不同助跑速度急停起跳對(duì)排球運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特征的影響

孫曉澤，袁 鵬，許貽林，李 森

前言

排球?qū)儆诟艟W(wǎng)對(duì)抗類運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，其特定的任務(wù)，例如起跳，落地，攔網(wǎng)和擊球都需要與快速運(yùn)動(dòng)模式相結(jié)合。流行病學(xué)調(diào)查顯示，就損傷發(fā)生的身體部位而言，膝關(guān)節(jié)占比為14.6%，踝關(guān)節(jié)占比為13.8%，軀干占比為10.7%，肩關(guān)節(jié)占比為10.4%，頭/面部占比為9.4%[1]。男子運(yùn)動(dòng)員的膝關(guān)節(jié)損傷主要發(fā)生在內(nèi)側(cè)副韌帶，而女子運(yùn)動(dòng)員主要發(fā)生在前交叉韌帶、半月板和內(nèi)側(cè)副韌帶[2]。膝關(guān)節(jié)損傷不僅影響運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)和職業(yè)生涯，甚至影響運(yùn)動(dòng)員以后的生活質(zhì)量。

在激烈的排球比賽中，高強(qiáng)度、高重復(fù)和快速度地跳躍、變向等動(dòng)作對(duì)排球運(yùn)動(dòng)員的下肢肌肉骨骼系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大的負(fù)荷，且在比賽后期運(yùn)動(dòng)員出現(xiàn)生理上的疲勞，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員的神經(jīng)肌肉控制能力下降[3]，協(xié)調(diào)性和本體感覺(jué)能力下降[4]，關(guān)節(jié)松弛度增加[5]，下肢肌肉和關(guān)節(jié)剛度變小[6]，進(jìn)而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員身體控制能力和關(guān)節(jié)穩(wěn)定性下降，最終導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員的受傷風(fēng)險(xiǎn)增加[7]。ACL損傷在排球項(xiàng)目中很常見(jiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，排球項(xiàng)目中的大多數(shù)的ACL損傷是發(fā)生在運(yùn)動(dòng)員之間沒(méi)有身體接觸時(shí)，稱之為非接觸性ACL損傷。非接觸性ACL損傷因素可以分為內(nèi)部和外部?jī)纱箢悾渲袃?nèi)部因素中與生物力學(xué)有關(guān)的神經(jīng)肌肉控制和肌肉力量(落地時(shí)較小的膝關(guān)節(jié)屈曲角度[8]，較大的膝關(guān)節(jié)內(nèi)、外翻力矩和內(nèi)旋力矩[9]，較大的地面反作用力和膝關(guān)節(jié)前向剪切力以及更大的股四頭肌激活，較小的腘繩肌激活[10])是造成非接觸性ACL損傷的主要危險(xiǎn)因素。同時(shí)，大量研究證明ACL損傷存在性別偏倚，即女子運(yùn)動(dòng)員非接觸性ACL損傷的發(fā)生率比男子運(yùn)動(dòng)員更高。這主要是因?yàn)榕c男子運(yùn)動(dòng)員相比，女子運(yùn)動(dòng)員的下肢運(yùn)動(dòng)控制能力相對(duì)較弱，因此可能會(huì)增加某些特定運(yùn)動(dòng)任務(wù)中ACL的負(fù)擔(dān)[11]。因此，本研究通過(guò)對(duì)排球運(yùn)動(dòng)員完成不同助跑速度急停起跳動(dòng)作過(guò)程中膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)參數(shù)的分析，探討不同助跑速度對(duì)膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)特征的影響，以及性別之間的差異，為膝關(guān)節(jié)損傷的預(yù)防提供生物力學(xué)機(jī)制方面的理論參考。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究共招募24名排球運(yùn)動(dòng)員，其中男子和女子排球運(yùn)動(dòng)員各12名，最終有23人(男12，女11)完成急停起跳動(dòng)作的三維生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作(表1)。

