疲勞與非預期效應對女子足球運動員側切動作中膝關節生物力學的影響

鄒利民，毛麗娟，伍 勰 ，湯運啟，3，黃尚軍

0 前言

非接觸性前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）損傷是一種高發的膝關節損傷，常見于變向、落地及旋轉動作中（Boden et al.，2000）。足球比賽要求運動員具備優秀的變向能力，整場比賽每個運動員平均要完成700次變向動作（Bloom field et al.，2007）。有研究表明，足球運動員是非接觸性ACL損傷的高發人群之一（劉卉 等，2008），ACL損傷占男子足球運動員全部損傷的1.3%，占女子足球運動員全部損傷的3.7%（Renstrom et al.，2008），且70%的非接觸性ACL損傷發生在變向過程中（Boden et al.，2000；Mcnair et al.，1990）。側切（sidestep-cutting）是足球運動中常見的變向動作，被認為是導致非接觸性ACL損傷發生最主要的風險因素（Mclean et al.，2004b；Sanna et al.，2008）。為此，諸多研究團隊對足球運動中側切動作的生物力學特征及損傷風險因素和機制進行了廣泛的研究。

現有關于側切動作的實驗性研究大多是在預期（anticipated）條 件 下 完 成（Besier et al.，2003；SG et al.，2005）。近年來，部分學者對這種實驗方法的效度提出了質疑，他們認為，在實際運動中有準備的變向動作較少，大部分變向動作是在非預期（unanticipated）的條件下發生的（Young et al.，2006）。因此，有學者研究了不同預期條件（預期vs.非預期）對完成側切動作時膝關節生物力學的影響。研究發現，非預期條件下完成側切動作時，地面反作用力側向分量，膝關節外翻、內旋角度和內/外翻力矩峰值等指標比預期條件下明顯增大，從而導致非接觸性ACL損傷風險增加（Besier et al.，2001；Kim et al.，2014，2016）。除“非預期”因素外，在關于ACL損傷發生風險的研究中，“疲勞”是另外一個重要的關鍵詞。數據顯示，足球運動中大部分損傷發生在半場比賽的最后15 min或第2個半場的最后30 min（Gabbett，2004），此時的運動員往往處于高度的疲勞狀態。實驗研究也表明，疲勞會降低肌肉力量和膝關節本體感覺，導致關節穩定性下降（Miura et al.，2004），在完成側切動作時觸地時刻和緩沖階段膝關節表現出外翻角度、內旋角度和內/外翻力矩增大，進而增加ACL損傷發生的風險（Collins et al.，2016）。

基于上述發現，疲勞因素和非預期因素都會對膝關節生物力學特征產生影響，并增大了非接觸性ACL損傷發生的潛在風險。有學者認為，疲勞因素與非預期因素有顯著交互作用，即運動員在疲勞狀態下完成非預期動作時（與預期動作相比），膝關節穩定性顯著降低，ACL損傷發生風險增大（Borotikar et al.，2008；Mclean et al.，2009）。然而，同樣有研究認為，疲勞和非預期因素交互作用不顯著，并不會增加非接觸性ACL損傷發生的風險（Collins et al.，2016；Khalid et al.，2015）。目前，鮮見此類疲勞與非預期雙因素混合的實驗研究，也尚未形成統一的結論與觀點，但這個問題的深入研究對于運動訓練與損傷預防都有著重要的現實指導意義。

為進一步驗證兩者對側切動作表現是否存在交互作用，本研究擬采用包含非預期指令的疲勞方案以及更接近足球運動實際的非預期變向選擇的測試方案，旨在考察疲勞與非預期因素及兩者的交互作用對女子足球運動員完成側切動作過程中膝關節運動學和動力學所產生的影響，并據此評估側切動作中非接觸性ACL損傷的潛在風險。基于前人的研究成果，提出本研究假設：1）疲勞與非預期兩因素存在交互作用，雙因素交互作用時對膝關節運動學與動力學的影響比單獨非預期或疲勞因素下的影響更為顯著；2）疲勞因素對側切動作中的膝關節運動學與動力學存在顯著影響；3）非預期因素對側切動作中的膝關節運動學與動力學存在顯著影響。

