體育運動中前十字交叉韌帶損傷的可能因素①

高宏圖

（中北大學體育與藝術學院體育系 山西太原 030051）

體育運動中前十字交叉韌帶損傷的可能因素①

高宏圖

（中北大學體育與藝術學院體育系 山西太原 030051）

分別選擇男女運動員各10名做變向跑運動（n=10次），記錄其觸地初期的髖、膝和踝的關節角度以及膝外展力矩，并對主要的性別影響因素做了方差分析。研究結果表明，女性的標準化膝外展力矩顯著大于男性。初始髖關節彎曲和內側旋轉越大，則外展力矩的峰值越大；初始的膝外展角度越大，外展力矩的峰值越大。

前十字交叉韌帶 變向跑 膝外展力矩

1 引言

前十字交叉韌帶（ACL）損傷是一種常見的膝關節損傷。據統計，在籃球項目中，大約70%左右的ACL損傷發生在起跳落地和做變向運動過程中[1]。此外，有研究表明，女性的ACL損傷發生幾率是男性的237倍[2]。ACL的損傷可導致骨關節炎以及膝關節退化的發生，但是我們又不能要求運動員在激烈的對抗中降低這些運動的強度，因此，必須了解造成損傷的原因來有效的預防損傷的發生。本研究的主要任務是分析下肢關節的姿勢在變向跑觸地初期和隨后的外展力矩峰值之間的關系。另一個目的是考察這些關系中性別差異的潛在因素。

2 實驗對象和方法

2.1 實驗對象

選擇體育系運動訓練專業男女學生各10名作為受試者。受試者均沒有下肢關節損傷或手術史，表1為受試者情況概要。

2.2 實驗方法

每位受試者進行十次變向跑運動，并記錄右側下肢的三維運動學數據和三維地面反作用力。要求變向跑時，蹬轉腿踏在在測力臺的中心（AMTI OR6－5＃4048），蹬轉方向要求與運動初始方向保持35°到55°之間，用地上的標志線將這一范圍區分開。要求受試者變向跑的距離為5步遠。所有動作由4臺高速攝像機進行拍攝，拍攝頻率為120Hz。運動速度要求在4.5m/s-5.5m/s。

2.3 數據分析

首先，通過Mocap Solver6.17軟件生成運動學模型，此模型包括5個骨性環節（腳，踝，小腿，大腿以及骨盆）和14個自由度。其中，骨盆定義為6個自由度，髖關節，膝關節和踝關節被分別定義為3個，3個和2個自由度。記錄得到的標志點軌跡用Mocap Solver軟件處理得到。這些運動學數據與三維地面反作用力數據，通過三次樣條平滑進行低通濾波處理，截斷頻率為18Hz。

環節間的三維力和力矩通過濾波后的運動學和地面反作用力參數，利用逆向動力學方法求得。環節間的力矩表示為相對于膝關節坐標系的屈-伸、外展-內收和旋內-旋外力矩。關節載荷表示外力施加于膝關節的載荷。例如，“膝外展力矩”表示使膝趨于外展的外部載荷。

2.4 統計處理

本文通過雙樣本t檢驗的方法來考察外展峰值力矩的性別差異。每個受試者的線性回歸斜率（n=8）也同樣進行雙樣本t檢驗，來確定是否平均斜率的值明顯不為零，以及是否不同性別具有顯著性差異。對于所有統計學分析，用α水平P=0.05來檢驗統計學意義。

3 結果

所有受試者的膝關節外展力矩的最大值都出現在變向跑支撐期，這一峰值通常出現在支撐期的前20%階段。而從圖1我們可以看出，女性的標準化外展力矩峰值（0.58Nmkg-1m-1）顯著大于男性（0.32Nmkg-1m-1）。

另外，標準化外展力矩峰值與觸地初期髖關節外展-內收、旋內-旋外以及膝關節外展-內收相關，每組的相關性服從平均斜率顯著（P<0.05）不為零。特別是較高的外展載荷峰值分別與較高的初始髖屈曲，髖旋內和膝外展三種姿勢相關（圖 2）。

從圖2我們可以看出，標準化外展峰值與髖關節內收-外展、旋內-旋外和膝關節內收-外展之間相關性的平均斜率值，男女之間存在顯著性差異。與男性比較，女性的外展峰值更易受到初始接觸姿勢的影響，也就是說，女性著地姿勢的微小變化會導致外展力矩發生較大改變（圖2）。

4 討論

在變向跑支撐期所發現的膝關節內收-外展力矩形式與先前關于相同運動的報道相一致[3]。先前的研究中，只分析了女性的外展力矩數據，平均化并分析了三個不連續的支撐時段，這使得直接與本研究的數據進行比較變得困難。如果我們將相同支撐時段的男性數據進行平均處理，我們可以看到平均外展力矩的值與之前的研究報道相同[4]。值得注意的是，支撐初期女性受試者的平均外展力矩顯著高于男性（見圖1）。這種性別之間的差異可能是造成ACL損傷的主要誘因，以下是進一步的檢驗。

