疲勞干預(yù)對男子跳遠運動員落地動作的ACL動態(tài)載荷影響

李三三

在體育運動中，非接觸性前交叉韌帶（Anterior Cruciate Ligament，ACL）損傷是一種常見的膝關(guān)節(jié)損傷類型，主要發(fā)生在下肢沖擊性落地、變向或者扭轉(zhuǎn)中.在跳遠運動中，落地動作是最基本的和最重要的功能性活動，致使跳遠運動員不可避免地承受高強度的沖擊負荷，尤其是男子跳遠，運動員將承受更大的沖擊負荷，最低程度的沖擊負荷是體重的5倍，最高程度的沖擊負荷能夠達到體重的10倍［1］.因此，在跳遠運動中，落地動作與運動員膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶（ACL）的非接觸性損傷有直接的關(guān)聯(lián)性.

訓練中通過大量的跑、跳等運動可能造成跳遠運動員神經(jīng)肌肉疲勞，導(dǎo)致跳遠運動員的機體不能維持在正常的水平值，出現(xiàn)暫時性下降，增加落地損傷的概率.進行疲勞干預(yù)可以避免跳遠運動員機能下降，大大降低ACL損傷的概率［2］.現(xiàn)有研究中涉及疲勞干預(yù)與跳遠運動員落地動作的ACL動態(tài)載荷關(guān)系的并不多，周志鵬等［3］對男女跳遠運動員ACL損傷概率進行對比研究，結(jié)果表明男子跳遠運動員ACL損傷概率是女子運動員ACL損傷的5倍，原因主要在于男子跳遠運動員與女子跳遠運動員ACL的負荷機制存在較大的差異，導(dǎo)致落地動作的沖擊存在較大差異，鑒于此他認為應(yīng)該對男女跳遠運動員進行不同程度的疲勞干預(yù).夏銳等［4］認為在落地動作中，人類不能自由地控制落地的姿態(tài)，導(dǎo)致承受不同程度的沖擊負荷，高頻的震動會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)相應(yīng)的軟組織產(chǎn)生共振，引起中樞神經(jīng)疲勞，從而導(dǎo)致跳遠運動員的ACL損傷.侯莉娟等［5］的研究表明疲勞前后最高程度的沖擊力沒有發(fā)生顯著變化，但是疲勞后膝關(guān)節(jié)外展肌群的做功貢獻下降，導(dǎo)致下肢運動模式改變，從而導(dǎo)致ACL損傷，因此他認為進行必要的疲勞干預(yù)是十分重要的，能夠有效幫助跳遠運動員控制落地動作.黃尚軍等［6］認為神經(jīng)肌肉疲勞能夠明顯降低肌肉產(chǎn)生力量的能力，主要表現(xiàn)為神經(jīng)肌肉的疲勞會導(dǎo)致中樞神經(jīng)的興奮性不斷下降，使跳遠運動員的反應(yīng)下降，對落地動作難以進行有效地控制，使膝關(guān)節(jié)承受較大的沖擊力，導(dǎo)致ACL損失.而疲勞干預(yù)能夠延長跳遠運動員的肌力興奮時長，幫助跳遠運動員進行有效地落地控制.現(xiàn)有研究多為理論分析，缺乏必要的實驗數(shù)據(jù)檢驗，鑒于此，基于逆向動力學算法（ATSF1）探究疲勞干預(yù)對男子跳遠運動員落地動作的ACL載荷的影響具有較強的理論和現(xiàn)實意義.

1 研究設(shè)計

1.1 研究對象

招募了20名上海體育學院國家二級跳遠運動員作為研究對象.所有實驗者都確認在實驗前的24小時沒有進行過劇烈的運動，并且對所有實驗對象進行全身體檢，確認沒有下肢、膝蓋和足部等重點位置的損傷，每位實驗者都具備良好的身體機能，在之前的訓練中都已經(jīng)熟練掌握了落地動作.實驗工作者在實驗之前對每位實驗對象講解清楚本文的實驗意圖和實驗流程，并與每位實驗對象簽訂知情同意書［7］.20位實驗對象的基本情況如表1所示.

表1 20位實驗對象基本情況

本文招募的20名男子跳遠運動員的年齡在20歲左右，身高在175 cm左右，體重在65.16 kg左右，接受專業(yè)的跳遠運動訓練年限在5年以上，具有豐富的跳遠運動經(jīng)驗.

1.2 實驗儀器

本文使用的實驗儀器主要是運動捕捉系統(tǒng)、測力臺、縱跳臺、心率表和3D生物力學分析軟件.運動捕捉系統(tǒng)有16臺Vicon紅外高速攝像頭，采樣頻率為240 Hz，可以抓拍到跳遠運動員的骨盆、大腿、小腿和腳等部位.測力臺與Vicon相連接，同步傳輸跳遠運動員實驗數(shù)據(jù)（圖1）.