1 研究對象與方法

1.1 受試者

本研究招募21名大學女子足球運動員（表1）自愿參與該實驗。其中，運動水平達國家健將2名，一級16名，二級3名。要求受試者在過去1年中無下肢損傷。在實驗開始前，告知所有受試者實驗內容，征得其同意后簽署知情同意書。

表1 受試者基本情況Table 1 Basic Information of the Subjects

1.2 實驗方案

本實驗方案分兩個部分：測試方案和疲勞方案。全部測試分兩輪進行：先完成疲勞前的預期、非預期條件下側切動作的測試，然后依據既定的疲勞方案對受試者進行疲勞的誘導，待受試者達到本研究既定的疲勞判定標準后，立即對受試者進行疲勞后測試，測試內容同疲勞前。所有對象的預期或非預期測試次序事先隨機產生。

1.2.1 測試方案

實驗前，確定受試者的優勢腿（慣用踢球腿）。本研究受試者優勢腿均為右腿（Ford et al.，2003），其后要求所有受試者進行10 min的慢跑熱身及3 min的拉伸練習，更換實驗服飾（背心、短褲、鞋和襪子），之后向受試者說明實驗流程、測試動作及注意事項并讓測試者熟悉實驗。正式實驗中要求每名受試者在長度為7 m的場地上全速助跑，完成預期和非預期兩種條件下的測試，場地設計如圖1所示。預期條件下，按指令只完成90°側切動作（優勢腿觸地后，向優勢腿對側方向90°轉向）。非預期條件下，受試者助跑后通過基于Arduino自主設計并加工制作紅外光柵阻斷器后，需根據轉向燈屏幕的指示燈方向完成變向動作，要求分別完成隨機的側切90°、橫切45°（優勢腿觸地后，向優勢腿同側方向45°轉向）、轉身動作180°（優勢腿觸地后，與助跑方向180°轉向），采集5次側切動作數據。選取預期與非預期下3次有效的側切動作數據進行分析。

本研究在非預期條件的設計上混雜了側切為90°，橫切為45°，轉身為180°，這3個足球比賽中最為常見的變向動作，運動員在跑動過程中需根據轉向燈的隨機指令完成相應的變向動作，使得隨機完成的側切動作在理論上滿足非預期的假設。

圖1 本研究實驗儀器架設示意圖Figure 1. Experimental Set-ups and Instrumentation

1.2.2 疲勞方案

包含非預期指令的疲勞方案來自前期研究（張強 等，2014），并稍作改進。受試者熱身后在瑞士Kistler公司生產的Quattor Jump縱跳臺（型號：9290BD）上進行3次疲勞前垂直縱跳，記錄其中最高一次的垂直縱跳高度。然后實施疲勞誘導方案。本研究利用自行研制的變向跑訓練系統建立疲勞模型，該系統由1個中央控制器和6盞燈所組成，可程序化控制亮燈隨機出現（非預期）。實驗中要求受試者站在一個半徑為3 m的圓圈中，6盞控制燈均勻放置在圓圈四周。當中央控制器發出信號時，其中一盞燈亮起，受試者迅速移動到亮燈位置，通過拍擊燈罩將其關閉，此時另一盞燈隨機亮起，受試者再次移動到位進行關燈動作（圖2）（張強 等，2014）。當亮燈次數達到25次時，受試者轉為進行一組連續3次的垂直縱跳測試，受試者竭盡全力也無法使3次縱跳中的最大高度超過其初始最高縱跳高度的70%時（Coventry et al.，2006），認為受試者達到疲勞狀態，終止變向跑練習，否則再次接受變向跑練習和縱跳測試，直到滿足預定的疲勞條件。本研究采用的每輪變向跑的亮燈次數（25次）根據預實驗結果而來，其依據為受試者達到疲勞時所經歷的運動總時間基本維持在40 min左右。本研究中受試者采用該疲勞方案的總體用時為39.14±5.26 min。