表1 受試者基本情況表

1.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

使用8鏡頭Qualisys 500萬(wàn)像素的三維紅外運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)和兩塊Kistler三維測(cè)力臺(tái)同步采集受試者在不同助跑速度下完成急停起跳動(dòng)作時(shí)膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)信號(hào)，采樣頻率分別為200Hz和1000Hz，助跑速度經(jīng)兩臺(tái)Smartspeed測(cè)速儀分別距測(cè)力臺(tái)2米和0米處對(duì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.3 反光Marker點(diǎn)位置

根據(jù)Qualisys推薦的CAST Marker Set Full Body貼點(diǎn)方案[12]在受試者身體相應(yīng)位置粘貼反光Marker球，粘貼位置為左右側(cè)肩峰、肩胛下角、肱骨中段外側(cè)、肱骨外上髁、橈骨莖突、尺骨莖突、第二掌指關(guān)節(jié)、髂嵴、前后髂前上棘、大轉(zhuǎn)子、大腿中段外側(cè)、大腿中段前側(cè)、內(nèi)外上髁、脛骨粗隆、小腿中段外側(cè)、內(nèi)外髁及其中點(diǎn)、跟骨、第一、二和五跖趾關(guān)節(jié)以及第七頸椎、第十胸椎和胸鎖關(guān)節(jié)中點(diǎn)等位置。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

急停起跳測(cè)試動(dòng)作要求受試者從距離Kistler測(cè)力臺(tái)2米之外的位置開始助跑，然后優(yōu)勢(shì)側(cè)足首先踏上測(cè)力臺(tái)，緊接著非優(yōu)勢(shì)側(cè)足踏上測(cè)力臺(tái)，隨后左右側(cè)下肢同時(shí)完成下蹲起跳動(dòng)作。急停起跳動(dòng)作的三個(gè)助跑速度分別為2m/s(慢速)、3m/s(中速)和4m/s(快速)，有效的助跑速度區(qū)間分別為1.8-2.2 m/s(慢速)、2.7-3.3m/s(中速)和3.6-4.4m/s(快速)。每個(gè)助跑速度下完成三次有效動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作之間有30秒的休息時(shí)間。有效動(dòng)作的定義為助跑速度在規(guī)定的速度范圍內(nèi)且優(yōu)勢(shì)側(cè)足完全落在測(cè)力臺(tái)上。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Qualisys Track Manager 2019.2和Visual3D軟件處理不同助跑速度下急停起跳動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。采用卡丹角順序依次計(jì)算三維膝關(guān)節(jié)角度[13]。依據(jù)逆向動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算膝關(guān)節(jié)力矩[14]。通過(guò)反光Marker球建立坐標(biāo)系，在三維坐標(biāo)系中，與受試者的助跑方向平行的為X軸，垂直于助跑方向的為Y軸，垂直于地面向上的為Z軸。定義膝關(guān)節(jié)伸、內(nèi)翻、內(nèi)旋為正值，屈、外翻、外旋為負(fù)值，對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)力矩的方向與關(guān)節(jié)角度方向一致[15]，對(duì)于關(guān)節(jié)力矩的數(shù)據(jù)進(jìn)行體重標(biāo)準(zhǔn)化處理，單位為N·m/kg。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

采用雙因素重復(fù)測(cè)量方差分析比較助跑速度和性別對(duì)排球運(yùn)動(dòng)員急停起跳動(dòng)作膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的影響，其中自變量助跑速度為重復(fù)測(cè)量變量[16]。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性水平確定為P<0.05，采用LSD方法對(duì)顯著性主效應(yīng)進(jìn)行事后檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 不同速度急停起跳動(dòng)作膝關(guān)節(jié)三維運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)研究結(jié)果

不同助跑速度下排球運(yùn)動(dòng)員急停起跳動(dòng)作膝關(guān)節(jié)峰值角度如表2所示。助跑速度顯著影響膝關(guān)節(jié)伸展峰值角度和內(nèi)旋峰值角度(P<0.005)。后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)慢速助跑下的膝關(guān)節(jié)伸展峰值角度和內(nèi)旋峰值角度顯著小于中速和快速助跑(P<0.005)。性別顯著影響膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻峰值角度和外翻峰值角度，且女子排球運(yùn)動(dòng)員的膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻峰值角度顯著小于男子排球運(yùn)動(dòng)員(P<0.005)，而外翻峰值角度顯著大于男子排球運(yùn)動(dòng)員(P<0.005)。

