67.444，P=0.000）和股二頭?。‵=55.881，P=0.000）則顯著減??；（2）與非習(xí)慣性腿相比，3 種姿勢(shì)習(xí)慣性腿主要是髖關(guān)節(jié)周圍的臀中肌、股直肌和股外側(cè)肌，以及踝關(guān)節(jié)周圍脛骨前?。≒＜0.01）和外側(cè)腓腸?。≒＜0.01）存在顯著差異（見圖3a）。

表4 3種姿勢(shì)緩沖階段下肢各關(guān)節(jié)最大角速度比較/（°）·S-1Table4 Comparison of Max Angular Velocity of Lower Limb Joints in Three Posture During Buffer Phase/（°）·S-1

緩沖階段：（1）與正常姿勢(shì)相比，前傾姿勢(shì)股直?。‵=15.422，P=0.031）和股二頭?。‵=9.451，P=0.013）標(biāo)準(zhǔn)化max-EMGRMS顯著減小，而脛骨前?。‵=16.431，P=0.021）的標(biāo)準(zhǔn)化maxEMGRMS顯著增大；后傾姿勢(shì)僅脛骨前肌的標(biāo)準(zhǔn)化max-EMGRMS顯著增大（F=20.411，P=0.026）；（2）與非習(xí)慣性腿相比，習(xí)慣性腿僅臀中?。‵=121.543，P=0.000）標(biāo)準(zhǔn)化maxEMGRMS顯著增大，外側(cè)腓腸?。‵=120.411，P=0.000）顯著減小，其他肌肉沒有顯著性差異（P＞0.05）（見圖3b）。

彩圖對(duì)照

2.2.2 不同姿勢(shì)下肢騰空階段和緩沖階段三關(guān)節(jié)肌肉共激活有差異 騰空階段：（1）與正常姿勢(shì)相比，前傾姿勢(shì)髖關(guān)節(jié)（F習(xí)慣=83.213，F(xiàn)非習(xí)慣=81.223，均P=0.000）和習(xí)慣性腿踝關(guān)節(jié)（F習(xí)慣=22.111，P=0.011）共激活顯著增大，膝關(guān)節(jié)和非習(xí)慣性腿踝關(guān)節(jié)沒有顯著變化（P＞0.05），后傾姿勢(shì)髖關(guān)節(jié)（F習(xí)慣=9.113，P=0.011；F非習(xí)慣=8.283，P=0.014）共激活顯著增大，兩腿膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)沒有顯著變化（P＞0.05）；（2）與非習(xí)慣性腿相比，習(xí)慣性腿髖關(guān)節(jié)前傾姿勢(shì)（F=41.131，P=0.00）和正常姿勢(shì)（F=72.121，P=0.00）共激活顯著增大，膝關(guān)節(jié)沒有顯著變化（P＞0.05）。

緩沖階段：（1）與正常姿勢(shì)相比，后傾姿勢(shì)髖關(guān)節(jié)（F習(xí)慣=9.213，P=0.020；F非習(xí)慣=76.323，P=0.000）共激活顯著增大，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)沒有顯著變化（P＞0.05）；（2）與非習(xí)慣性腿相比，習(xí)慣性腿3 種姿勢(shì)踝關(guān)節(jié)（F前傾=111.161，F(xiàn)正常=102.221，F(xiàn)后傾=92.121，均P=0.00）共激活均顯著減少，而髖和膝關(guān)節(jié)沒有顯著變化（P＞0.05）（見表5）。

表5 不同姿勢(shì)下肢騰空階段和緩沖階段三關(guān)節(jié)肌肉共激活比較Table5 Comparison of Co-activation of Three Joint Muscles in Flight and Buffer Phase of Lower Limbs in Different Postures