圖2 變向跑疲勞方案示意圖Figure 2. Aschematic Diagram of a Variable Direction Running Fatigue Protocol

1.3數據采集和處理

采用紅外運動捕捉系統（16個T40攝像頭，Vicon Motion Analysis，UK），采集粘貼在受試者身上38個反光Marker球（直徑14 mm），布置方案如圖3所示。在側切動作中的三維坐標時間序列，采樣頻率為200 Hz。三維測力臺1塊（9287C，Kistler Instruments AG Corp.，Switzerland），于同步采集動作過程的地面反作用力，采樣頻率為1 000 Hz。捕捉得到的膝關節的運動學和動力學原始數據導入Visual 3D（C-Motion，Inc.，USA）分析軟件，采用Butterworth四階低通濾波器對原始運動學和動力學進行濾波平滑，截止頻率分別為12 Hz和100 Hz（Sell et al.，2007）。

圖3 受試者紅外反光標志球的放置Figure 3. The Set-up of Marker Position

1.4 數據分析與統計

與其他下肢沖擊性動作類似，側切動作的著地初期也通常被認為是膝關節損傷的易感階段（Boden et al.，2000）。此外，有研究認為，ACL負荷峰值時刻出現在地面反作用力第一峰值時刻（劉卉 等，2011）。為此，本研究根據三維測力臺數據確定觸地時刻（initial contact，IC）、側向地面反作用力第一峰值時刻。IC定義為地面反作用力垂直分量GRFz≥10 N的閾值時刻；側向地面反作用力（lateral ground reaction force，LGRF）定義為與側切方向相同的地面反作用力分量；垂直地面反作用力（vertical ground reaction force ，VGRF）定義為與垂直方向相同的地面反作用力分量；地面水平向后反作用力（posterior horizontal ground reaction force，PHGRF）定義與水平向后方向相同的地面反作用力分量。

選取指標包括：助跑速度以著地瞬間的重心水平速度代表（approach velocity，AV）、側向地面反作用力第一峰值、垂直地面反作用力第一峰值、地面水平向后反作用力第一峰值；IC時刻所對應的膝關節三維角度值、LGRF第一峰值時刻下所對應的膝關節三維角度值（屈/伸角、內/外翻角、內/外旋角）和三維力矩值（屈/伸力矩、內/外翻力矩、內/外旋力矩）。其中，本研究依據前人研究做出如下定義：膝關節屈、外翻及外旋為負（－），伸、內翻及內旋定義為正（+）。所有指標的計算均通過Visual 3D完成并導出，數據結果以均值±標準差（M±SD）表示，統計學采用重復測量的雙因素方差（Two-Way ANOVA with Repeated Measures）分析，考察疲勞與非預期兩個因素對上述變量的主效應及其交互作用，若存在交互作用，則對主效應進行簡單效應檢驗。統計軟件采用SPSS 19.0（SPSS，In.，Chicago，IL），顯著性水平α設為0.05。

2 研究結果

2.1 運動學指標

本研究運動學研究結果發現，受試者在疲勞前預期和非預期兩種條件下的IC時刻，膝關節處于不同的運動狀態（內翻、外翻），與預期條件相比，受試者在非預期條件IC時刻表現出較大的膝屈角和內旋角（P＜0.01），外翻角未見顯著差異（P＞0.05），但受試者在LGRF第一峰值時刻下外翻角、屈角及內旋角均存在顯著性差異（P＜0.05）。非預期效應和疲勞效應對受試者的助跑速度產生不同程度的影響（P＜0.05），除助跑速度外，疲勞效應對其他的運動學指標均無顯著性影響（P＞0.05）。疲勞與非預期效應的交互作用對運動學指標影響不具有顯著性（P＞0.05）（表2、表3）。

表2 受試者助跑速度Table 2 Approach Velocity of the Subjects / （m·s-1）

表3 不同時刻下膝關節在3個運動平面內的角度Table 3 Angles of Knee Joint in Sagittal，Frontal， Transverse Plane at The Different Moments /°

