力量素質(zhì)對正腳背踢球動作腘繩肌生物力學(xué)特征的影響

雷靜民，李翰君*，張力文，

腘繩肌拉傷是足球、橄欖球、田徑等項(xiàng)目中最為常見的損傷之一。在足球項(xiàng)目中，職業(yè)運(yùn)動員腘繩肌拉傷占所有損傷的37%，且有12%～33%的復(fù)發(fā)率（周林 等，2018；H?gglund et al.，2013；Heiderscheit et al.，2010），不僅影響運(yùn)動員的運(yùn)動表現(xiàn)，還會給俱樂部帶來經(jīng)濟(jì)損失。腘繩肌拉傷主要發(fā)生在疾跑動作中，其次是踢球動作（Brooks et al.，2006；Gabbe，2005）。踢球動作造成的腘繩肌拉傷更為嚴(yán)重，平均康復(fù)時間為14～28 天（Ekstrand et al.，2011）。正腳背踢球動作是足球項(xiàng)目常用的踢球技術(shù)，與其他踢球方式相比，正腳背踢球動作需同時屈膝屈髖（部義峰 等，2007b；Nunome et al.，2002），動作幅度較大、角速度大，能獲得更高的球速（Katis et al.，2010），但更易造成損傷。目前，踢球動作生物力學(xué)研究主要關(guān)注動作技術(shù)（部義峰 等，2007a，2010；蔣仲君 等，2010）和動作技術(shù)對球速和準(zhǔn)確性的影響（傅旭波 等，2021；Palucci Vieira et al.，2021），較少關(guān)注踢球動作腘繩肌的生物力學(xué)特征和拉傷機(jī)制。

動物模型研究表明，肌肉應(yīng)變（肌肉長度相對靜息長度的增量與肌肉靜息長度的比）過高是肌肉拉傷的首要形成機(jī)制，肌肉拉傷與肌肉拉伸速度和肌肉收縮力無關(guān)（Yu et al.，2017）。雖然對于人體而言，在體肌肉的靜息長度難以測量，但根據(jù)肌肉應(yīng)變的計(jì)算方法，肌肉長度和肌肉應(yīng)變成正比，且當(dāng)肌肉長度達(dá)到峰值時肌肉應(yīng)變也達(dá)到峰值。所以，在以往腘繩肌生物力學(xué)研究中常直接分析腘繩肌肌肉-肌腱復(fù)合體（muscle-tendon unit，MTU）的長度（Yu et al.，2008），或采用MTU 長度相對直立時MTU長度的形變量來間接反應(yīng)肌肉應(yīng)變（Heiderscheit et al.，2005；Thelen et al.，2005）。此外，有研究提出可以用最優(yōu)長度（肌力最大時的MTU 長度）代替靜息長度（Kaufman et al.，1991）計(jì)算MTU 應(yīng)變。在此基礎(chǔ)上，許多生物力學(xué)研究探討了疾跑動作腘繩肌拉傷機(jī)制（萬祥林 等，2019；Thelen et al.，2005；Yu et al.，2008），發(fā)現(xiàn)疾跑擺動階段腘繩肌在激活狀態(tài)被拉長，進(jìn)行離心收縮，MTU 長度和應(yīng)變在擺動末期達(dá)到峰值，因此推測疾跑擺動末期更可能是腘繩肌拉傷的危險(xiǎn)時相（Kenneally-Dabrowski et al.，2019）。但是踢球動作腘繩肌拉傷的危險(xiǎn)時相尚未明確，不利于對腘繩肌拉傷機(jī)制的進(jìn)一步理解。

