多目標追蹤任務下疲勞對足球運動員前交叉韌帶損傷風險的影響

任園園，陸阿明，王國棟，王文鐳，楊海琪，陳一言，劉 丹，駱 樂

近年，關于前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）運動損傷的研究日益增多，運動員ACL損傷后可能無法完全恢復正常的膝關節(jié)生物力學性能，甚至容易造成膝關節(jié)炎、半月板損傷等后遺癥，影響運動能力（Filar?do et al.，2019；Lien?Iversen et al.，2019）。在足球運動中，ACL損傷的發(fā)生率較高，且有60.8%～69.6%屬于非接觸性損傷（Kobayashi et al.，2010）。研究表明，隨著機體疲勞的產(chǎn)生，中樞神經(jīng)系統(tǒng)和外周肌肉骨骼系統(tǒng)功能逐漸降低（Benjaminse et al.，2019），造成完成動作時膝關節(jié)屈曲角度減小、下肢關節(jié)力矩增大以及腿的剛度降低等不利的下肢生物力學變化（Chang et al.，2018；Lehnert et al.，2018；Qu et al.，2018）。因而，疲勞是造成非接觸性 ACL損傷的重要因素之一。有研究發(fā)現(xiàn)，足球運動員參加日常訓練時間遠多于比賽時間，但其在比賽中發(fā)生ACL損傷的概率仍比訓練中高出14.4%（Romeas et al.，2016），說明可能存在其他的機制影響ACL損傷。足球比賽中，運動員在發(fā)揮自身技能的同時還要時刻關注球、隊員和對手的位置（劉洋等，2018）。將注意力分配到多個運動客體上并對其進行視覺追蹤的任務稱為多目標追蹤范式（multiple?object tracking，MOT），主要研究內(nèi)容為動態(tài)加工能力，涉及注意力加工、工作記憶及視覺空間記憶等大腦認知過程（Alvarez et al.，2005）。目前的研究認為，運動員下肢損傷與MOT任務下的注意力加工及神經(jīng)認知能力有關（Alves et al.，2013；Faubert，2012；Mejane et al.，2019；Swanik et al.，2016），該動態(tài)加工能力與足球運動員的ACL損傷之間存在的關聯(lián)尚待進一步探索。因此，本研究以3D?MOT任務范式為前提，探索足球運動員在疲勞發(fā)展過程中下肢生物力學的漸進性變化及其對非接觸性ACL損傷的影響，從而更好地揭示運動性疲勞與動作變化及下肢損傷的關系。

1 研究對象與方法

1.1 受試者

受試者均來自某高校高水平足球隊，排除各項條件后共有15人自愿參與實驗［年齡（20.07±1.53）歲，身高（181.43±7.36）cm，體質(zhì)量（75.37±10.67）kg］，其中一級運動員6名，二級運動員9名。受試者納入標準：1）近半年內(nèi)無下肢關節(jié)、神經(jīng)肌肉等疾病或損傷；2）有比賽經(jīng)歷的足球運動員，體能水平相似且達到較優(yōu)標準；3）測試前24 h內(nèi)無劇烈運動。

1.2 儀器設備

1.2.1 Vicon運動捕捉系統(tǒng)

采用由8臺紅外攝像機組成的三維攝像運動捕捉系統(tǒng)（Vicon Motion Analysis，英國），配套直徑14 mm的紅外反光球以及 Vicon 系統(tǒng)自帶的下肢模型（Plug?in?Gait）進行動作捕捉與采集，采樣頻率為100 Hz。

1.2.2 三維測力臺

選用2塊Kistler三維測力臺（90 cm×60 cm×10 cm，型號：9287B，瑞士），分別對X、Y、Z軸3個方向的力進行檢測，采樣頻率為1 000 Hz，與Vicon紅外高速運動捕捉系統(tǒng)實現(xiàn)同步（圖1）。

圖1 Vicon紅外高速運動捕捉系統(tǒng)拍攝區(qū)域Figure 1. Shooting Area by Vicon Infrared High Speed Motion Capture System