2.2 動力學指標

本研究動力學研究結果發現，三維地面反作用力第一峰值時刻出現在整個支撐期的前12%左右，與預期條件相比，非預期條件下受試者膝關節額狀面和水平面的力矩性質發生根本變化，由內翻和內旋力矩作用迅速向外翻和外旋力矩轉換，且在LGRF第一峰值及其峰值時刻下所對應的膝屈力矩、外翻力矩和內旋力矩指標均存在顯著性差異（P＜0.05），但垂直和前后方向地面反作用力卻無顯著性差異（P＞0.05）（圖4、5、表4）。疲勞因素僅對LGRF第一峰值時刻下所對應的額狀面力矩指標影響具有顯著性（P＜0.05）；疲勞與非預期效應的交互作用對動力學指標影響不具有顯著性（P＞0.05）。

圖4 側切過程中三維地面反作用力曲線Figure 4. The Ground Reaction Force Curve during Sidestep-cutting

圖5 支撐期矢狀面、額狀面、水平面膝關節力矩變化圖Figure 5. Knee Joint Moments in Sagittal，Frontal，Transverse Plane during the Stance Phase

3 討論

本研究結果顯示，疲勞和非預期因素分別對側切動作中膝關節運動學和動力學指標產生了不同程度的影響，而疲勞和非預期因素并不存在交互作用。以下討論將圍繞疲勞與非預期交互作用、疲勞效應和非預期效應3個方面展開。

表4 地面反作用力第一峰值和側向地面反作用力第一峰值下膝關節力矩Table 4 The First Peak Value of the Ground Reaction Force and Knee Joint Moments at the First Peak Value of the Ground Reaction Force

3.1 疲勞和非預期的交互作用

本研究結果顯示，疲勞與非預期兩個因素不存在交互作用，未支持第1個研究假設。Khalid等（2015）和Collin等（2016）分析受試者在疲勞后完成非預期條件下側切動作時，發現膝關節負荷并沒有增加，研究認為，疲勞與非預期兩因素共同作用不會額外增加ACL的損傷風險，與本研究結果一致。然而，Mclean等（2009）和Borotikar等（2008）的研究表明，受試者在完成疲勞方案后非預期條件下的側前方單足落地時（左、右），膝關節外翻角度峰值顯著增加，即存在疲勞與非預期的交互效應，研究認為，與單獨非預期或疲勞因素相比，ACL在這兩因素交互作用的情況下更容易發生損傷。本研究認為，這些研究結果出現差異可能有以下兩方面原因：1）研究采用了不同的疲勞誘導方案，而導致了不同的研究結果（Whyte et al.，2018），Mclean等（2009）和Borotikar等（2008）主要采用短時間連續快速的蹲起和跳躍動作交替來進行疲勞誘導，而Collin等（2016）和Khalid等（2015）是利用長時間的間歇折返跑進行疲勞干預，時間上更加接近足球運動的體能專項特征；2）研究動作形式的不同，本研究和Khalid等（2015）的研究針對的是助跑與側切動作，考察的是人體在額狀面內的運動，而Mclean等（2009）的研究采用的跳躍與落地動作則主要表現在矢狀面內的運動。

本研究認為，疲勞與非預期兩個因素不存在交互作用可以從動作策略的選擇角度進行解釋：疲勞造成了動作結構及相應動力學的不利變化，非預期亦如此。當兩個不利因素組合在一起時，人體對動作失效或損傷風險的感知可能導致即時的動作策略更改，從而在動作任務的完成與自身能力的變化之間尋求平衡。雖然，本研究所假設的交互作用并沒有得到支持，但疲勞與非預期的主效應仍對側切動作的表現有著明顯的影響。