圖1 運動員動作

1.3 研究方法

基于現(xiàn)有研究，在每位實驗者完成5次垂直縱跳之后，使用其中最大的值作為最大垂直縱跳高度，然后進行疲勞干預(yù).即要求每位實驗者進行10米*6的往返跑，完成之后盡最大能力連續(xù)5次垂直縱跳，隨后再次重復(fù)往返跑+垂直縱跳，直到進行垂直縱跳的高度低于最大高度的70%后，停止實驗.

使用縱跳臺監(jiān)控和測量實驗者的疲勞干預(yù)前最大垂直縱跳高度，以及疲勞方案誘導(dǎo)過程中的即時垂直縱跳高度.利用3D生物力學分析軟件，基于逆向動力學算法（ATSF1）進行疲勞程度的測算.通過實驗前后20名跳遠運動員的落地動作ACL動態(tài)載荷的不同水平，使用此軟件測算關(guān)節(jié)角度、角速度和地面反作用力［8-9］，通過跳遠運動員的下肢三關(guān)節(jié)矢狀面角速度特征，主要包含髖關(guān)節(jié)矢狀面角速度、膝關(guān)節(jié)矢狀面角速度、踝關(guān)節(jié)矢狀面角速度三個指標；下肢三關(guān)節(jié)額狀面角速度特征，主要包含髖關(guān)節(jié)額狀面角速度、膝關(guān)節(jié)額狀面角速度、踝關(guān)節(jié)額狀面角速度三個指標；跳遠運動員落地的沖擊力和負載率，判斷疲勞干預(yù)對跳遠運動員落地動作ACL動態(tài)載荷的影響.

1.4 實驗步驟

首先，讓20名實驗對象填寫基本信息，告知其具體的實驗流程，并簽知情同意書.

其次，實施疲勞干預(yù)方案，即要求每位實驗者進行10米*6的往返跑，完成之后盡最大能力連續(xù)5次垂直縱跳，隨后再次重復(fù)往返跑+垂直縱跳，直到進行垂直縱跳的高度低于最大高度的70%后，停止實驗.如圖2.

圖2 疲勞干預(yù)方案

再次，采用運動捕捉系統(tǒng)分別測算疲勞干預(yù)前后跳遠運動員下肢三關(guān)節(jié)矢狀面角速度特征的髖關(guān)節(jié)矢狀面角速度、膝關(guān)節(jié)矢狀面角速度、踝關(guān)節(jié)矢狀面角速度的最大值ωmax及出現(xiàn)時間tωmax.

隨后，分析測算跳遠運動員的髖關(guān)節(jié)額狀面角速度、膝關(guān)節(jié)額狀面角速度、踝關(guān)節(jié)額狀面角速度的初始值ω0、最大值ωmax、最小值ωmin，以判斷疲勞干預(yù)對跳遠運動員下肢三關(guān)節(jié)額狀面角速度特征的影響.

最后，測算跳遠運動員的落地沖擊力Fzmax和負載率Gz最大值及其出現(xiàn)的時間TF、TG.基于上述指標的變化，綜合判斷疲勞干預(yù)對男子跳遠運動員落地動作的ACL動態(tài)載荷影響.

2 實驗結(jié)果分析

2.1 下肢三關(guān)節(jié)矢狀面角速度特征

跳遠運動員落地動作ACL動態(tài)載荷的主要表現(xiàn)是下肢三關(guān)節(jié)矢狀面角速度特征和下肢三關(guān)節(jié)額狀面角速度特征，以及沖擊力和負載率［10］，本文首先探究的是疲勞干預(yù)對跳遠運動員的下肢三關(guān)節(jié)矢狀面角速度特征的影響，實驗結(jié)果如表2所示.

表2 運動員下肢三關(guān)節(jié)矢狀面角速度特征的影響

疲勞干預(yù)前，跳遠運動員髖關(guān)節(jié)的最大角速度是（449.2±47.1）rad/s，出現(xiàn)最大角速度的時間為（39.4±8.9）ms，采用疲勞方案進行疲勞干預(yù)后，跳遠運動員髖關(guān)節(jié)的最大角速度是（469.6±64.1）rad/s，出現(xiàn)最大角速度的時間為（35.3±14.3）ms，說明疲勞干預(yù)能夠增加跳遠運動員的髖關(guān)節(jié)角速度，使其提前達到最大角速度，從而降低落地動作對髖關(guān)節(jié)沖擊.疲勞干預(yù)前跳遠運動員膝關(guān)節(jié)的最大角速度是（759.4±72.6）rad/s，出現(xiàn)最大角速度的時間為（35.8±8.0）ms，采用疲勞干預(yù)方案進行疲勞干預(yù)后，跳遠運動員膝關(guān)節(jié)的最大角速度是（760.2±75.1）rad/s，出現(xiàn)最大角速度的時間為（34.3±10.9）ms，說明疲勞干預(yù)能夠增加跳遠運動員的膝關(guān)節(jié)角速度，使其提前達到最大角速度，從而降低落地動作對膝關(guān)節(jié)的沖擊.疲勞干預(yù)前跳遠運動員踝關(guān)節(jié)的最大角速度是（576.9±165.7）rad/s，出現(xiàn)最大角速度的時間為（23.0±4.0）ms，采用疲勞干預(yù)方案進行疲勞干預(yù)后，跳遠運動員踝關(guān)節(jié)的最大角速度是（585.8±197.0）rad/s，出現(xiàn)最大角速度的時間為（22.3±5.2）ms，說明疲勞干預(yù)能夠增加跳遠運動員的踝關(guān)節(jié)角速度，使其提前達到最大角速度，從而降低落地動作對踝關(guān)節(jié)沖擊.人體自身受落地沖擊時會產(chǎn)生一種保護機制，主要通過改變下肢的運動學特征，幫助肌肉吸收來自地面的反作用力，疲勞干預(yù)后落地過程中關(guān)節(jié)矢狀面角速度增大，從一定程度上有利于減小ACL損傷的風險.

