兩組不同離心訓練背景的女性運動員在跳深動作中下肢生物力學的差異及對ACL損傷預防的啟示

張 鑫，胡 婧，朱偉平，阮棉芳，伍 勰*

非接觸性前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）損傷是下肢嚴重的損傷之一，主要發(fā)生在跳躍后的落地階段，且女性表現出更高的ACL損傷率（李翰君 等，2014；Agel et al.，2005；Gerberich et al.，2016；Stanley et al.，2016）。當前研究對于可能導致ACL損傷的因素觀點不一，但基本認為因素是多方面的，高危因素越多，損傷風險越高。其中，較弱的膝屈肌肌力（張美珍 等，2015；My‐er et al.，2009）、較小的著地膝屈角（劉卉 等，2011；Decker et al.，2003；Yu et al.，2006）、較大的膝外翻力矩（Hewett et al.，2005）和較高的地面反作用力（ground reaction force，GRF）（Leppanen et al.，2017）等落地過程中的性別差異表現，被認為可能是導致女性高損傷率的重要因素?；谶@些發(fā)現，學者們制定了一系列降低運動中ACL損傷風險的訓練方案，并取得一定成果（彭勇，2020；甄子會等，2019；Hopper et al.，2017；Pollard et al.，2017）。

超等長訓練（plyometric training），指肌肉在做完離心收縮后迅速進行向心收縮的訓練（stretch-shortening cycle，SSC），是ACL損傷預防方案中的重要干預手段（Alkjaer et al.，2013；Davies et al.，2015）。Hewett等（1996）研究表明，6周超等長訓練能夠顯著增加女性運動員的腘繩肌/股四頭肌肌力比值（H∶Q），并降低GRF。Myer等（2006）研究發(fā)現，7周超等長訓練能明顯增加膝屈角和降低GRF。Pollard等（2017）也發(fā)現，12周的干預訓練能夠有效改善女性髖、膝關節(jié)肌肉激活策略，從而有效預防ACL損傷。上述研究表明，短期的超等長訓練（4～12周）或許能夠有效降低女性ACL損傷率。但這是否意味著具有長期離心訓練背景的運動員在面臨沖擊性動作時會表現出更合理、更安全的落地動力定型？確定這一問題并與短期干預類研究結果進行相互驗證，或許能進一步理解沖擊性動作對于下肢損傷，特別是ACL損傷的生物力學機制，從而也能更有效地制定損傷預防訓練方案。雖有學者對兩組不同訓練背景的男性運動員在規(guī)定策略下進行落地下肢生物力學特征的比較研究，并認為長期超等長訓練可能有助于男性跳躍組采用更為合適的沖擊力緩沖策略來降低ACL損傷率（Wu et al.，2013），但由于ACL損傷率的性別差異，尚不清楚不同離心訓練背景的女性是否會在下肢沖擊性動作中表現出與男性類似的組間差異。

因此，本研究主要考察不同離心訓練背景的女性運動員（跳躍組vs非跳躍組）在膝關節(jié)肌力以及跳深動作中的下肢生物力學差異，討論對于跳躍組，長期離心訓練是否會對下肢沖擊性動作表現和ACL損傷風險產生明確影響。相對非跳躍組，假設H1：在膝關節(jié)肌力測試中，跳躍組會表現出更大的下肢肌肉力量；假設H2：跳深測試中，跳躍組有更好的跳躍表現；假設H3：跳深測試中，跳躍組會表現出較低風險的下肢生物力學特征。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

招募12名女性游泳運動員和12名跑跳類項目的女性田徑運動員（表1），并根據有無下肢離心訓練經驗將其分為跳躍組（田徑運動員）和非跳躍組（游泳運動員）。要求所有受試者均接受不少于5年的專項訓練，且半年內無嚴重下肢損傷。實驗方案通過倫理道德委員會批準。正式實驗前，告知受試具體測試流程，并簽署知情同意書。

