不同速度下臺階對膝關(guān)節(jié)壓力的影響

陶 珊，曲 峰

從生物力學角度看，下臺階時下肢各關(guān)節(jié)的運動幅度、關(guān)節(jié)負荷以及肌肉活動等均與在平地上行走有差異。下臺階過程中，膝關(guān)節(jié)作為起主要承重和緩沖作用的關(guān)節(jié)，會承受更大的負荷，更容易造成損傷的發(fā)生。故對下臺階時膝關(guān)節(jié)動力學和運動學參數(shù)進行研究，為預防運動損傷和指導健身提供依據(jù)是很有必要的。

有關(guān)上下臺階時動力學參數(shù)有大量的研究。耐力性運動如自行車、登山、上下臺階等運動時，膝關(guān)節(jié)受到的壓力遠大于平地上行走時所承受的力[1-4]，由于膝關(guān)節(jié)長期承受較大的負荷而最終造成膝關(guān)節(jié)的慢性勞損或者骨關(guān)節(jié)病，從而影響健身者的生活質(zhì)量[5,6]。故研究上下臺階時膝關(guān)節(jié)所承受的壓力對于預防骨關(guān)節(jié)病、膝關(guān)節(jié)假肢、矯形器和膝關(guān)節(jié)置換具有很重要的意義[7-9]。

Paul[10]研究了慢速行走、快速行走、上樓梯、下樓梯時的膝關(guān)節(jié)上的受力，分別為 2.7 BW、4.3 BW、4.4 BW 和 4.9 BW。Komistek 等[11,12]發(fā)現(xiàn)不同形式下臺階時膝關(guān)節(jié)的力矩有差異，膝關(guān)節(jié)屈伸力矩、內(nèi)外翻力矩以及股四頭肌收縮強度均按正面一腳一階、正面兩腳一階、橫面兩腳一階、斜面兩腳一階的順序逐漸減小[13]。研究不同速度下臺階時膝關(guān)節(jié)受力大小的變化，以及以不同方式下臺階時膝關(guān)節(jié)受力方式的差異，對于防治長期因較大壓力或不良力線而導致的骨關(guān)節(jié)炎[14]等具有重要的意義。

許多運動學方面的研究表明，上下臺階時膝關(guān)節(jié)的運動幅度較平地上行走大很多[9]。Hoffman[15]等人的研究顯示，上下樓梯時膝關(guān)節(jié)屈曲達830，較平地上行走時多將近120，膝關(guān)節(jié)內(nèi)的壓力會隨著屈曲角度的增加而增加[16]，髕骨所受到的壓力亦會增加，這會增加髕骨橫斷的風險[17]。故研究不同速度下臺階時膝關(guān)節(jié)角度和角速度等運動學指標的變化，對于有效減少膝關(guān)節(jié)損傷具有一定的指導價值。

膝關(guān)節(jié)的健康問題困擾著許多人，大多數(shù)的中老年人均出現(xiàn)過不同程度的膝關(guān)節(jié)疼痛。據(jù)統(tǒng)計，50 歲以上的人群中，50%患有骨關(guān)節(jié)病，65 歲以上的人群中，90%的女性和 80%的男性患有此病[18]。目前，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，生活水平的日漸提高，骨性關(guān)節(jié)病也開始趨向低齡化，越來越多的人將會受到骨性關(guān)節(jié)病的困擾[19,20]。所以對上下臺階時膝關(guān)節(jié)的生物力學參數(shù)進行分析，用于指導科學健身，減少運動損傷的發(fā)生是有必要的。

1 研究方法

2.1 測試臺階

本實驗采用自制木質(zhì)臺階，共5層，每一級臺階的規(guī)格為：長90 cm、寬28 cm、高18 cm（見圖1）。

圖1 實驗所用臺階Figure 1 Stairs Used in this Study

1.2 受試者

10名在校男大學生，未進行過系統(tǒng)的體育鍛煉，近期無下肢損傷，實驗前48 h內(nèi)未從事劇烈運動（見表1）。

表 1 研究對象的基本信息 （N=10）TableⅠ Basic Information of the Subjects (N=10)

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

受試者著泳褲，貼反光標志點。通過三維測力臺（Kistler 9281CA，Switzerland，1000 Hz）、8鏡頭紅外高速運動捕捉系統(tǒng)（Motion Analysis Raptor-4，USA，200Hz）同步采集運動學和動力學數(shù)據(jù)。受試者跟隨節(jié)拍器的節(jié)奏，分別以48步/分、60步/分、72步/分、84步/分、96步/分、108步/分、慢速跑、中速跑、快速跑（3種跑速為自覺速度），共9種速度下臺階。最后一步落在測力臺上。在每種速度下，左右腳各采集3次有效數(shù)據(jù)。