另一方面，腘繩肌力量（譚愷 等，2019；Opar et al.，2015；Van Dyk et al.，2016）和股四頭肌力量（Freckleton et al.，2013）被認(rèn)為是腘繩肌拉傷的危險(xiǎn)因素，但目前仍存在爭論（韓經(jīng)超 等，2015；Zvijac et al.，2013）。從損傷機(jī)制角度考慮，腘繩肌和股四頭肌力量不足可能會影響腘繩肌易傷動作中的下肢生物力學(xué)特征，進(jìn)而影響腘繩肌MTU 長度，最終增加損傷風(fēng)險(xiǎn)。Opar 等（2012）分析認(rèn)為，腘繩肌力量較弱（即較低的腘繩肌與股四頭肌的力量比）可能導(dǎo)致動作中產(chǎn)生更長的腘繩肌MTU 長度。Wan等（2017a）研究發(fā)現(xiàn)，腘繩肌力量和疾跑動作腘繩肌肌肉應(yīng)變無顯著相關(guān)，這可能是因?yàn)槠渲豢紤]了腘繩肌向心力量，忽略了股四頭肌力量和腘繩肌離心力量的影響。同時，腘繩肌力量和股四頭肌力量對踢球動作腘繩肌MTU 長度的影響也仍然未知。與疾跑動作相比，踢球動作關(guān)節(jié)活動幅度更大，大腿前后群肌肉力量更可能對腘繩肌MTU 長度和應(yīng)變產(chǎn)生影響。在踢球動作中，股四頭肌向心收縮、屈髖伸膝，而腘繩肌離心收縮，實(shí)現(xiàn)腿部的減速。因此，相比腘繩肌向心力量，更應(yīng)考慮腘繩肌離心力量和股四頭肌向心力量對肌肉長度和肌肉應(yīng)變的影響。有研究認(rèn)為，以腘繩肌離心峰值力距（Hecc）與股四頭肌向心峰值力距（Qcon）的比值（Hecc∶Qcon）評估大腿前后群肌肉力量更具有功能性（曹峰銳 等，2017；Delextrat et al.，2010）。據(jù)此，本研究旨在通過測算正腳背踢球動作中腘繩肌3 塊雙關(guān)節(jié)肌MTU 長度特征，結(jié)合運(yùn)動學(xué)、肌肉激活特征，探討踢球動作腘繩肌拉傷危險(xiǎn)時相，同時探究腘繩肌和股四頭肌力量素質(zhì)對踢球動作下肢和腘繩肌生物力學(xué)特征的影響，進(jìn)一步明確腘繩肌拉傷機(jī)制。

1 研究對象與方法

1.1 受試者

15 名國家一級男性足球運(yùn)動員自愿參加本研究，年齡（19.79±1.19）歲，身高（179.33±6.44） cm，體質(zhì)量（70.19±6.96） kg，實(shí)驗(yàn)前48 h 內(nèi)無劇烈活動，半年內(nèi)無下肢損傷。

1.2 數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)流程為：1）15 min 國際足球聯(lián)合會（Fédération Internationale de Football Association，F(xiàn)IFA）足球?qū)ｍ?xiàng) 熱身（FIFA11＋）；2）腘繩肌和股四頭肌等速力量測試；3）正腳背踢球生物力學(xué)測試，采集下肢和腘繩肌生物力學(xué)特征參數(shù)；4）成功完成3 次正腳背踢球測試后，進(jìn)行最大自主等長收縮（maximal voluntary isometric contraction，MVIC）測試，期間同步采集肌電信號。

等速力量測試時，要求受試者在Isomed 2000 等速測試儀（D&R Ferstl GmbH，德國）上保持坐姿，屈髖90°，踢球腿完成180 （°）/s、0°～90°的等速向心屈膝、離心屈膝、向心伸膝力量測試，每個動作做1 組，5 次/組。該方法常用于評估足球運(yùn)動員大腿前后側(cè)肌肉力量和力量均衡性（Delextrat et al.，2010；Sangnier et al.，2007）。