表1 受試者基本信息Table 1 Basic Information of the Subjects M±SD

1.2 實驗方案

實驗分兩部分進行：120（°）/s的膝關節(jié)等速肌力測試和40 cm高度的跳深動作測試，兩次測試間隔1天。保證測試前和測試間未經歷大運動量體能訓練。正式測試前一周對所有受試者進行1次測試動作培訓，以幫助其了解實驗過程和動作要求。正式測試中，所有受試者來到實驗室，先更換實驗專用緊身衣、緊身褲和運動鞋，然后在跑步機上進行10 min慢跑（速度為8 km/h），最后進行3 min靜態(tài)拉伸。

1.2.1 跳深動作測試

熱身結束后，迅速在受試者身上粘貼Marker點（直徑為14 mm）和肌電傳感器（長37 mm×寬26 mm×高15 mm），肌電傳感器粘貼位置為優(yōu)勢腿的股內側?。╒M）、腓腸肌外側頭（GM）和股二頭肌長頭（BF）（圖1）。粘貼前，剃除對應皮膚表面毛發(fā)并用酒精擦拭，隨后將傳感器沿肌纖維走向粘貼于相應肌肉的肌腹處，并用皮膚膜包裹固定。優(yōu)勢腿定義（Ford et al.，2003）為受試者踢球時的慣用腿。

圖1 反光標志點和肌電傳感器的放置Figure 1. Placement of Reflective Markers and EMG Sensors

準備工作結束后，受試者先進行靜態(tài)拍攝，隨后完成3次原地縱跳（counter movement jump，CMJ），作肌電標準化處理（張洋 等，2016）；再進行跳深（drop jump，DJ）動作測試，受試者站在40 cm高的臺子上，雙眼目視前方、雙手叉腰、雙腳開立與肩同寬，優(yōu)勢腿向前邁出，身體自然前傾垂直下落，雙足同時且分別落在2塊測力臺上，隨后迅速盡力反向跳起并再次分落于2塊測力臺上，共完成3次有效測試。

1.2.2 等速肌力測試

測試人員先將受試者按測試標準進行坐姿固定，隨后指導受試者進行3次非全力練習測試以熟悉動作要求。練習結束后，受試者盡全力完成120（°）/s的優(yōu)勢側膝伸肌向心/離心和屈肌向心等速肌力測試，每種測試重復3次，共記錄9次，每種測試間歇1 min，測試順序隨機產生。測試人員全程為受試者加油鼓勵，以助受試者保持最大發(fā)力狀態(tài)。

1.3 數據的采集與處理

DJ測試中，使用三維紅外動作捕捉系統(tǒng)（100 Hz，Vi‐con Motion Analysis Inc.，Oxford，UK）、三維測力臺（1 000 Hz，928 7 C，Kistler Instruments AG Corp.，Winterthur，Switzer‐land）和表面肌電采集與分析系統(tǒng)（4 000 Hz，Trigno wire‐less，Delsys，Boston，USA）同步采集受試者優(yōu)勢側下肢關節(jié)運動學、動力學和肌電數據。等速肌力測試中，采用多關節(jié)等速肌力測試系統(tǒng)（256 Hz，Contrex，Switzerland）采集受試者優(yōu)勢側膝關節(jié)肌群等速肌力測試數據。

運動學與動力學數據在Visual 3D軟件（C-Motion，Inc.，Germantown，MD，USA）中處理，先采用Butterworth四階低通濾波器對Marker點軌跡信號和測力臺信號進行平滑處理（截止頻率分別為10 Hz和50 Hz），在此基礎上計算髖、膝、踝關節(jié)的運動學與動力學參數（張洋 等，2016）。原始表面肌電信號使用10～400 Hz的Butterworth 四階帶通濾波處理后，利用50 ms窗口的移動均方根整流CMJ和DJ動作的肌電。3次CMJ動作中的每塊肌肉峰值平均EMG信號用于DJ動作中相對應的各肌肉肌電的標準化處理。最后，根據同步信號分階段計算平均積分肌電（aEMG）。