1.3.1 標志點的名稱與位置

采用海倫海耶斯模型，在受試者身上貼19個反光標志點。采集的所有標志點三維坐標采用Butterworth低通濾波法進行平滑，截斷頻率為10 Hz。根據(jù)標志點坐標建立大腿坐標系、小腿坐標系、足坐標系，其中髖關(guān)節(jié)中心根據(jù)Bell[21]的研究計算，膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動中心為股骨內(nèi)外側(cè)髁中心，踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心為內(nèi)外踝中心。采用歐拉角的方法計算膝關(guān)節(jié)的三維角度。標志點位置如表2。

1.3.2 統(tǒng)計分析

不同速度間的參數(shù)采用單因素重復測量方差分析（oneway repeated measures ANOVA）進行比較，后續(xù)兩兩比較采用LSD法。同一速度，左右側(cè)間的參數(shù)采用配對T檢驗進行比較。顯著性水平定為一類誤差概率不大于0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同速度膝關(guān)節(jié)峰值力的比較

2.1.1 不同速度膝關(guān)節(jié)垂直方向峰值力的比較

如表3所示，隨著下臺階速度的增大，膝關(guān)節(jié)垂直方向的峰值力不斷增加。當以快速跑的速度下臺階時，左膝關(guān)節(jié)所受的峰值力為2.12 BW，與前面的各速度下臺階時膝關(guān)節(jié)所受峰值力相比顯著增大。當以中跑速度下臺階時，右膝關(guān)節(jié)所受峰值力為2.13 BW，相比較于前面各速度下臺階時膝關(guān)節(jié)所受的峰值力增加有顯著性差異。以快跑的速度進行下臺階時，膝關(guān)節(jié)所受峰值力均大于2倍的體重[22,23]，這與前人所做的研究相符合。隨著下臺階速度增加，膝關(guān)節(jié)受到的垂直方向的峰值力不斷增加，并且峰值力的作用時間會隨著速度的增加而減小，當碰撞力發(fā)生在的50 Ins內(nèi)時，骨骼肌肉系統(tǒng)來不及產(chǎn)生反應，吸收碰撞力，從而對人體造成傷害[23,24]，這樣膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)腔內(nèi)的組織因為無法吸收所受到的較大的撞擊力和擠壓力，所以比較容易造成膝關(guān)節(jié)內(nèi)半月板、關(guān)節(jié)面軟骨的磨損和破裂。長期可能會導致半月板的剝脫，最終形成關(guān)節(jié)鼠，由于關(guān)節(jié)鼠的存在會導致膝關(guān)節(jié)的絞索感，影響健身者的生活質(zhì)量[25]。此外，還有可能造成膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)滑膜、滑囊等軟組織的急性和慢性炎癥，影響健身者的生活質(zhì)量。

表 2 標志點的名稱和位置TableⅡ Names and Position of the Markers

受試者以不斷增大的速度下臺階，84 步/分時膝關(guān)節(jié)所受壓力的峰值力小于72 步/分時膝關(guān)節(jié)所受壓力的峰值力。造成該現(xiàn)象的原因可能是由于個別受試者的異常數(shù)據(jù)，因為72 步/分時膝關(guān)節(jié)所受壓力的峰值力的標準差較大。但個別受試者的數(shù)據(jù)對于傷病等的防治有重要意義，所以需要對造成該差異的原因，進一步研究和探討。

但由于人體在進行下臺階運動時，左右腿的速度基本一致，所以在指導運動時，應以中跑的速度進行，這樣不會因為膝關(guān)節(jié)所受的著地時刻的峰值力太大而引起損傷，又能獲得較好的運動效益。

2.1.2 不同速度膝關(guān)節(jié)前后方向峰值力的比較

表4中的峰值力為Y軸所受的峰值力，Y 軸為膝關(guān)節(jié)所承受的前后方向的力。如表4所示，隨著下臺階速度的增加，膝關(guān)節(jié)所受的前后方向的峰值力逐漸的增加。當以快跑的速度下臺階時，左膝關(guān)節(jié)所受的前后方向的峰值力為0.89BW.,相比較于以前面各速度下臺階時膝關(guān)節(jié)所受的峰值力顯著增大。當以慢跑速度下臺階時，膝關(guān)節(jié)所受的前后方向的峰值力為0.56BW, 相比較于以前面各速度下臺階時膝關(guān)節(jié)所受的標準峰值力增加亦具有顯著性差異。

表 3 不同速度下臺階膝關(guān)節(jié)垂直方向峰值力一覽表（N=10）TableⅢ Vertical Peak Force of Knee Joints in Different Downstairs Speed (N=1100))

表 4 不同速度下臺階膝關(guān)節(jié)前后方向峰值力一覽表（N=10）TableⅣ Horizontal Peak Force of Knee Joints in Different Downstairs Speed (N=10))