踢球生物力學(xué)測試時，要求受試者穿著統(tǒng)一的緊身褲和碎釘足球鞋，依據(jù)體表解剖標(biāo)志，在受試者身上粘貼21 個反光標(biāo)志點(diǎn)（第4、5 腰椎棘突中點(diǎn)，左右側(cè)的髂前上棘，股骨大轉(zhuǎn)子，股骨外側(cè)髁，股骨內(nèi)側(cè)髁，脛骨粗隆，腓骨外踝，脛骨內(nèi)踝，足跟，第1、5 跖骨；圖1）。在足球正中粘貼1 個反光片，用于確定腳與足球的接觸時刻。股二頭肌、半腱肌中間肌腹位置處放置電極片，用Trigno Mobile無線肌電測試儀（Delsys，2 000 Hz，美國）進(jìn)行肌電采集。測試場地正前方為足球標(biāo)準(zhǔn)球門（圖2），場地四周有8 個鏡頭紅外高速運(yùn)動捕捉系統(tǒng)（Motion Analysis，200 Hz，美國），在動作平面右側(cè)有1 臺主光軸垂直于運(yùn)動平面的高速攝像機(jī)（50 Hz）。測試時，要求受試者在足球斜后方準(zhǔn)備，從45°助跑2～4 步，用最大力量進(jìn)行正腳背踢球，將足球踢到球門中央方形標(biāo)志框內(nèi)。

圖1 反光標(biāo)志點(diǎn)粘貼位置示意圖Figure 1.Pasting Location of Reflective Marks

圖2 踢球測試場地示意圖Figure 2.Diagram of Kicking Test Site

1.3 數(shù)據(jù)處理

反光標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)通過Butterworth 低通濾波法進(jìn)行平滑，截?cái)囝l率為13.3 Hz（Yu et al.，1999），根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)建立骨盆、大腿、小腿和足的環(huán)節(jié)坐標(biāo)系。根據(jù)股二頭肌長頭、半腱肌、半膜肌起止點(diǎn)相對于髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)中心的相對位置，確定肌肉起止點(diǎn)在環(huán)節(jié)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，通過左、右髂前上棘的距離對肌肉在骨盆的起點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，通過膝關(guān)節(jié)中心到踝關(guān)節(jié)中心的距離對肌肉在小腿上的止點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化（Wan et al.，2017b；Yu et al.，2008）。獲得腘繩肌3 塊雙關(guān)節(jié)肌起止點(diǎn)在環(huán)節(jié)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)后，轉(zhuǎn)化為大地坐標(biāo)系坐標(biāo)。MTU 長度為大地坐標(biāo)系中肌肉起止點(diǎn)連線的直線距離，MTU 拉伸速度為MTU 長度相對于時間的一階導(dǎo)數(shù)。踢球動作周期中的標(biāo)準(zhǔn)化MTU 長度（LN）被定義為：這一時刻MTU 長度（Lt）相對于站立標(biāo)定時刻MTU 長度（L0）的增量與站立標(biāo)定時刻MTU 長度（L0）的比，即LN=（Lt-L0）/L0（Thelen et al.，2005）。采用歐拉角方法計(jì)算髖、膝的三維角度。肌電信號采用10～800 Hz 帶通濾波平滑，然后進(jìn)行全波整流，再經(jīng)過20 Hz 低通濾波處理，獲得肌電線性包絡(luò)線，通過3 s MVIC 肌電信號的平均值對整個踢球動作過程肌電進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

將正腳背踢球動作劃分為4 個動作階段（圖3）：主動后擺階段（踢球腿腳尖離地到髖關(guān)節(jié)伸展角最大）、大腿前擺階段（髖關(guān)節(jié)伸角最大到膝關(guān)節(jié)屈角最大）、小腿前擺階段（膝關(guān)節(jié)屈角最大到足-球接觸）和觸球隨擺階段（足-球接觸到髖關(guān)節(jié)屈角最大），采用3 次樣條插值法對各指標(biāo)按踢球動作周期階段進(jìn)行歸一化處理。