1.4 相關定義及統(tǒng)計學處理

DJ動作階段（孫曉樂 等，2018）劃分為：1）離心緩沖期，從著地瞬間到膝關節(jié)最大屈曲時刻；2）向心蹬伸期，從膝關節(jié)最大屈曲時刻到腳尖離地瞬間。關節(jié)剛度：動作開始至關節(jié)力矩最大值期間的力矩差與角度差比值（Ward et al.，2019）。關節(jié)做功貢獻度：某單關節(jié)做功與髖、膝、踝關節(jié)做功總和之比（Stefanyshyn et al.，1998）。重心騰空高度：從腳尖離地至最高點期間的重心垂直位移（井蘭香 等，2012）。H∶Q：腘繩肌向心峰值力矩與股四頭肌離心峰值力矩的比值（Hewett et al.，2008）。

實驗數據結果以平均值±標準差表示。在SPSS 22.0中對膝伸肌等速肌力測試數據進行重復測量方差（組別×收縮方式）分析，對其他測試數據進行獨立樣本t檢驗，顯著性水平α=0.05。利用統(tǒng)計參數映射（SPM1d）方法（Pa‐taky，2012）檢測垂直地面反作用力（vertical ground reaction force，VGRF）的差異性，顯著性水平α=0.05。SPM1d分析的代碼實現在Python平臺上完成。

2 結果

2.1 膝關節(jié)等速肌力測試

膝伸肌峰值力矩表現出組別×收縮方式的交互效應（P=0.037；圖2A）。進一步簡單效應檢驗結果顯示，在離心收縮條件下，跳躍組表現出更高的膝伸肌峰值力矩（P=0.013）；在向心收縮條件下，兩組膝伸肌峰值力矩無顯著性差異（P=0.394）。膝屈肌向心收縮峰值力矩在兩組間存在顯著性差異，跳躍組有更大的峰值力矩（P=0.023），但H∶Q無顯著性差異（P=0.154；圖2B）。

圖2 膝關節(jié)等速肌力比較Figure 2. Comparison of Isokinetic Muscle Strength Comparison of Knee Joint

2.2 DJ動作測試

2.2.1 運動學

同非跳躍組相比，跳躍組落地緩沖時間［（0.18±0.04）s vs （0.24±0.03）s，P＜0.001］和蹬伸離地時間［（0.20±0.04）s vs （0.28±0.03）s，P＜0.001）均顯著縮短，重心騰空高度顯著增加［（0.30±0.05）m vs （0.24±0.04）m，P=0.002；圖3］。

圖3 跳躍組和非跳躍組跳深動作中各階段動作完成時間和重心騰空高度比較Figure 3. Comparison of Completion Time in Each Stage of Drop Jump and Height of the Center of Gravity between Jumpers and Non-Jumpers

下肢關節(jié)運動學結果表明，較之非跳躍組，跳躍組表現出顯著減小的著地跖屈角（P=0.035）、踝關節(jié)ROM（P＜0.001）、膝關節(jié)ROM（P＜0.001）和髖關節(jié)ROM（P=0.006），但著地膝屈角和著地髖屈角無顯著性差異（表2）。

表2 跳躍組和非跳躍組在跳深動作中下肢關節(jié)運動學比較Table 2 Kinematic Comparison of Lower Limb Joints between Jumpers and Non-Jumpers during Drop Jump

2.2.2 動力學

跳躍組表現出增大的踝關節(jié)伸展峰值力矩（P＜0.001）、踝關節(jié)向心功（P=0.032）、踝向心功貢獻度（P=0.003）和踝關節(jié)剛度（P=0.003），顯著減小的膝關節(jié)離心功（P=0.001）、離心功貢獻度（P=0.049）、膝關節(jié)向心功（P=0.002）和膝向心功貢獻度（P=0.003；表3，圖4）。同時，跳躍組還表現出更高的VGRF（圖5A）。經SPM1d分析表明，跳躍組在落地的30%～84%階段（對應DJ動作的離心-向心過渡期和向 心期）表現出更大的VGRF（P＜0.001，圖5B）。