2.2.3 不同姿勢(shì)著地下肢各肌群收縮時(shí)序比較 下肢各肌群開始收縮時(shí)序：預(yù)激活階段下肢肌肉開始收縮，3 種姿勢(shì)比較，下肢各肌群收縮開始時(shí)刻存在差異性，但收縮時(shí)序有一定規(guī)律性，3 種姿勢(shì)臀中肌、臀大肌和股直肌均排前3 以內(nèi)。值得注意的是，前傾和后傾姿勢(shì)的股直肌、股外側(cè)肌和外側(cè)腓腸肌時(shí)序相比正常姿勢(shì)顯著提前，而股內(nèi)側(cè)肌顯著延遲（見表6和圖4）。

表6 不同姿勢(shì)著地下肢肌肉開始收縮時(shí)序比較/msTable6 Comparison of the Time Sequence of the Lower Limbs Muscles in Different Postures/ms

下肢各肌群收縮達(dá)到maxEMGRMS時(shí)序：3種姿勢(shì)比較，下肢各肌群收縮達(dá)到maxEMGRMS時(shí)刻也存在差異性，maxEMGRMS時(shí)序也有一定規(guī)律性，3 種姿勢(shì)臀中肌、臀大肌也均排前2 以內(nèi)。值得注意的是，前傾姿勢(shì)中，脛骨前肌和外側(cè)腓腸肌時(shí)序相比正常姿勢(shì)顯著提前，后傾姿勢(shì)則是股外側(cè)肌、脛骨前肌和股直肌時(shí)序相比正常姿勢(shì)也顯著提前，而股內(nèi)側(cè)肌和股二頭肌顯著延遲（見表7和圖4）。

圖4 不同姿勢(shì)著地瞬間下肢各肌群收縮時(shí)序Figure4 The Time Sequence of the Lower Limbs Muscles in Different Postures at an Instant Landing

彩圖對(duì)照

表7 不同姿勢(shì)著地下肢各肌群收縮達(dá)到maxEMGRMS時(shí)序比較/msTable7 Comparison of the Time Sequence of MaxEMGRMS of the Lower Limbs Muslces in Different Postures/ms

3 討 論

3.1 姿勢(shì)偏移對(duì)動(dòng)態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性的影響

著地緩沖時(shí)髖中心點(diǎn)位移（DOHCx-y-z）[2]、重心加速度（ax-y-z）[7]、下肢髖膝踝關(guān)節(jié)角度屈的變化量（Δθ）[1-5]和關(guān)節(jié)最大角速度（ωmax）[7]可用于評(píng)估著地動(dòng)態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性。為了研究姿勢(shì)偏移給著地穩(wěn)定帶來的影響，有些研究使用前后和左右方向合成的參數(shù)來評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，而不考慮垂直方向的影響[2，7]，本研究選髖中心點(diǎn)位移DOHCx-y-z的加速度ax-y-z為動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性參數(shù)，并用其三維分量評(píng)估了人體著地在3 個(gè)方向上的穩(wěn)定性，主要考慮3 個(gè)分量在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)具有不同的權(quán)重，用穩(wěn)定性系數(shù)的三維分量進(jìn)行評(píng)估更有意義。本研究發(fā)現(xiàn)，與正常姿勢(shì)相比，前傾和后傾姿勢(shì)落地階段姿勢(shì)顯著偏離中心位置（穩(wěn)定性系數(shù)DOHC前后和a前后更大，P＜0.05），表明前后傾姿勢(shì)落地成功誘導(dǎo)了姿勢(shì)偏移，而且左右方向上穩(wěn)定性系數(shù)DOHC左右和a左右更大（P＜0.05），說明正常姿勢(shì)著地時(shí)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性更好，前后姿勢(shì)左右方向穩(wěn)定性較弱，但在垂直方向分量無顯著性差異（P＞0.05）。