1.3 實驗步驟

準備工作：受試者簽署知情同意書并填寫個人基本信息，更換統(tǒng)一配備的緊身短褲和運動鞋。由專門的實驗人員對受試者進行Mark點貼扎，位置分別為雙側髂前上棘、雙側髂后上棘、雙側膝關節(jié)外側髁、雙側外踝、雙側跟骨、雙側第二趾骨底、左大腿和左小腿上1/3處、右大腿和右小腿下1/3處（圖2）。為減小實驗誤差，所有粘貼工作由一人完成。

圖2 下肢模型Mark點貼扎位置Figure 2. Position of Lower Limb Model Mark Points

實驗前測：受試者進行靜態(tài)采集，隨后在跑臺上以4 km/h的速度進行5～10 min熱身，緊接著在測力臺上進行連續(xù)5次最大縱跳，取最好一次成績計算受試者最大縱跳高度。采用踢球法對受試者進行下肢優(yōu)勢側判定（張英媛等，2014），完成測試后對受試者進行落地動作與3D?MOT任務培訓。

1.4 實驗方案

1.4.1 落地動作測試方案

受試者雙手叉腰，雙腳直立站在40 cm的高臺上，聽到“開始”口令后，優(yōu)勢腿向前邁出，同時身體前傾從臺上無初速度垂直落下。落地時雙腳同時著地，分別落在2塊測力臺上，著地方式均采用“足趾-足跟”模式，每個動作測試2～3次（圖3）。

圖3 落地動作模式示意圖Figure 3. Schematic Diagram of Landing Action Mode

1.4.2 MOT任務方案

采用由8個相同球體組成的3D?MOT任務（Mejane et al.，2019）。每個任務分為4步：1）屏幕上呈現(xiàn)8個隨機排列的相同球體；2）3個目標球體改變顏色（變亮）；3）所有球體變回原有顏色，在屏幕內(nèi)以相同的速度隨機運動；4）任務結束時受試者依次指出屏幕上目標球體的位置（圖4）。為保證受試者接受的MOT任務負荷相同，目標球體的速度根據(jù)受試者自身的臨界水平進行標準化。標準化過程：任務以隨機速度呈現(xiàn)，若受試者能正確識別目標球體，下一次進行的任務速度則變快；若不能正確識別目標球，下一次執(zhí)行的任務速度則變慢，球體速度呈階梯式進行升降調(diào)節(jié)，直到受試者的臨界速度被確定。為保證受試者在完成下落任務時能夠順利執(zhí)行MOT任務，將其實驗中的MOT速度水平調(diào)節(jié)為受試者臨界速度的30%，規(guī)定受試者若不能正確識別目標球體則重新開始測試。同時，下落動作與MOT任務保持同步，若受試者完成MOT任務的反應時間超過2 s則重新開始測試。

圖4 3D-MOT任務呈現(xiàn)流程示意圖Figure 4. Schematic Diagram of 3D-MOT Tasks Process

1.4.3 疲勞方案

由于足球運動員需進行長時間間歇性奔跑，且跳起、下落（頭頂球）的動作模式經(jīng)常出現(xiàn)，故研究采用“跑＋跳”的方案進行疲勞誘導。要求受試者先以自身最大速度進行10×6 m折返跑，完成后迅速跑回到測力臺進行5個連續(xù)最大縱跳（張希妮等，2017）。參考張強等（2014）和Tsai等（2009）的研究，以縱跳高度的平均衰減率來定義疲勞程度，同時采用自感疲勞分級量表（Rating of Per?ceived Exertion，RPE）作為輔助的疲勞程度測定，疲勞判定標準根據(jù)預實驗結果進行了調(diào)整。研究將疲勞分為3種水平：1）未疲勞（non?fatigue，NF）；2）中度疲勞（medi?um?fatigue，MF），受試者縱跳高度衰減量達到 30%，且RPE=14～16；3）重度疲勞（serious?fatigue，SF），受試者縱跳高度衰減量達到50%，且RPE＞17。其中，縱跳高度（H）采用騰空時間計算法，公式為H=0.5g（T/2）2=1.225T2。g表示重力加速度9.8 m/s2，T表示最大縱跳騰空時間（單信海等，2004）。當受試者達到不同疲勞程度時，即刻進行落地動作測試，否則繼續(xù)執(zhí)行疲勞方案。要求受試者在每組落地動作之間分別完成5次最大連續(xù)縱跳，以維持疲勞程度。