圖3 正腳背踢球動作階段Figure 3.Instep Kicking Action Phases

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用配對樣本t檢驗(yàn)分析小腿前擺階段和觸球隨擺階段腘繩肌最大MTU 拉伸速度、最大標(biāo)準(zhǔn)化MTU 長度的差異。采用Pearson 相關(guān)分析檢驗(yàn)?zāi)N繩肌3 塊雙關(guān)節(jié)肌最大標(biāo)準(zhǔn)化MTU 長度、踢球腿下肢運(yùn)動學(xué)特征、腘繩股四力量素質(zhì)指標(biāo)（Qcon、Hcon、Hecc、Hcon∶Qcon、Hecc∶Qcon）之間的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)小于0.10 為幾乎不相關(guān)，0.10～0.39 為弱相關(guān)，0.40～0.69 為中度相關(guān)，0.70～0.89 為強(qiáng)相關(guān)，大于0.90 為非常強(qiáng)相關(guān)（Schober et al.，2018）。所有統(tǒng)計(jì)學(xué)分析采用SPSS 16.0 軟件完成，P＜0.05 表示差異顯著。

2 研究結(jié)果

2.1 等速力量測試結(jié)果

等速力量測試結(jié)果顯示，Qcon為（151.73±26.86）N·m，Hcon為（88.73±18.13）N·m，Hecc為（171.20±28.24）N·m。Hcon∶Qcon為0.59±0.12，Hecc∶Qcon為1.14±0.16。

2.2 生物力學(xué)測試結(jié)果

正腳背踢球動作最大球速為（19.87±2.09）m/s；正腳背踢球動作中，主動后擺階段占23.48%±5.77%，大腿前擺階段占18.11%±4.65%，小腿前擺階段占14.18%±3.12%，觸球隨擺階段占44.21%±6.47%，踢球腿運(yùn)動學(xué)參數(shù)見表1。

表1 踢球腿運(yùn)動學(xué)參數(shù)Table 1 Kinematic Parameters of Kicking Leg

正腳背踢球動作中，腘繩肌3 塊雙關(guān)節(jié)肌標(biāo)準(zhǔn)化MTU 長度從足尖離地開始逐漸減小，在踢球動作周期的41%左右開始增加，在踢球動作周期的80%左右達(dá)到峰值，之后緩慢減小直到動作結(jié)束（圖4，表2）；MTU 拉伸速度在主動后擺階段和大腿前擺階段為負(fù)值，在小腿前擺階段和觸球隨擺階段為正值，在動作周期的55%左右達(dá)到峰值，之后逐漸減小，接近于0（圖4）。結(jié)合肌電線性包絡(luò)線（圖5）發(fā)現(xiàn)，小腿前擺和觸球隨擺階段腘繩肌在激活狀態(tài)下被拉長，進(jìn)行離心收縮。

表2 兩離心動作階段最大MTU拉伸速度、最大標(biāo)準(zhǔn)化MTU長度出現(xiàn)時刻（%踢球動作周期）Table 2 Occurrence Time of Maximum MTU Elongation Velocity and Maximum Normalized MTU Length in Two Eccentric Action Phases （% Kicking Action Cycle）

圖4 腘繩肌MTU拉伸速度和標(biāo)準(zhǔn)化MTU長度Figure 4.MTU Elongation Velocity and Normalized MTU Length of Hamstring Muscle

觸球隨擺階段，腘繩肌3 塊雙關(guān)節(jié)肌最大標(biāo)準(zhǔn)化MTU長度顯著大于小腿前擺階段（P＜0.001）；半腱肌、半膜肌最大MTU 拉伸速度與小腿前擺階段無顯著差異（P=0.306，P=0.214）；股二頭肌長頭MTU 拉伸速度顯著大于小腿前擺階段（P＜0.001；表3）。

表3 兩離心動作階段最大MTU拉伸速度和最大標(biāo)準(zhǔn)化MTU長度Table 3 Maximum Elongation Velocity and Maximum Normalized MTU Length in Two Eccentric Action Phases

根據(jù)腘繩肌肌電線性包絡(luò)線結(jié)果，半腱肌和股二頭肌長頭在大腿前擺階段和小腿前擺階段激活程度低，在主動后擺階段肌激活程度適中，在觸球隨擺階段激活程度最高（圖5）。