落地階段下肢各關(guān)節(jié)Δθ 可以反映下肢負(fù)荷緩沖各關(guān)節(jié)折疊程度，由此推測(cè)各關(guān)節(jié)的緩沖分配。本研究發(fā)現(xiàn)，在姿勢(shì)偏移人體下肢關(guān)節(jié)緩沖負(fù)荷需要重新分配，前傾時(shí)膝踝關(guān)節(jié)加強(qiáng)折疊和髖關(guān)節(jié)減少折疊，后傾時(shí)則加強(qiáng)髖關(guān)節(jié)折疊和減少踝關(guān)節(jié)的折疊（見表3）。此外，根據(jù)關(guān)節(jié)角動(dòng)量公式：L=Iω 可知[19]，較大的角速度意味著較大的關(guān)節(jié)角動(dòng)量，ωmax越大說明參與緩沖越多，但如果過大也意味著損傷風(fēng)險(xiǎn)更大[1，9]。本研究還發(fā)現(xiàn)，前傾和后傾姿勢(shì)髖關(guān)節(jié)ωmax顯著小于正常姿勢(shì)（P＜0.05），說明姿勢(shì)偏移髖關(guān)節(jié)的緩沖能力降低（見表4）。值得注意的是，習(xí)慣性腿踝關(guān)節(jié)ωmax顯著大于正常姿勢(shì)（P＜0.01），暗示習(xí)慣性腿踝關(guān)節(jié)參與緩沖程度加強(qiáng)，可能更容易受傷。綜合以上分析，膝關(guān)節(jié)折疊情況受姿勢(shì)偏移影響不大，而髖和踝關(guān)節(jié)則較大，這可能與關(guān)節(jié)的環(huán)節(jié)自由度數(shù)目（髖和踝關(guān)節(jié)為三軸關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)為雙軸關(guān)節(jié)）和周圍肌群數(shù)目有關(guān)，膝關(guān)節(jié)以穩(wěn)定性為主，髖與踝關(guān)節(jié)以靈活性為主[9]。落地緩沖過程中姿勢(shì)偏移時(shí)，人體髖和踝關(guān)節(jié)可能協(xié)調(diào)充當(dāng)一個(gè)“平衡和緩沖器”，通過共同調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)屈曲程度來維持動(dòng)態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定，由于踝關(guān)節(jié)距離地面最近，受沖擊力更大，為了避免緩沖過程踝關(guān)節(jié)的受傷，緩沖過程中加強(qiáng)屈髖減輕踝關(guān)節(jié)的緩沖地面沖擊力很有必要。