表3 跳躍組和非跳躍組在跳深動作中下肢關節(jié)動力學比較Table 3 Dynamic Comparison of Lower Limb Joints between Jumpers and Non-Jumpers during Drop Jump

2.2.3 肌電

本研究發(fā)現，在整個DJ動作過程中，標準化后的VM、BF、GM的aEMG在跳躍組和非跳躍組中均無顯著性差異。

3 討論

在執(zhí)行跳躍類動作時，下肢肌力不足被認為可能是造成女性高ACL損傷率的潛在機制之一，尤其是膝屈肌肌力不足（Myer et al.，2009；Weinhandl et al.，2014）。本研究表明，較之非跳躍組，女性跳躍組表現出更大的股四頭肌離心力量（Qecc）和腘繩肌向心力量（Hcon），但H∶Q無明顯差異，股四頭肌向心力量亦無顯著性差異（圖2），這些結果部分支持了本研究的假設H1。其中，膝伸肌力量在不同收縮方式下所表現出的交互結果（圖2A）可以認為是由于跳躍組長期下肢離心力量訓練造成的。在一些短期訓練干預的研究中，Lephart等（2005）發(fā)現，經過8周超等長訓練后，女性膝伸肌肌力顯著增加，但膝屈肌肌力無明顯變化。Myer等（2006）發(fā)現，在7周超等長訓練的基礎上再進行單獨的股后肌群訓練能顯著提高股后肌群肌力和H∶Q。本研究及Wu等（2013）的研究表明，長期接受下肢離心訓練的跳躍組H∶Q與非跳躍組無顯著性差異。因此，本研究認為，無論是短期還是長期超等長訓練均能顯著增加膝伸肌群力量，但訓練中應同時重視加強腘繩肌的力量訓練，否則單純的伸肌力量增加只能導致更低的H∶Q，非但不能減小ACL的損傷風險，甚至可能適得其反。

與本研究假設H2一致，跳躍組DJ運動表現顯著優(yōu)于非跳躍組（圖3）。這可能主要得益于更強的膝伸肌離心肌力，提高了膝伸肌儲存和利用彈性勢能的能力，從而提高動作的效率和連慣性。另外，跳躍組表現出更大的踝向心功和貢獻度，可能也是其跳躍表現提高的原因之一（圖4）。Bobbert等（2001）的研究表明，在下肢SSC類動作中，踝關節(jié)跖屈肌能量輸出對跳躍動作有重要作用。

圖4 離心期和向心期的踝、膝、髖關節(jié)做功貢獻度Figure 4. Work Contribution of Ankle， Knee， and Hip Joints between Jumpers and Non-Jumpers during Centrifugal and Centripetal Phases of Drop Jump

本研究還表明，跳躍組在DJ離心期表現出更加剛性的緩沖策略（表2），更小的著地跖屈角和髖、膝、踝關節(jié)ROM，但兩組運動員的著地膝屈角并未表現出顯著性差異。在沖擊性動作中，直膝落地被認為是一個重要的ACL損傷風險，也是女性運動員ACL損傷高發(fā)的重要因素（Decker et al.，2003；Yu et al.，2006）。本研究結果并不支持研究假設H3，即進行長期下肢離心訓練的跳躍組在DJ動作中并不表現出更低風險的著地策略。然而，Myer等（2006）表明，7周離心訓練可顯著增加受試者完成DJ動作時的著地膝屈角和最大膝屈角；Hopper等（2017）發(fā)現，7周干預訓練后，在完成DJ動作時干預組的著地膝屈角顯著增加，而最大膝屈角無明顯變化。對于上述不同研究結果，本研究認為，動作表現需求會影響跳躍類動作的下肢生物力學特征（Dai et al.，2019），旨在追求跳躍表現的訓練與旨在改善著陸力學的訓練會產生不一樣的效果（Vescovi et al.，2008）。本研究中，跳躍組在日常訓練中更多地追求動作表現，而短期干預訓練更多注重改善下肢生物力學。值得注意的是，短期的干預通常會通過語言反饋等方式讓運動員有意識地改變著陸力學以安全落地（My‐er et al.，2006；Pollard et al.，2017），但隨著干預終止，這種意識可能會在運動員腦海中逐漸淡化。此外，干預的后測通常會在干預結束后立即進行，這時運動員仍處于運動技能學習階段，學習效應較強（Padua et al.，2012），此時的測試結果或許并不能完全表明干預訓練能夠有效改善高風險的下肢生物力學特征。

