籃球運(yùn)動(dòng)員踝關(guān)節(jié)損傷的足底生物力學(xué)特征研究

王 超，才官印，劉安琪，李小生，王 磊

前言

籃球運(yùn)動(dòng)受到廣大群眾的歡迎，在國(guó)內(nèi)具有較強(qiáng)的普及性。無(wú)論是專業(yè)的籃球運(yùn)動(dòng)員還是業(yè)余籃球愛(ài)好者都會(huì)出現(xiàn)下肢的運(yùn)動(dòng)損傷。在籃球運(yùn)動(dòng)中踝關(guān)節(jié)損傷最為常見(jiàn)，對(duì)運(yùn)動(dòng)能力的影響較大，一項(xiàng)研究表明因籃球受傷而缺席的總時(shí)間中，一半以上(53.7%)是由于腳踝受到損傷所致。腳踝受傷可能會(huì)導(dǎo)致球員出現(xiàn)殘疾和其他癥狀，最常見(jiàn)的是疼痛、不穩(wěn)定感、踝關(guān)節(jié)酸軟無(wú)力。一旦發(fā)生踝關(guān)節(jié)的損傷，將導(dǎo)致籃球運(yùn)動(dòng)員在比賽中難以發(fā)揮出最佳競(jìng)技狀態(tài)。人體的踝關(guān)節(jié)連接著足與小腿，是下肢重要的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，在承受運(yùn)動(dòng)沖擊中起到了重要的作用。就籃球運(yùn)動(dòng)而言，不僅僅需要跑步，還需要變向、側(cè)切，急停、急起等一些高強(qiáng)度動(dòng)作，踝關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)中承受著巨大的沖擊，在簡(jiǎn)單的起跳落地過(guò)程中，足底承受著超過(guò)體重7倍的地面反作用力。在長(zhǎng)時(shí)間的籃球運(yùn)動(dòng)中必然會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的下肢造成損傷累計(jì)。

雖然近些年來(lái)對(duì)于籃球運(yùn)動(dòng)員踝關(guān)節(jié)保護(hù)的技術(shù)不斷革新，但對(duì)籃球運(yùn)動(dòng)員個(gè)體足底特征與踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的研究還處于積極探索階段。當(dāng)前利用解剖學(xué)來(lái)研究足底壓力分布特點(diǎn),多數(shù)研究集中于不同分區(qū)峰值變化對(duì)踝關(guān)節(jié)損傷的影響，未損傷的籃球運(yùn)動(dòng)員與受損的籃球運(yùn)動(dòng)員對(duì)比可知在第3跖骨與第2-5腳趾區(qū)域存在明顯的差異，壓力峰值越大則越容易出現(xiàn)損傷。但是未能考慮到單個(gè)運(yùn)動(dòng)員足底獨(dú)特的生物力學(xué)特征，僅僅從足底壓力區(qū)域峰值的變化無(wú)法全面的解釋已發(fā)生損傷的籃球運(yùn)動(dòng)員二次損傷的內(nèi)在機(jī)制。因此，基于當(dāng)前的研究手段來(lái)探究足底受力特征差異對(duì)于個(gè)體踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的影響，豐富二次踝關(guān)節(jié)損傷的內(nèi)在機(jī)制研究。

由此選擇靜態(tài)、動(dòng)態(tài)、平衡性測(cè)試三種測(cè)試方案，根據(jù)足底壓力特征對(duì)個(gè)別籃球運(yùn)動(dòng)員踝關(guān)節(jié)的損傷側(cè)與踝關(guān)節(jié)健康側(cè)進(jìn)行對(duì)比分析，并對(duì)具有經(jīng)常性踝關(guān)節(jié)損傷的籃球運(yùn)動(dòng)員足底壓力分布特點(diǎn)進(jìn)行探究，分析出足底壓力分布對(duì)于足踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的影響，從而為籃球運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)中減少踝關(guān)節(jié)損傷提供建議。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

選取西安體育學(xué)院8名男性籃球?qū)ｍ?xiàng)學(xué)生(國(guó)家二級(jí)運(yùn)動(dòng)員)，在一年內(nèi)均出現(xiàn)單側(cè)踝關(guān)節(jié)損傷，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)進(jìn)行熱身活動(dòng)，熟悉測(cè)試內(nèi)容，受試前均簽署知情同意書(shū)，基本情況如表1所示。

表1 受試者基本情況(M±SD)

1.2 研究方法

1.2.1 文獻(xiàn)資料法

根據(jù)本文的研究目的和內(nèi)容，在CNKI中國(guó)知網(wǎng)、中國(guó)學(xué)術(shù)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)等查閱籃球運(yùn)動(dòng)、踝關(guān)節(jié)損傷、足底壓力、生物力學(xué)等關(guān)鍵詞的科研論文，借閱西安體育學(xué)院圖書(shū)館的科研教材，總結(jié)相關(guān)研究方法，更加深入地了解籃球運(yùn)動(dòng)員踝關(guān)節(jié)損傷領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和前沿的研究理論。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)法