表2 不同助跑速度下急停起跳時(shí)膝關(guān)節(jié)峰值角度(°)

2.2 不同速度急停起跳動(dòng)作膝關(guān)節(jié)三維動(dòng)力學(xué)指標(biāo)研究結(jié)果

不同助跑速度下排球運(yùn)動(dòng)員急停起跳動(dòng)作膝關(guān)節(jié)力矩峰值和前向剪切力如表3所示。助跑速度顯著影響膝關(guān)節(jié)伸展峰值力矩，后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)助跑速度越快，膝關(guān)節(jié)伸展峰值力矩越大(P<0.05)。性別顯著影響膝關(guān)節(jié)屈曲峰值力矩和內(nèi)翻峰值力矩，女子排球運(yùn)動(dòng)員的膝關(guān)節(jié)屈曲峰值力矩顯著小于男子排球運(yùn)動(dòng)員，而內(nèi)翻峰值力矩顯著大于男子(P<0.05)。助跑速度顯著影響膝關(guān)節(jié)外翻峰值力矩，后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)男子排球運(yùn)動(dòng)員快速助跑下的膝關(guān)節(jié)外翻峰值力矩顯著小于慢速和中速助跑。

表3 不同助跑速度下急停起跳時(shí)膝關(guān)節(jié)峰值力矩(N·m/kg)和前向剪切力(BW)

2.3 不同助跑速度急停起跳地面反作用力特征

不同助跑速度下排球運(yùn)動(dòng)員急停起跳動(dòng)作地面反作用力峰值如表4所示。隨著助跑速度的增加，青年排球運(yùn)動(dòng)員完成急停起跳和變向動(dòng)作時(shí)的最大水平制動(dòng)力和垂直地面反作用力也隨之增加，且女子排球運(yùn)動(dòng)員急停起跳動(dòng)作的水平制動(dòng)力峰值顯著大于男子排球運(yùn)動(dòng)員。

表4 地面反作用力峰值(BW)

3 討論

3.1 不同助跑速度下急停起跳膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)特征分析

采用運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究方法分析了青年男子和女子排球運(yùn)動(dòng)員在完成急停起跳和變向動(dòng)作以及單腿落地動(dòng)作過(guò)程中下肢生物力學(xué)負(fù)荷指標(biāo)的變化情況。以往的研究發(fā)現(xiàn)，急停起跳時(shí)運(yùn)動(dòng)員的下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)存在顯著性差異，膝關(guān)節(jié)尤為顯著[17,18]，但這些研究均沒(méi)有考慮助跑速度的差異性。本研究結(jié)果顯示，排球運(yùn)動(dòng)員完成急停起跳動(dòng)作時(shí)，膝關(guān)節(jié)屈曲角度在助跑速度和性別方面均不存在顯著性差異，但膝關(guān)節(jié)伸展角度和內(nèi)旋角度隨著助跑速度的增加而增加，且女子排球運(yùn)動(dòng)員在額狀面的運(yùn)動(dòng)幅度要大于男子排球運(yùn)動(dòng)員，相對(duì)于健康的運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)，較大的膝外翻角度會(huì)使身體重心偏向外側(cè)，使得膝關(guān)節(jié)外展力矩增加，因此是致使膝關(guān)節(jié)發(fā)生損傷的一個(gè)潛在危險(xiǎn)因素[19,20]，因此女子排球運(yùn)動(dòng)員有更高的損傷風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 不同助跑速度下急停起跳膝關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)特征分析