1.5 數(shù)據(jù)采集與分析

所有數(shù)據(jù)通過Vicon導入Visual 3D軟件，并采用逆向動力學方法進行計算。數(shù)據(jù)運算與處理在METLAB軟件中完成。

由于ACL最大張力常出現(xiàn)于觸地后垂直地面反作用力首峰時刻（Cerulli et al.，2003），故研究主要選取垂直地面反作用力首峰時刻受試者優(yōu)勢側各項運動學和動力學指標進行分析。運動學參數(shù)主要選取下肢髖、膝、踝關節(jié)在3個平面內(nèi)的關節(jié)角度，各關節(jié)角度在身體直立狀態(tài)下定義為0°。動力學參數(shù)主要選取首峰時刻下肢各主要關節(jié)力矩、各個方向地面反作用力值以及垂直方向載荷率。時間參數(shù)主要選取垂直地面反作用力首峰出現(xiàn)的時間（t1），即觸地時刻至首峰時刻的時間差值。其中，VGRF為垂直地面反作用力首峰值；M?LGRF為水平方向的地面反作用力，MGRF代表向內(nèi)（身體某結構離人體正中矢狀面相對較近）地面反作用力，LGRF代表向外地面反作用力；A?PGRF為前后方向的地面反作用力，AGRF代表向前地面反作用力，PGRF代表向后地面反作用力。垂直方向的載荷率（loading rate，LR）計算公式為LR=VGRF1/t1。以上各方向的地面反作用力指標統(tǒng)一除以體質(zhì)量進行標準化。

1.6 統(tǒng)計學分析

采用SPSS 20.0對數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗，以單因素重復測量方差分析法（One?way Repeated Measures Anova）進行統(tǒng)計學分析，并運用最小顯著性差異法（Least?Signif?icant Difference，LSD）法進行兩兩比較，觀察運動員在MOT任務下進行不同程度疲勞（NF、MF、SF）對下肢生物力學參數(shù)的影響。顯著性水平定義為ɑ=0.05。

2 結果

2.1 疲勞干預情況

受試者平均執(zhí)行了（5.93±1.62）組疲勞方案達到研究規(guī)定的SF標準，數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布，說明運動員從NF至SF的水平相差不大。此時，受試者的騰空高度較MF時平均減少了12.44 cm，較NF時平均減少了20.06 cm（表1），達到研究規(guī)定的疲勞衰減標準。

表1 受試者執(zhí)行疲勞干預情況Table 1 Fatigue Intervention of Subjects

2.2 下肢關節(jié)角度變化

MOT任務下不同疲勞程度對下肢各關節(jié)角度有顯著的影響。受試者達到MF時，與NF相比膝關節(jié)屈曲角度與踝關節(jié)跖屈角度增大（圖5b、5d），而膝關節(jié)內(nèi)旋角度減?。▓D5e，P＜0.05）。受試者達到SF時，與NF相比，髖關節(jié)屈曲角度與膝關節(jié)外翻角度增大（圖5a、5c，P＜0.05）；與MF相比，髖關節(jié)屈曲角與膝關節(jié)屈角度減?。▓D5a、5b），膝關節(jié)外翻角增大（圖5c，P＜0.05）。

圖5 下肢各關節(jié)角度Figure 5. Angle of Lower Limb Hip Joint

2.3 下肢關節(jié)力矩變化

在MOT任務下，受試者達到MF時踝關節(jié)背屈力矩較NF時明顯增加（圖6e，P＜0.05）。達到SF時，髖關節(jié)伸力矩與內(nèi)收力矩較NF時增加（圖6a、6c，P＜0.05），膝關節(jié)伸力矩較MF時減小，膝關節(jié)內(nèi)收力矩較MF時增大（圖6b、6c，P＜0.05）。

圖6 下肢關節(jié)力矩值Figure 6. Moment of Lower Limb

2.4 地面反作用力、載荷率及首峰出現(xiàn)時間變化

受試者從NF狀態(tài)達到MF狀態(tài)時，垂直地面反作用力首峰出現(xiàn)的時間縮短（P＜0.05，表2）。受試者達到SF時，垂直方向、水平方向以及前后方向地面反作用力值較NF時均明顯增大（P＜0.05）。