1.2.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

利用意大利“SENSOR Medica(Free Step V3 Manual)足底壓力測(cè)試儀(1200cm×500cm×10mm)”進(jìn)行多次的數(shù)據(jù)采集，動(dòng)態(tài)采集頻率為270Hz，姿勢(shì)平衡采集頻率為25Hz。

1.2.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

測(cè)試前進(jìn)行足底壓力測(cè)試儀的調(diào)試。受試者在室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試前進(jìn)行動(dòng)作熟悉測(cè)試并進(jìn)行受試者的基本信息采集，當(dāng)熟悉測(cè)試動(dòng)作后進(jìn)行測(cè)試，所有測(cè)試均為裸足測(cè)試。選擇靜態(tài)站立測(cè)試、步態(tài)行走測(cè)試、SWAY姿勢(shì)平衡測(cè)試。靜態(tài)測(cè)試為裸足在測(cè)試儀上靜止站立10秒，雙腳并攏站立；動(dòng)態(tài)測(cè)試則是裸足在測(cè)試儀上正常步速行走，留下左右兩個(gè)足?。籗WAY姿勢(shì)平衡測(cè)試則是分別進(jìn)行10秒的睜眼雙腳站立、閉眼雙腳站立、睜眼左右腿單獨(dú)站立，閉眼左右腿單獨(dú)測(cè)試?？偣策M(jìn)行3次測(cè)試，選取有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

足部分區(qū)：Hallux：大腳趾；Metatarsal head I：第一跖骨(M1表示)；Metatarsal head II-III：第二～三跖骨(M2+M3)； Metatarsal head IV-V：第四～五跖骨(M4+M5)；Medial arch：足弓內(nèi)側(cè)(AM)Lateral arch：足弓外側(cè)(AL)Medial heel: 足跟內(nèi)側(cè)(HM)Lateral arch: 足跟外側(cè)(HL)如圖1所示。計(jì)算足弓指數(shù)：Foot arch index(AI)：

圖1

AI=足中部面積 *100% /(足中部+足前掌+足跟)面積，高足弓: AI ≤ 21%、正常足弓: 21%

1.2.3 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

得出的數(shù)據(jù)利用SPSS24.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析，并進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，進(jìn)行相關(guān)性分析。對(duì)接觸面積、負(fù)荷量、壓強(qiáng)、壓力中心、各區(qū)域峰值壓強(qiáng)、特殊區(qū)域接觸面積、步態(tài)階段速度、SWAY長(zhǎng)度、擺動(dòng)橢圓面積、橢圓傾斜角度、橢圓偏心度、DeltaX和DeltaY等數(shù)據(jù)整理分析。

2 研究結(jié)果

2.1 踝關(guān)節(jié)單側(cè)損傷的籃球運(yùn)動(dòng)員靜態(tài)測(cè)試特征

踝關(guān)節(jié)單側(cè)損傷的籃球運(yùn)動(dòng)員靜態(tài)足底壓力個(gè)體典型特征(圖2)：比較健康側(cè)與損傷側(cè)接觸面積、負(fù)荷值、區(qū)域最大壓強(qiáng)發(fā)現(xiàn)有較大差異(表2)，經(jīng)過(guò)比較發(fā)現(xiàn)足翻角、足部軸角等特征值無(wú)較大的差異性變化。

圖2 靜態(tài)站立特征視圖

表2 靜態(tài)限測(cè)試中健康側(cè)與損傷側(cè)特征數(shù)據(jù)(M±SD)(N=8)

2.2 踝關(guān)節(jié)單側(cè)損傷的籃球運(yùn)動(dòng)員動(dòng)態(tài)測(cè)試特征

在動(dòng)態(tài)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)單側(cè)損傷的籃球運(yùn)動(dòng)員健康側(cè)與損傷側(cè)多數(shù)特征出現(xiàn)較大差異，最大壓強(qiáng)、平均壓強(qiáng)、移動(dòng)速度、壓力中心增量、足弓面積、足弓負(fù)荷、支撐前期速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)(表3)。

表3 動(dòng)態(tài)測(cè)試中健康側(cè)與損傷側(cè)特征數(shù)據(jù)(M±SD)(N=8)

圖3 (a)健康側(cè)

圖3 (b)損傷側(cè)