本研究中的女受試者變向跑期間的標準化外展峰值力矩顯著高于男性。這一結果是變向跑時外展載荷存在性別差異的一個證據，這與其他運動項目，如跑步[5]和起跳-落地[6]中的發現相一致。雖然還沒有相同的預測數據，但在正常變向跑運動期間增加的膝關節外展也可以稱為ACL損傷風險的一個預示，對于女性這種風險更高。

膝關節外展力矩峰值與變向跑觸地初期髖關節屈曲，內旋位置相關，并且與后者的相關性更高。先前的研究表明[7]，在單腿下蹲和跑步運動中，髖關節神經肌肉控制會影響膝關節外展運動和外展載荷。我們在研究中沒有控制初始運動學條件，因此也就不可能解釋產生這些變量與外展峰值力矩的原因以及它們之間關系的作用。通過對變向跑的正向動力學模擬，可以選擇性的修改初始運動學條件，更深入的進行了解。但是無論如何，在變向跑期間，外展峰值力矩與髖關節屈曲和內旋轉位置之間總存在一種直接的關系。這一關系的本質機理需要做進一步的工作來了解。

表1 受試者基本情況統計

圖1 不同性別變向跑支撐期的膝關節外展力矩

圖2 不同性別變向跑支撐期的力矩參數回歸線示意圖

值得注意的是，雖然所發現的男女之間平均回歸斜率數據在統計意義上差異顯著，但這些數據在樣本間的合理變化中，兩個性別組中都很明顯（見圖2）。例如，一些男性，同樣其外展力矩對觸地初始髖關節旋轉角度非常敏感，因此同樣存在潛在的有害外展力矩的風險。相反，一些女性表現出與之相反的結果。如果通過外展載荷機制證明觸地初期髖關節轉動位置確實與ACL損傷風險有關，那么，以后對于這一關系的分析將不應該僅僅針對女性。而且，通過這一機制，針對降低ACL損傷風險的神經肌肉訓練方案應致力于加強男性和女性下肢肌肉力量和肌肉控制，尤其是在髖關節處。

本研究的局限性在于，在一個相對小的切角區間，將接觸初期關節角度與變向跑支撐期的外展峰值力矩相聯系。以這樣的方式來限制切角區間，對實施這些動作的連貫性程度會產生影響，繼而影響到一些受試者的相關力量。考慮到初始關節角度的組間變量在不同受試者之間的差別很大（見圖2）。但如上文提到，一些受試者的初始接觸關節姿勢必定要更穩定，源于增加的膝關節外展力矩對這些參數的敏感性。不管怎樣，下一步的工作將得益于在更大范圍內的變向跑中，或者在各種運動任務中，對起始關節姿勢和外展力矩之間的關系的考察。

5 結論

本研究考察了變向跑接觸初期下肢運動學特性與支撐期外展力矩之間的關系，以此來研究這些因素與男女ACL損傷風險之間的潛在關系。基于本研究，得出以下結論：

(1)在變向跑支撐期，女性表現出比男性更高的標準化外展峰值力矩；

(2)觸地初期，髖關節屈曲、內旋和膝關節外展位置越大，外展峰值力矩就越大；

(3)變向跑時，與男性比較，女性的外展峰值力矩更容易受觸地初期髖關節內旋和膝關節外展偏移的影響。

(4)增加變向跑時髖關節神經肌肉控制，可能會通過外展載荷機制降低ACL損傷的風險，尤其對于女性來說。

[1]Agel, J., Arendt, E.A., Bershadsky, B.Anterior cruciate ligament injury in national collegiate athletic association basketball and soccer[J].Sports Med,2005(33):524～531.

[2]敖英芳,于長隆,田得祥,等.女運動員前交叉韌帶損傷調查分析[J].中國運動醫學雜志,2000,19（4）:387～388.

[3]蘇玉林,李瀚君,于冰,等.前交叉韌帶易傷動作的下肢運動生物力學分析[J].體育學刊,2009（8）.

[4]Besier, T.F., Lloyd, D.G., Cochrane, J.L., Ackland, T.R.,External loading of the knee joint during running and cutting maneuvers. Med. Sci. Sports Exer[J].2001（33）：1168～1175.

[5]劉卉,蘇玉林,于冰.非接觸性前交叉韌帶損傷特點及機制的研究進展[J].醫用生物力學,2008（3）:240～247.

[6]任亞東.手球運動員前十字韌帶損傷分析與研究[J].遼寧體育科技,2010（3）：49～50.

[7]Zeller, B.L., McCrory, J.L., Kibler, W.B., Uhl, T.L.Differences in kinematics and electromyographic activity between men and women during the single-legged squat[J].Sports Med,2003（31）:449～456.

G886.9

A

2095-2813（2011）11（b）-0005-02

高宏圖（1979-），男，講師，碩士，研究方向：體育教育訓練學。