3.2 雙腿著地時(shí)下肢關(guān)節(jié)肌群協(xié)調(diào)激活調(diào)控姿勢(shì)偏移

為了進(jìn)一步回答姿勢(shì)偏移時(shí)髖和踝關(guān)節(jié)是如何加強(qiáng)屈曲維持落地動(dòng)態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定的，本研究還測(cè)試了下肢雙側(cè)腿共16塊肌群肌電信號(hào)，由此探究著地過程姿勢(shì)偏移下肢各肌群的激活模式特征。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，臀中肌、股直肌、股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、股二頭肌和脛骨前肌在預(yù)激活和后激活階段標(biāo)準(zhǔn)化max-EMGRMS均顯著受到著地姿勢(shì)偏移的影響，具體表現(xiàn)為：髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)周圍肌肉的預(yù)激活和關(guān)節(jié)肌肉共激活均較正常姿勢(shì)有顯著性差異（P＜0.05）；而后激活階段有差異的肌肉數(shù)目小于預(yù)激活階段，在前傾姿勢(shì)股直肌和股二頭肌后激活較正常姿勢(shì)顯著性小（P＜0.05），脛骨前肌則顯著性大（P＜0.05），后傾姿勢(shì)僅脛骨前肌后激活較正常姿勢(shì)顯著性大（P＜0.05），其他肌肉沒有顯著性差異（P＞0.05）。此外，踝關(guān)節(jié)不管前傾還是后傾，在預(yù)激活階段和后激活階段肌肉共激活均增大，但沒有顯著性差異（P＞0.05）。值得注意的是，膝關(guān)節(jié)共激活在3 種姿勢(shì)各階段均沒有差異，顯著的差異主要在髖關(guān)節(jié)，前傾姿勢(shì)后激活階段小于正常姿勢(shì)，后傾姿勢(shì)則大于正常姿勢(shì)。時(shí)序分析還發(fā)現(xiàn)，不管姿勢(shì)是否偏移，首先被激活的是髖關(guān)節(jié)周圍的臀中肌、臀大肌和股直肌，其中臀中肌和臀大肌最先達(dá)到最大收縮EMG峰值；姿勢(shì)偏移時(shí)股直肌和股外側(cè)肌開始激活時(shí)序和峰值時(shí)序均顯著前移，而股內(nèi)側(cè)肌肉則出現(xiàn)延遲。以上研究結(jié)果共同提示，人體落地緩沖過程可能存在一種動(dòng)作控制前饋機(jī)制：（1）不論姿勢(shì)是否偏移，為適應(yīng)下落而產(chǎn)生的沖擊力機(jī)體預(yù)先收縮近端髖關(guān)節(jié)核心肌群（肌肉激活）產(chǎn)生一定水平的肌肉力量[21]，來確保核心穩(wěn)定，緩沖階段主要通過屈膝和踝關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)緩沖，其中股四頭肌和脛骨前肌在緩沖中起主導(dǎo)作用；（2）當(dāng)姿勢(shì)偏移時(shí)，這個(gè)動(dòng)作控制前饋機(jī)制屬于開鏈?zhǔn)秸{(diào)節(jié)過程，可能通過視覺目測(cè)地面位置和前庭器官感知身體空間位置，將經(jīng)驗(yàn)性信號(hào)輸入至中樞神經(jīng)系統(tǒng)，通過調(diào)整激活下肢肌肉模式來應(yīng)對(duì)姿勢(shì)偏移給落地穩(wěn)定帶來的困難，這個(gè)模式包括下肢各肌群收縮時(shí)序改變，預(yù)激活的敏感性升高，后激活程度加大以及重新分配各關(guān)節(jié)的屈曲程度（見圖5），為落地緩沖動(dòng)作控制前饋機(jī)制模式，落地過程的騰空階段和緩沖階段預(yù)期結(jié)果首先被送到一個(gè)稱為“比較器”的地方，與從“感覺器”送來的實(shí)際運(yùn)動(dòng)結(jié)果反饋信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)比較，兩者之間的差異信號(hào)被作為“控制器”的輸入信號(hào)?！翱刂破鳌备鶕?jù)誤差產(chǎn)生修正后的命令（肌肉收縮時(shí)序和收縮程度），通過“效應(yīng)器”產(chǎn)生新的結(jié)果，以縮小誤差[22]。這一新的結(jié)果又通過反饋回路送回“比較器”，并與預(yù)期結(jié)果進(jìn)行新輪的比較，產(chǎn)生新的誤差信號(hào)，如此反復(fù)，直到落地站穩(wěn)。

圖5 下肢肌肉改變收縮模式應(yīng)對(duì)著地姿勢(shì)偏移Figure5 Lower Limb Muscles Change Contraction Pattern to Response Landing Posture Deviation