2.2 下肢三關(guān)節(jié)額狀面角速度特征

疲勞干預(yù)對跳遠運動員下肢三關(guān)節(jié)額狀面角速度特征的影響，實驗結(jié)果如表3所示.

表3 跳遠運動員下肢三關(guān)節(jié)額狀面角速度特征的影響

采用疲勞干預(yù)后，跳遠運動員髖、膝、踝的觸地角速度、最大角速度和最小角速度均有增加，說明疲勞干預(yù)方案能對跳遠運動員的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)額狀面的觸地角速度、最大角速度及最小角速度產(chǎn)生顯著性影響.

疲勞干預(yù)后髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)在額狀面上發(fā)生的角速度變化，即短時間功能性疲勞方案誘導(dǎo)為多種方向上的運動，會招募更多的肌肉群（屈伸、內(nèi)收外展），從而降低落地沖擊對跳遠運動員落地動作ACL的影響.

2.3 沖擊力和負載率

基于逆向動力學算法（ATSF1），探究疲勞干預(yù)前后落地動作對跳遠運動員下肢關(guān)節(jié)的沖擊力和關(guān)節(jié)負載率的變化，實驗結(jié)果如表4所示.

表4 疲勞干預(yù)對沖擊力和負載率的影響

疲勞干預(yù)前跳遠運動員落地動作的沖擊力是自身體重的（5.8±0.9）BW，負載率是（1 037.6±225.7）BW/s，進行疲勞干預(yù)后，跳遠運動員落地動作的沖擊力是自身體重的（4.8±1.0）BW，負載率（1 013.7±209.0）BW/s，出現(xiàn)了小幅下降，說明疲勞干預(yù)可以有效降低跳遠運動員落地動作的沖擊力和負載率.

沖擊力及負載率是反映肌肉骨骼系統(tǒng)載荷能力的常用指標.由于在跑步或落地過程中，沖擊力峰值在2～10倍體重之間，人體需要積極控制與地面碰撞以減少其可能產(chǎn)生的不利影響，疲勞干預(yù)后跳遠運動員的下肢三關(guān)節(jié)矢狀面角速度增大、下肢三關(guān)節(jié)額狀面角速度加快，可以有效降低與地面的碰撞，減弱沖擊力和負載率.

3 結(jié)語

基于上述分析得出：跳遠運動員落地動作ACL動態(tài)載荷的主要表現(xiàn)是下肢三關(guān)節(jié)矢狀面角速度特征和下肢三關(guān)節(jié)額狀面角速度特征，以及沖擊力和負載率.疲勞干預(yù)能夠增加跳遠運動員髖、膝、踝關(guān)節(jié)的角速度，使其提前達到最大角速度，從而降低落地動作對髖、膝、踝關(guān)節(jié)的沖擊.疲勞干預(yù)方案后，跳遠運動員髖、膝、踝的觸地角速度、最大角速度和最小角速度均有所增加，說明疲勞干預(yù)方案能對跳遠運動員髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)額狀面的觸地角速度、最大角速度及最小角速度產(chǎn)生顯著性影響.疲勞干預(yù)后落地時對跳遠運動員下肢三關(guān)節(jié)的逆向沖擊力和負載率明顯下降.

基于逆向動力學算法（ATSF1）探究疲勞干預(yù)對男子跳遠運動員落地動作的ACL動態(tài)載荷的影響，研究中最大的限制是落地動作中其他肌肉肌電數(shù)據(jù)的缺乏，CMC動態(tài)優(yōu)化方法雖然可以計算其他肌肉的興奮-激活，但是沒有采集肌電數(shù)據(jù)的肌肉在運動過程中也可能發(fā)揮著比較重要的作用.此外，本文僅招募了20名男子專業(yè)跳遠運動員進行實驗，實驗樣本較少，可能對結(jié)果準確性造成一定的影響，后續(xù)學者們可以基于此進行更加深入的研究.