如圖3(個(gè)體單側(cè)典型特征)所示，在動(dòng)態(tài)行走過(guò)程中，健康側(cè)的壓力峰值點(diǎn)(紅線連接點(diǎn))變化較足底中心線(白線)相接近，在移動(dòng)過(guò)渡中未出現(xiàn)較大壓力中心偏移；損傷側(cè)可以明顯地發(fā)現(xiàn)壓力中心的變化明顯，且多名運(yùn)動(dòng)員在移動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)壓力中心偏移點(diǎn)，并向足弓外側(cè)或內(nèi)側(cè)偏移。通過(guò)移動(dòng)過(guò)程中健康側(cè)和損傷側(cè)的壓力中心(COP)變化由圖4(紅線健康側(cè)，綠線損傷側(cè))可以看出，損傷側(cè)的壓力中心變化率明顯高于健康側(cè)。

圖4 壓力中心變化對(duì)比圖

2.3 踝關(guān)節(jié)單側(cè)損傷的籃球運(yùn)動(dòng)員SWAY平衡性測(cè)試特征

SWAY平衡性測(cè)試的主要目的是檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員下肢健康側(cè)與損傷側(cè)的穩(wěn)定性差距，通過(guò)選取SWAY長(zhǎng)度、橢圓面積、DeltaX、DeltaY、橢圓傾斜角度、橢圓偏心度幾項(xiàng)數(shù)據(jù)證明穩(wěn)定性差異，通常這些值越小則穩(wěn)定性越好，相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比如(表4)，在平衡性測(cè)試中選擇單腳睜眼和閉眼測(cè)試的數(shù)據(jù)為對(duì)比數(shù)據(jù)，較好的表現(xiàn)健康側(cè)與損傷側(cè)穩(wěn)定性的差異。

表4 SWAY平衡性測(cè)試中健康側(cè)與損傷側(cè)特征數(shù)據(jù)(M±SD)(N=8)

如圖5所示分別展示不同測(cè)試下的單足擺動(dòng)面積(綠色為健康側(cè)，紅色為損傷側(cè))，橢圓擺動(dòng)面積的不同直觀展現(xiàn)了穩(wěn)定性的差異，前后擺動(dòng)距離和左右擺動(dòng)距離表示踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定在前后方向和左右方向上的穩(wěn)定性差異。

圖5 (a)睜眼測(cè)試

圖5 (b)閉眼測(cè)試

3 分析與討論

3.1 靜態(tài)測(cè)試特征分析

足底的受力部位主要集中在足跟，跖骨區(qū)和趾骨區(qū)。在靜止站立狀態(tài)下，可以知道主要受力在第一跖骨頭至第五跖骨頭和第一近節(jié)趾骨頭。通過(guò)對(duì)比正常人的靜態(tài)足底壓力分布區(qū)域發(fā)現(xiàn)健康側(cè)與正常人的足底分布區(qū)域有明顯差異，由于籃球運(yùn)動(dòng)的訓(xùn)練特質(zhì)，導(dǎo)致籃球運(yùn)動(dòng)員的足底壓力分布與正常普通人不同，籃球運(yùn)動(dòng)員未損傷側(cè)的足底壓力主要集中于第2跖骨與第3跖骨與腳跟處[5]。但是通過(guò)對(duì)比健康側(cè)與損傷側(cè)的靜態(tài)數(shù)據(jù)圖可以發(fā)現(xiàn)損傷側(cè)的壓力峰值區(qū)域向外側(cè)偏移并出現(xiàn)在第4跖骨或者足弓外側(cè)，且出現(xiàn)異常的壓力峰值區(qū)域。通過(guò)對(duì)比接觸面積和負(fù)荷發(fā)現(xiàn)損傷側(cè)與健康側(cè)有顯著性差異，雖然在靜態(tài)站立中會(huì)出現(xiàn)健康側(cè)代償?shù)默F(xiàn)象，但是損傷側(cè)負(fù)荷值過(guò)大的這一點(diǎn)無(wú)法完全改變，接觸面積的增加是為了減小負(fù)荷壓強(qiáng)，避免壓力過(guò)于集中損傷部位產(chǎn)生隱形疼痛，這與運(yùn)動(dòng)員損傷側(cè)足弓塌陷是否相關(guān)，還需要?jiǎng)討B(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

最大壓強(qiáng)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)無(wú)論是前側(cè)還是后側(cè)的最大壓強(qiáng)，損傷側(cè)都遠(yuǎn)大于健康側(cè)，足底壓力峰值壓力越大則損傷的風(fēng)險(xiǎn)則越大，因此可以推斷在之后的運(yùn)動(dòng)中損傷側(cè)的二次損傷風(fēng)險(xiǎn)增大。另外一點(diǎn)則是壓力中心(COP)錯(cuò)位偏向損傷側(cè)(超出合理范圍)，損傷側(cè)身體重力中心前移，靜態(tài)站立狀態(tài)下壓力中心的錯(cuò)位，也可以作為預(yù)測(cè)損傷的一項(xiàng)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)壓力中心偏移則更要注重錯(cuò)位偏向側(cè)的訓(xùn)練。