下臺階時，股骨和脛骨不僅繞著膝關(guān)節(jié)的X軸（左右方向）做屈伸運動，膝關(guān)節(jié)屈曲時，股骨還會在脛骨平臺上沿Y軸向前滑動。隨著下臺階速度的增加，膝關(guān)節(jié)所受的前后方向的峰值力不斷增加，使股骨向前的滑動趨勢增大。為了防止股骨過度前移，需要膝關(guān)節(jié)內(nèi)前交叉韌帶來維持穩(wěn)定[26]。Y軸方向的力增加使得防止股骨前移的前交叉韌帶的負荷增加。長期較大或頻繁的負荷施加在前交叉韌帶上，可能造成前交叉韌帶的拉傷或者斷裂。有研究表明一旦前交叉韌帶損傷，該患者罹患骨關(guān)節(jié)炎的風險顯著增大，這主要是由于前交叉韌帶斷裂后，關(guān)節(jié)內(nèi)所承受的壓力和運動軌跡的變化而引起的[27,28]。這樣會嚴重影響健身者的生活質(zhì)量。

此外，隨著下臺階速度的增加，膝關(guān)節(jié)所受前后方向的力不斷增加，股骨前移的趨勢不斷增加，股四頭肌需要強力收縮來阻止該趨勢。但是股四頭肌收縮力的增加，會使得施加在髕骨表面的壓力增加，長期有可能會導致髕骨的橫斷[29]，或者髕骨軟化癥[23,30,31]。

為了預防前交叉韌帶和髕骨的損傷，在進行指導訓練時，應以慢速跑的速度下臺階，這不僅可以獲得較好的運動效益，并且膝關(guān)節(jié)著地時的峰值力不會太大，從而避免了膝關(guān)節(jié)在運動中可能造成的損傷。

由表3、表4可以看出，以同一速度下臺階時，左右膝關(guān)節(jié)所承受的同一方向上的峰值力，多為右膝關(guān)節(jié)大于左膝關(guān)節(jié)。但使用SPSS13.0對數(shù)據(jù)進行配對T檢驗，無顯著性差異。造成該現(xiàn)象的主要原因是本實驗受試者的優(yōu)勢腿均為右腿，由于長期慣用右腿，所以右側(cè)腿的肌力均較強，在完成站立、支撐等動作時優(yōu)勢腿承擔較多的體重，所以多為右側(cè)的峰值力大。同時也在提醒我們右側(cè)膝關(guān)節(jié)損傷的風險較左側(cè)膝關(guān)節(jié)大，應注意防護。

2.2 不同速度膝關(guān)節(jié)垂直方向峰值力時刻膝關(guān)節(jié)角度比較

2.2.1 不同速度膝關(guān)節(jié)垂直方向峰值力時刻膝關(guān)節(jié)屈曲角度的比較

從表5可以看出，隨著下臺階速度的增加，膝關(guān)節(jié)達到峰值力時刻的膝關(guān)節(jié)屈曲角度呈現(xiàn)不斷地增加的趨勢。當以中速跑的速度下臺階時，左膝關(guān)節(jié)達到垂直方向峰值力時刻的膝關(guān)節(jié)的屈曲角度為18.91°，較前面各速度膝關(guān)節(jié)達峰值力時刻的膝關(guān)節(jié)屈曲角度顯著增大。當以快速跑的速度下臺階時，右膝關(guān)節(jié)達到垂直方向峰值力時刻的膝關(guān)節(jié)的屈曲角度為27.81°，較前面各速度膝關(guān)節(jié)達峰值力時刻的膝關(guān)節(jié)角度顯著增大。

表 5 不同速度下臺階膝關(guān)節(jié)垂直方向峰值力時刻膝關(guān)節(jié)屈曲角度一覽表（NN=1100）TableⅤ Knee Flexion Angles in Different Downstairs Speed (N=10)

對下臺階運動進行動作階段劃分，可將其分為：支撐相和擺動相。此處所研究的膝關(guān)節(jié)屈曲角度為由支撐相開始逐漸進入擺動相，膝關(guān)節(jié)由伸展位開始屈曲，膝關(guān)節(jié)所屈過的角度。隨著下臺階速度的不斷增加，膝關(guān)節(jié)達峰值力時刻的屈曲角度也在不斷地增加。對膝關(guān)節(jié)所受的合力進行正交分解，膝關(guān)節(jié)所受到的水平方向的分力會不斷增加，在一定程度上增加了施加在髕骨上的壓力。加之，隨著下臺階速度的增加，膝關(guān)節(jié)所受的峰值力合力亦不斷增加。兩重因素共同造成髕骨受到的水平方向的力增加。長期則會增加髕骨勞損,髕骨軟化等疲勞性損傷的發(fā)生幾率。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

隨著下臺階速度的增加，膝關(guān)節(jié)所承受的負荷在增加。膝關(guān)節(jié)屈曲幅度隨著下臺階速度的增加而增加。同一速度下臺階時，右膝關(guān)節(jié)負荷大于左膝關(guān)節(jié)，但不具備統(tǒng)計學差異。

3.2 建議

日常下臺階時，最好不要超過慢跑的速度，這樣對于膝關(guān)節(jié)所造成的壓力不會太大。下臺階時，右膝關(guān)節(jié)所承受的壓力較左膝關(guān)節(jié)大，所以應加強對右膝關(guān)節(jié)的防護。

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