表2 首峰時刻優(yōu)勢側下肢地面反作用力、載荷率及首峰出現(xiàn)時間比較Table 2 Comparison of Ground Reaction Force，Load Rate and Occurrence Time of the First Peak on the Dominant Side

3 討論與分析

研究表明，隨著疲勞的發(fā)展，運動員的最大縱跳高度明顯下降，說明采用的疲勞誘導方案能夠成功引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)與外周肌肉系統(tǒng)產(chǎn)生疲勞，具有一定的合理性。劉洋等（2019）也認為，“跑＋跳”的疲勞誘導方式來研究膝關節(jié)ACL損傷比較切實、準確。

3.1 MF水平下的“軟”著地

研究發(fā)現(xiàn)，與NF相比，受試者達到MF水平時，膝關節(jié)屈曲角度與踝關節(jié)跖屈角度增大。通常在高沖擊力的情況下，著地時較大的矢狀面關節(jié)位移被認為是主要的減震機制（Yom et al.，2019）。研究中膝關節(jié)和踝關節(jié)在矢狀面內(nèi)的角度增大，表明在下落著地后，下肢采用更積極的緩沖策略，使膝、踝關節(jié)周圍的肌肉吸收外力作用的時間延長，一定程度上起到了減震保護作用。這與Cortes等（2013）的研究相符，受試者在觸地時刻與峰值時刻均采取更大的膝關節(jié)屈曲角度，以更好地保護膝關節(jié)結構。當MF發(fā)生時，運動員進入一個更靈活的姿勢，仍以一種保護性的“軟著陸”姿勢落地。有研究認為，此結果可能是由于研究涉及的疲勞誘導方案與運動員平時在練習和比賽中進行的活動相似，易導致運動員的中樞神經(jīng)系統(tǒng)與骨骼肌肉系統(tǒng)對于出現(xiàn)的疲勞表現(xiàn)出一定的適應性（Cortes et al.，2013），使機體依然能夠調(diào)整軀干與下肢關節(jié)做出保護性的著地姿勢。研究還發(fā)現(xiàn)，膝關節(jié)內(nèi)旋角度以及垂直地面反作用力首峰出現(xiàn)的時間減小。此時膝關節(jié)內(nèi)旋角度減少可能帶來的消極影響是引起膝關節(jié)在著地過程后續(xù)階段內(nèi)的膝關節(jié)內(nèi)旋角度增加（Schmitz et al.，2013），且垂直地面反作用力首峰出現(xiàn)的時間縮短也不利于下肢緩沖，甚至會增大下肢剛度，這也是導致ACL損傷的重要危險因素之一。