3.2 動(dòng)態(tài)測(cè)試特征分析

通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)試可以直觀的發(fā)現(xiàn)移動(dòng)過(guò)程中損傷側(cè)的接觸面積大于健康側(cè)的接觸面積，在最大壓強(qiáng)與平均壓強(qiáng)的的比較中出現(xiàn)與靜態(tài)數(shù)據(jù)相同的差異。壓力中心增量也有明顯的差異性變化，結(jié)合圖3、圖4和表4可以發(fā)現(xiàn)損傷側(cè)的壓力中心(COP)變化率明顯，足底在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)第三力點(diǎn)，打破了正常壓力中心變化，壓力中心偏移至第三力點(diǎn)，普遍第三力點(diǎn)出現(xiàn)在外足弓處，壓力中心外移，力的傳導(dǎo)出現(xiàn)偏移，增加了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)顯示：一個(gè)完整步態(tài)周期內(nèi)損傷側(cè)較健康側(cè)支撐前期移動(dòng)速度變快，在接觸前期損傷側(cè)通過(guò)加快接觸的速度來(lái)避免損傷側(cè)可能會(huì)產(chǎn)生的隱形疼痛，可能是身體的保護(hù)機(jī)制，避免損傷側(cè)在運(yùn)動(dòng)中因?yàn)樗查g接觸而導(dǎo)致的二次損傷。

通過(guò)計(jì)算可知損傷側(cè)的平均足弓指數(shù)為26.83%，偏向于扁平足，說(shuō)明踝關(guān)節(jié)損傷可能是由于足弓塌陷引起的下肢重力線內(nèi)移和外翻導(dǎo)致?lián)p傷。

3.3 SWAY平衡性測(cè)試特征分析

SWAY長(zhǎng)度表示在單腿測(cè)試時(shí)重心軌跡的位移；橢圓面積表示重心移動(dòng)軌跡的包絡(luò)范圍；DeltaX表示在測(cè)試過(guò)程中內(nèi)外側(cè)(左右)軌跡偏移距離；DeltaY表示在測(cè)試過(guò)程中前后側(cè)軌跡偏移距離；在其他條件相同的條件下，這些參數(shù)的數(shù)值越小則說(shuō)明重心的穩(wěn)定性越好，數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)健康側(cè)的數(shù)值明顯小于損傷側(cè)，由此可知在損傷后損傷側(cè)的穩(wěn)定性下降，踝關(guān)節(jié)的左右活動(dòng)度大，可見(jiàn)損傷側(cè)踝關(guān)節(jié)的內(nèi)外韌帶松弛，當(dāng)然也可以作為運(yùn)動(dòng)員的下肢穩(wěn)定性評(píng)估，在損傷側(cè)穩(wěn)定性較差的情況下制定特殊的訓(xùn)練計(jì)劃來(lái)提高運(yùn)動(dòng)員踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性。

3.4 實(shí)驗(yàn)不足

未合理利用視頻解析系統(tǒng)分析相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，在步態(tài)階段的分析深度較淺，實(shí)驗(yàn)樣本容量較少，可能出現(xiàn)偶然數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響。

4 結(jié)論與建議

1.足底接觸面積增加，壓力幾何中心偏向損傷側(cè)，足底的承擔(dān)負(fù)荷不均，增加損傷側(cè)二次損傷的潛在風(fēng)險(xiǎn)，部分運(yùn)動(dòng)員存在扁平足，外足弓塌陷，在外足弓出現(xiàn)第三壓力集中點(diǎn)，打破了足部的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，足弓塌陷的運(yùn)動(dòng)員要更加注重?fù)p傷側(cè)的康復(fù)性訓(xùn)練。

2.在正常步態(tài)下，健康側(cè)承受負(fù)荷更大，身體激發(fā)代償作用來(lái)減少損傷側(cè)在步態(tài)下承受的負(fù)荷，以緩解踝關(guān)節(jié)損傷部位在承受負(fù)荷的隱性疼痛。前腳掌區(qū)域壓力峰值偏外側(cè)，使得運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，力的傳導(dǎo)發(fā)生偏移，增加了運(yùn)動(dòng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

3.損傷側(cè)的平衡性較健康側(cè)的平衡性降低，穩(wěn)定性下降，踝關(guān)節(jié)的擺動(dòng)幅度增大；穩(wěn)定的前腳掌、后足跟、高足弓的接觸方式降低了損傷的風(fēng)險(xiǎn)，可以提高下肢穩(wěn)定性。

4.足底壓力測(cè)試也可作為籃球運(yùn)動(dòng)員的踝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員弱勢(shì)側(cè)，制定提高訓(xùn)練計(jì)劃，達(dá)到預(yù)防損傷的效果。