除了身體姿態(tài)，高沖擊力也被認為是導致ACL損傷的重要因素（Leppanen et al.，2017）。研究表明，ACL損傷通常發(fā)生在著地初期（Krosshaug et al.，2007）。本研究中，與非跳躍組相比，跳躍組表現出更大的VGRF。但經SPM1d分析后發(fā)現，跳躍組在落地的30%～85%階段表現出更大的VGRF，而在落地前30%階段無顯著性差異（圖5）。My‐er等（2006）和Wu等（2013）的研究發(fā)現，單獨的超等長訓練并不會降低受試者在落地動作中的GRF。本研究認為，跳躍組在DJ動作中取得更好運動表現的同時，伴隨更大的VGRF，在力學上是合理的。而在落地初期不表現更大的沖擊力說明了跳躍運動員在著地風險控制和跳躍表現上的兼?zhèn)淠芰Γ丛诓辉黾訐p傷風險的前提下提升了運動表現。

當地面沖擊向上傳遞至不同關節(jié)時，兩組的動力學差異主要體現在膝、踝關節(jié)上，髖關節(jié)無顯著性差異（表3，圖4），并且跳躍組表現出顯著減小的膝關節(jié)離心功與貢獻度。Weinhandl等（2011）發(fā)現，疲勞狀態(tài)下，受試者在DJ動作中會表現出膝關節(jié)離心功的減小和踝關節(jié)離心功等量增大的現象。雖然本研究認為這種策略變化與ACL損傷風險之間的關系還有待進一步研究，但上述研究同時發(fā)現疲勞后著地膝屈角減小。本研究中，跳躍組是跑、跳類項目的田徑運動員，長期且大量的SSC動作訓練極大地發(fā)展了跳躍組的膝伸肌離心力量以抵抗落地沖擊力；非跳躍組是較少進行下肢SSC動作訓練的游泳運動員，較弱的膝伸肌離心肌力使得其必須通過增大膝關節(jié)做功以緩沖落地沖擊力。因此，跳躍組更小的膝關節(jié)離心功與疲勞后離心功的減小有完全不同的形成機制，并且本研究中兩組的著地膝角并無顯著性差異。因此，跳躍組更小的膝關節(jié)離心功與貢獻度并不反映更大的ACL損傷風險。

圖 5 垂直地面反作用力比較Figure 5. VGRF Comparison

本研究的局限在于未招募男性受試者進行相同測試，缺少性別比較。同時，利用肌骨模型進行運動仿真，并結合有限元分析方法解算ACL在沖擊性動作中的動態(tài)應力-應變特征，對于ACL損傷機制的理解及損傷預防都有重要意義，是值得深入研究的方向。

4 結論

1）長期進行下肢離心訓練能夠有效增強運動員的膝關節(jié)伸肌離心力量，并能提高跳深動作的運動表現。

2）女性跳躍組在跳深動作中的膝關節(jié)運動學、VGRF等指標，尚不能直接證明長期離心訓練可以有效預防或降低在沖擊性著地動作中的ACL損傷風險。

3）在提升運動表現的同時，不增大ACL損傷風險可能才是對長期離心訓練效果較合理的邏輯解釋。