3.2 SF水平下的“硬”著地

隨著疲勞程度的進一步增加，運動員達到SF水平，此時與NF相比，SF狀態(tài)下的髖關節(jié)屈曲角度、膝關節(jié)外翻角度、髖關節(jié)伸力矩及膝關節(jié)內(nèi)收力矩均有所增加。與MF相比，運動員達到SF時髖關節(jié)屈曲角度、膝關節(jié)屈曲角度及膝關節(jié)伸力矩呈下降趨勢，而膝關節(jié)外翻角度與膝關節(jié)內(nèi)收力矩較MF時呈增大趨勢。這提示在SF狀態(tài)下，運動員的下肢著地模式發(fā)生了變化，與MF相比呈現(xiàn)出變“硬”的趨勢。與此同時，運動員達到SF時首峰時刻的垂直方向、水平方向以及前后方向地面反作用力均明顯增加，表明此種較“硬”的著地模式會導致更多的負荷直接作用于關節(jié)周圍的骨和韌帶。運動員在下落過程中受到各個方向的沖擊力變大，若髖關節(jié)和膝關節(jié)屈曲角度較小就無法抵消較大的沖擊力，不利于關節(jié)能量吸收及落地動作緩沖，還會導致較大的沖擊力沿著跟骨、距骨傳遞到小腿及其他下肢關節(jié)（Nawoczenski et al.，1995），進一步增大脛骨前端的剪切力以及膝關節(jié)周圍韌帶的負荷（Schilaty et al.，2019；Wang et al.，2010），甚至導致膝關節(jié)內(nèi)部結構發(fā)生過度應變和應力（Brown et al.，2009）。Cortes等（2013）的研究與之相似，機體達到最大疲勞時會對下肢關節(jié)產(chǎn)生十分不利的影響。研究認為，關于SF引起著地模式發(fā)生較“硬”的變化機制，主要有以下兩點原因：1）隨著機體疲勞不斷發(fā)展，中樞神經(jīng)系統(tǒng)功能下降明顯，引起高位中樞對脊髓運動神經(jīng)元的支配能力與工作效率降低（Rattey et al.，2006）；2）隨著疲勞的加劇，外周肌肉系統(tǒng)感知運動的敏感性也急劇衰退，造成下肢肌肉力量合成能力下降以及關節(jié)松弛（Proske et al.，2012），進一步抑制周圍肌肉對這些極端負荷狀態(tài)的穩(wěn)定（Boucher et al.，2012），致使機體無法調(diào)整軀干與下肢到恰當?shù)奈恢靡援a(chǎn)生適當?shù)膭恿坑糜谥鼐彌_（Cortes et al.，2013；Frank et al.，2013）。

3.3 MOT任務下的影響機制

研究發(fā)現(xiàn)，運動員在MF與SF時均可能導致其ACL損傷風險增加。此結論符合Mejane等（2019）的研究，受試者在疲勞狀態(tài)下完成MOT任務時膝關節(jié)負荷明顯增大。Dietrich（2003）提出的暫時性額葉衰退理論與注意資源分配理論可以解釋這一現(xiàn)象。其構建了一個意識層次結構，人體基本的生物功能（如心率、說話等功能）位于此意識層次中的底層，前額葉背外側皮層的執(zhí)行功能（如認知功能）位于頂層。該理論認為，運動會導致與前額葉皮層相關的頂層意識水平發(fā)生短暫放松，即一個人的前額葉皮層受到其他刺激時，相關功能會暫時性受損。Di?etrich（2006）還指出，由于大腦的代謝資源在運動過程中是固定不變的，若身體要進行動態(tài)運動，就需要以犧牲其他區(qū)域為代價來增加大腦的激活量。根據(jù)這一理論，前額葉皮層受資源重新分配的影響最大，在機體受到運動等刺激時，會產(chǎn)生一種暫時性的放松調(diào)節(jié)，在行為上表現(xiàn)為運動期間認知功能的暫時性減退。在本研究中，MOT任務作為一項高水平的感知認知任務，能夠刺激大量的大腦神經(jīng)網(wǎng)絡，使其在運動過程中須完成運動整合、持續(xù)和分散的注意力處理以及工作記憶等工作（Romeas et al.，2016）。由于這種有效的認知在控制運動中起重要作用，故疲勞引起認知功能的短暫衰退可能會損害運動員在動態(tài)環(huán)境中的運動能力，容易造成次優(yōu)肌肉行為和關節(jié)不穩(wěn)的情況出現(xiàn)（Agel et al.，2016），從而導致下肢著地模式發(fā)生不利的變化。Lochner等（2014）的研究也支持這一結論，在駕駛的同時執(zhí)行MOT任務，會影響受試者駕馭前行與停車等駕駛技能的執(zhí)行，說明當受試者受到運動刺激時仍要保持對多個目標的追蹤任務，就很難處理和調(diào)節(jié)兩種信息沖突，容易出現(xiàn)視覺-空間定向能力減弱，干擾正常運動路線的執(zhí)行（Swanik et al.，2016）。因此，足球運動員在MOT任務下完成落地動作，可能存在更高的損傷風險。

4 結論

1）MOT任務下的運動疲勞引起足球運動員完成落地緩沖動作發(fā)生不利的下肢生物力學變化。

2）隨著疲勞的發(fā)展，足球運動員完成落地動作的著地模式呈現(xiàn)出由“軟”到“硬”的趨勢，進一步增加非接觸性ACL損傷風險。