助跑速度顯著影響膝關(guān)節(jié)伸展峰值力矩。股四頭肌是主要的伸膝肌群，其在很大程度上影響膝關(guān)節(jié)伸力矩的大小。Sell[21]等人表明，膝關(guān)節(jié)伸力矩的增加會(huì)增加非接觸式ACL損傷的風(fēng)險(xiǎn)。本研究結(jié)果顯示，膝關(guān)節(jié)伸力矩隨著助跑速度的增加而顯著增大，也就意味著更大的下肢損傷風(fēng)險(xiǎn)，且女子排球運(yùn)動(dòng)員的損傷風(fēng)險(xiǎn)更高。膝關(guān)節(jié)屈曲峰值力矩和膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻峰值力矩在性別之間存在顯著性差異，相較于男子排球運(yùn)動(dòng)員，女子排球運(yùn)動(dòng)員具有較小的膝關(guān)節(jié)屈曲峰值力矩和較大的膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻峰值力矩,膝關(guān)節(jié)額狀面力矩的增加使ACL有更大負(fù)荷，從而更容易造成損傷。隨著助跑速度的增加，膝關(guān)節(jié)外翻力矩也隨之增加。前人研究指出，膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻力矩與垂直地面反作用力呈正相關(guān)性[22]，較大的膝關(guān)節(jié)內(nèi)外翻力矩意味著較大的垂直地面反作用力，而地面反作用力的增加會(huì)增加下肢損傷風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 不同助跑速度下急停起跳地面反作用力特征分析

隨著助跑速度的增加，青年排球運(yùn)動(dòng)員完成急停起跳時(shí)的最大水平制動(dòng)力和垂直地面反作用力也隨之增加，這可能會(huì)影響膝關(guān)節(jié)的力學(xué)負(fù)荷，從而增加ACL的損傷風(fēng)險(xiǎn)。關(guān)于急停起跳地面反作用力的研究，De等人指出[23]，下肢損傷的發(fā)生與落地時(shí)地面反作用力的大小有關(guān)。在急停起跳落地階段，膝關(guān)節(jié)前向剪切力和膝關(guān)節(jié)伸力矩與地面反作用力有關(guān)，尤其是與水平制動(dòng)力有關(guān)[24]。在急停起跳落地階段，較大的水平制動(dòng)力會(huì)產(chǎn)生較大的膝關(guān)節(jié)伸力矩，而膝關(guān)節(jié)伸力矩的增加會(huì)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)前向剪切力的增加[25]，這主要是由于力的傳遞原理—地面反作用力的增大會(huì)產(chǎn)生一個(gè)外部膝關(guān)節(jié)屈曲力矩，同時(shí)股四頭肌會(huì)發(fā)力產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)的膝關(guān)節(jié)伸力矩來(lái)平衡作用力。有研究指出當(dāng)股四頭肌集中的力在膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生較大的前向剪切力，會(huì)造成ACL張力過(guò)大，從而引起膝關(guān)節(jié)損傷[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，女子排球運(yùn)動(dòng)員較男子運(yùn)動(dòng)員有更大的水平制動(dòng)力，女子排球運(yùn)動(dòng)員更容易發(fā)生下肢運(yùn)動(dòng)損傷，且助跑速度越快的急停起跳下肢損傷風(fēng)險(xiǎn)越高，Hewett等人的研究表明更大的垂直地面反作用力可能會(huì)增加ACL損傷的風(fēng)險(xiǎn)[27]。Sigward等還發(fā)現(xiàn)，最大垂直方向地面反作用力是膝關(guān)節(jié)外展力矩的最顯著預(yù)測(cè)因素[28]，如前所述，膝關(guān)節(jié)外展力矩和伸力矩是影響ACL損傷的潛在風(fēng)險(xiǎn)因素。結(jié)合這些發(fā)現(xiàn)，本研究認(rèn)為隨著助跑速度的增加，排球運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)損傷的風(fēng)險(xiǎn)也可能會(huì)潛在地增加。

4 結(jié)論

1.隨著助跑速度的增加，排球運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)損傷的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。

2.急停起跳時(shí)，女子排球運(yùn)動(dòng)員較男子排球運(yùn)動(dòng)員有更高的膝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)。