圖5 踢球動作周期肌電線性包絡(luò)線Figure 5.EMG Linear Envelop in Kicking Action Cycle

2.3 相關(guān)性分析結(jié)果

2.3.1 最大標(biāo)準(zhǔn)化MTU長度與下肢運(yùn)動學(xué)參數(shù)

腘繩肌3 塊雙關(guān)節(jié)肌最大標(biāo)準(zhǔn)化MTU 長度與膝關(guān)節(jié)最大伸角、膝關(guān)節(jié)活動范圍無顯著相關(guān)（P＞0.05），與髖關(guān)節(jié)最大屈角（半腱?。簉=-0.713，P=0.003；半膜肌：r=-0.664，P=0.007；股二頭肌長頭：r=-0.688，P=0.005）、髖關(guān)節(jié)活動范圍（半腱肌：r=0.618，P=0.014；半膜?。簉=0.596，P=0.019；股二頭肌長頭：r=0.592，P=0.020）顯著相關(guān)（表4）。

表4 最大標(biāo)準(zhǔn)化MTU長度與下肢運(yùn)動學(xué)參數(shù)的相關(guān)性Table 4 Relationship between Maximum Normalized MTU Length and Kinematic Parameters of Lower Limbs

2.3.2 肌肉力量素質(zhì)與下肢運(yùn)動學(xué)參數(shù)

Hcon、Hecc、Hcon∶Qcon和Hecc∶Qcon與 踢球腿下 肢運(yùn)動 學(xué)參數(shù)無顯著相關(guān)（P＞0.05），Qcon與髖關(guān)節(jié)最大屈曲角（r=0.538，P=0.038）、髖關(guān)節(jié)活動范圍顯著相關(guān)（r=-0.599，P=0.018；表5）。

表5 肌肉力量素質(zhì)與下肢運(yùn)動參數(shù)的相關(guān)性Table 5 Relationship between Strength Ability and Kinematic Parameters of Lower Limbs

2.3.3 肌肉力量素質(zhì)與最大標(biāo)準(zhǔn)化MTU長度

腘繩肌3 塊雙關(guān)節(jié)肌最大標(biāo)準(zhǔn)化MTU 長度與Qcon、Hcon、Hecc、Hcon∶Qcon無顯著相關(guān)（P＞0.05），與Hecc∶Qcon顯著相關(guān)（半腱?。簉=0.679，P=0.005；半膜?。簉=0.724，P=0.002；股二頭肌長頭：r=0.657，P=0.008；表6）。

表6 肌肉力量與最大標(biāo)準(zhǔn)化MTU長度的相關(guān)性Table 6 Relationship between Muscle Strength and Maximum Normalized MTU Length

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，小腿前擺階段和觸球隨擺階段腘繩肌3 塊雙關(guān)節(jié)肌均在激活狀態(tài)下被拉長，進(jìn)行離心收縮，但觸球隨擺階段MTU 長度、激活程度均大于小腿前擺階段。MTU 長度在觸球隨擺階段中期達(dá)到峰值，根據(jù)MTU長度和MTU 應(yīng)變的關(guān)系，推斷此時MTU 應(yīng)變也達(dá)到峰值，觸球隨擺階段可能是踢球動作中腘繩肌拉傷的危險(xiǎn)時相，與前人研究結(jié)果一致（萬祥林 等，2019；Kenneally-Dabrowski et al.，2019；Yu et al.，2008）。

本研究結(jié)果表明，正腳背踢球動作中腘繩肌MTU 長度為站立長度的1.12～1.16 倍，腘繩肌最大MTU 拉伸速度為1.71～2.47 m/s。前人研究發(fā)現(xiàn)，疾跑動作中腘繩肌MTU最大長度為站立標(biāo)定時MTU 長度的1.074～1.095 倍（Thelen et al.，2005），腘繩肌最大肌肉拉伸速度為1.31～1.34 m/s（萬祥林，2017），股二頭肌長頭MTU 長度達(dá)到站立時的1.12 倍時會造成拉傷（Heiderschei et al.，2005）。據(jù)此推測，正腳背踢球動作中腘繩肌MTU最大長度和最大拉伸速度大于疾跑動作，這可能是造成更嚴(yán)重腘繩肌拉傷的原因之一。