彩圖對(duì)照

3.3 姿勢(shì)偏移對(duì)雙側(cè)腿緩沖的影響

在本研究中，還比較了著地時(shí)兩腿間運(yùn)動(dòng)學(xué)和肌肉活動(dòng)的差異，雖然有研究發(fā)現(xiàn)在單足跳躍著地中姿勢(shì)穩(wěn)定性無雙腿差異性，但從動(dòng)作模式分析來看，在單腿著地和雙腿著地中進(jìn)行雙腿比較有本質(zhì)的區(qū)別，前者比較的是2種運(yùn)動(dòng)模式（左腿和右腿著地），而后者比較的是同種運(yùn)動(dòng)中兩側(cè)腿的表現(xiàn)。本研究發(fā)現(xiàn)，習(xí)慣性腿踝關(guān)節(jié)的Δθ和ωmax值均顯著大于非習(xí)慣性腿（P＜0.01）（見表3、表4）。筆者認(rèn)為，在著地過程中，因?yàn)樯窠?jīng)系統(tǒng)出于潛意識(shí)和自身保護(hù)，理論上兩側(cè)腿同時(shí)著地時(shí)沖擊力同時(shí)到達(dá)峰值，且雙足承受沖擊會(huì)盡量保證同步性，以維持姿勢(shì)平衡和避免任意一側(cè)單獨(dú)承受較大沖擊力。但是，這種自發(fā)的保護(hù)機(jī)制只在理想狀態(tài)時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練或者比賽中著地存在不少突發(fā)情況，如地面不平、身體對(duì)抗。人體可能為了爭(zhēng)取時(shí)間或空間保持落地平衡，大腦潛意識(shí)選擇習(xí)慣性腿承受更大的地面反沖力，這會(huì)一定程度上犧牲雙腿均衡緩沖的保護(hù)機(jī)制，表現(xiàn)出雙腿緩沖的偏側(cè)性。這與張英媛等[18]的研究結(jié)果類似，他們發(fā)現(xiàn)，連續(xù)縱跳下落階段習(xí)慣性腿踝關(guān)節(jié)的背屈Δθ、ωmax和地面反作用力均顯著大于非習(xí)慣性腿。較大的關(guān)節(jié)角位移和角速度極值，通常意味著更大的損傷風(fēng)險(xiǎn)，這也許可以解釋為什么在著地緩沖過程習(xí)慣性腿踝關(guān)節(jié)比非習(xí)慣性腿的踝關(guān)節(jié)更容易發(fā)生扭傷。

此外，本研究對(duì)下肢各肌群肌肉活動(dòng)肌電圖分析也發(fā)現(xiàn)，在各肌肉預(yù)激活階段：3 種著地方式中兩側(cè)腿的同一塊肌肉在絕大部分表現(xiàn)出習(xí)慣性腿比非習(xí)慣性腿先被激活。在預(yù)激活雙側(cè)腿8塊同名肌肉對(duì)比中，僅股內(nèi)側(cè)肌沒有顯著性差異，其余肌肉在3 種姿勢(shì)中習(xí)慣性腿標(biāo)準(zhǔn)化maxEMGRMS均比非習(xí)慣性腿大；后激活中雙腿比較也發(fā)現(xiàn)，習(xí)慣性腿臀中肌和外側(cè)腓腸肌標(biāo)準(zhǔn)化maxEMGRMS也比非習(xí)慣性腿大（P＜0.01），且踝關(guān)節(jié)肌肉共激活在預(yù)激活和后激活階段均存在顯著差異（P＜0.01）。這些結(jié)果也進(jìn)一步提示，著地緩沖過程中出現(xiàn)了雙側(cè)差異性，且主要是習(xí)慣性腿屈的程度更大，習(xí)慣性腿踝關(guān)節(jié)體現(xiàn)了更強(qiáng)有力的跖屈肌激活以限制踝關(guān)節(jié)的過分快速背屈。考慮到這些，本研究認(rèn)為，在著地緩沖動(dòng)作中，習(xí)慣性腿踝關(guān)節(jié)有更大的損傷風(fēng)險(xiǎn)。這也和流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)的習(xí)慣性腿踝關(guān)節(jié)扭傷明顯大于非習(xí)慣性腿扭傷的現(xiàn)象相吻合。

4 結(jié) 論

當(dāng)從高處落下或跳起著地時(shí)，姿勢(shì)偏移降低了著陸動(dòng)態(tài)姿勢(shì)穩(wěn)定性，為避免損傷風(fēng)險(xiǎn)，人體可能存在一種動(dòng)作控制前饋機(jī)制，在騰空階段預(yù)先激活近端核心肌群穩(wěn)定髖關(guān)節(jié)，和緩沖階段主要通過重新分配下肢髖膝踝關(guān)節(jié)屈曲程度以及調(diào)節(jié)髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)屈伸肌共激活程度來實(shí)現(xiàn)緩沖。此外，本研究還為著地中習(xí)慣性腿比非習(xí)慣腿的踝關(guān)節(jié)更加易于損傷的現(xiàn)象提供了解釋。建議加強(qiáng)核心肌群訓(xùn)練、本體覺訓(xùn)練和踝關(guān)節(jié)功能穩(wěn)定性訓(xùn)練來預(yù)防著地過程運(yùn)動(dòng)損傷。