本研究表明，腘繩肌3 塊雙關(guān)節(jié)肌最大標(biāo)準(zhǔn)化MTU長度只與Hecc∶Qcon顯著相關(guān)。有研究認(rèn)為，腘繩肌力量較弱可能會增大疾跑擺動階段膝伸的速度，從而增大小腿的慣性負(fù)荷，使腘繩肌被拉得更長（Opar et al.，2012），與本研究結(jié)果不一致。本研究顯示，Hecc∶Qcon與腘繩肌最大標(biāo)準(zhǔn)化MTU 長度呈正相關(guān)，表明運(yùn)動員Hecc∶Qcon越大，腘繩肌最大MTU 長度越大。值得注意的是，這并不代表Hecc∶Qcon越大的運(yùn)動員腘繩損傷風(fēng)險(xiǎn)越大。肌肉應(yīng)變是腘繩肌拉傷風(fēng)險(xiǎn)的敏感指標(biāo)（Yu et al.，2017），而運(yùn)動員腘繩肌MTU 長度大并不等同于其腘繩肌肌肉應(yīng)變更大。肌肉應(yīng)變?yōu)榧∪忾L度相對靜息長度（肌肉未產(chǎn)生被動張力時的長度）的增量與靜息長度的比，在體肌肉的靜息長度很難測量，有研究建議用最優(yōu)長度（肌力最大時的肌肉長度）代替靜息長度（Kaufman et al.，1991），但因測算復(fù)雜（萬祥林 等，2020），本研究未涉及。雖然本研究通過站立時MTU 長度對腘繩肌MTU 長度進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，但前人研究指出站立時腘繩肌MTU 長度與腘繩肌最優(yōu)長度呈弱相關(guān)（Wan et al.，2017b）。因此，在未知最優(yōu)長度的情況下，本研究中較大的MTU 長度并不等同于較大的MTU 應(yīng)變，所以并不能認(rèn)為Hecc∶Qcon越大，損傷風(fēng)險(xiǎn)越大。

本研究發(fā)現(xiàn)，Hecc∶Qcon與髖關(guān)節(jié)最大屈角呈負(fù)相關(guān)，髖關(guān)節(jié)最大屈角與腘繩肌最大標(biāo)準(zhǔn)化MTU 長度呈負(fù)相關(guān)，提示較大的股四頭肌力量（較小的Hecc∶Qcon）可能會造成踢球動作中髖關(guān)節(jié)屈角變小，從而使腘繩肌最大標(biāo)準(zhǔn)化MTU 長度變小。Pinniger 等（2000）同樣發(fā)現(xiàn)，當(dāng)疲勞使腘繩肌力量下降，即Hecc∶Qcon變小后，疾跑動作髖屈角減小，并將這種現(xiàn)象解釋為減小腘繩肌負(fù)荷的保護(hù)機(jī)制。綜上，推測Hecc∶Qcon與腘繩肌長度的正相關(guān)關(guān)系也可能是身體的一種保護(hù)機(jī)制，以此減小腘繩肌制動下肢的負(fù)荷。但這一觀點(diǎn)缺乏進(jìn)一步證據(jù)，需后續(xù)探究Hecc∶Qcon與腘繩肌最優(yōu)長度、腘繩肌肌肉應(yīng)變的關(guān)系，進(jìn)一步明確腘繩肌拉傷的危險(xiǎn)因素。

4 結(jié)論

1）正腳背踢球動作中，腘繩肌在觸球隨擺階段進(jìn)行離心收縮，被拉長到最大，在該階段更易拉傷；2）腘繩肌最大標(biāo)準(zhǔn)化MTU 長度與Hecc∶Qcon呈正相關(guān)，可能反應(yīng)了身體的一種保護(hù)機(jī)制；3）相比于Hcon、Hecc、Hcon∶Qcon等力量素質(zhì)指標(biāo)，腘繩肌拉傷更可能與Hecc∶Qcon有關(guān)。