3.2 疲勞效應

本研究結果部分支持了第2個研究假設，研究結果顯示，在預期條件下，疲勞后膝關節內翻力矩顯著下降，在非預期條件下則表現為疲勞后外翻力矩顯著增加，未發現疲勞效應對矢狀面和水平面上的膝關節運動學和動力學指標產生顯著性影響，也沒有產生地面反作用力各分量的顯著變化。在實驗條件下考察疲勞對動作的生物力學影響，疲勞方案的制定十分重要，目前，在側切動作研究中涉及的疲勞模型主要分為短時間疲勞模型和長時間疲勞模型（Lucci et al.，2011）。短時間疲勞模型一般采用連續爆發性的動作對受試者進行疲勞誘導，比如，連續縱跳、短距離沖刺（Cortes et al.，2013）、單腳蹲跳（Mclean et al.，2009）等。而長時間疲勞方案通常采用一些綜合性任務，比如，走、跑、跳等動作組合（Collins et al.，2016；Sanna et al.，2008），使受試者達到預定疲勞目標。本研究的疲勞方案所引入的變向跑練習（約40 min）體現了足球專項體能的特征，與Khalid等（2015）和Collin等（2016）所采用的長時間（60 min）間歇折返跑的疲勞誘導方案有類似之處，時間上都滿足了一場足球比賽的生理需要，并可能誘發受試者達到中樞疲勞和外周疲勞（Welsh et al.，2002）。為了使疲勞方案更接近足球比賽的實際情況，本研究在疲勞過程中加入了非預期成分，即通過隨機燈光指令引導受試者完成高強度、長時間的變向運動，以達到預設的疲勞目標（縱跳高度下降30%）（Coventry et al.，2006）。通過實施本研究所的疲勞方案，受試者表現為預期條件下疲勞后膝關節內翻力矩顯著下降，在非預期條件下則表現為疲勞后外翻力矩顯著增加，總體上膝關節額狀面的力矩隨疲勞有向外翻增加的趨勢。有研究認為，在疲勞狀態下膝關節外翻力矩的增加，表明了肌-骨系統維持關節穩定性的能力下降（Gillian et al.，2012；Roger，2012）。

從目前的研究文獻看，疲勞效應對于側切過程中的膝關節生物力學影響比較復雜，結果不一。在運動學方面，有研究表明，疲勞會增加膝關節外翻角度（Borotikar et al.，2008；Collins et al.，2016）或內旋角度（Borotikar et al.，2008；Sanna et al.，2008），而對膝關節屈角沒有顯著影響（Borotikar et al.，2008；Collins et al.，2016；Sanna et al.，2008）；也有研究發現，疲勞后減少了膝關節的屈曲角度（Cortes et al.，2013；Lucci et al.，2011；Mclean et al.，2009）和內旋角度（Lucci et al.，2011）。在動力學方面，前人研究顯示，疲勞后會減少膝屈力矩和增加膝關節外翻力矩（Mclean et al.，2009），但有研究表明，疲勞后增加了膝關節的內翻力矩（Geiser et al.，2010）。本研究認為，不同的疲勞方案和選取指標的階段不同，很可能是造成這些研究結果之間差異的原因。雖然不同的疲勞方案對側切動作膝關節的運動學和動力學的影響結果不同，但總體上疲勞效應或多或少都得到了體現，這可能歸因于疲勞后人體對身體姿勢的控制能力下降，從而影響了膝關節的穩定性（Skinner et al.，1986）。

3.3 非預期效應

本研究結果支持第3個研究假設，研究發現，與預期條件下的側切動作相比，兩者的地面反作用力在垂直與前后方向上的第一峰值并不存在統計學差異，但側向分量第一峰值則差異具有顯著性。這是由于在非預期條件下，受試者接收視覺變向指令后，須在極短的時間內通過姿勢調整完成側切動作，相對“倉促”的支撐動作導致不充分緩沖，并顯著表現在額狀面側移方向上的沖擊力增大（Houck et al.，2006）。

膝關節的運動學與動力學結果表明，在觸地時刻和側向地面反作用力第一峰值下，與預期條件相比，非預期條件下的膝關節表現出更大的屈曲、外翻和內旋角度，以及更大的膝關節外翻、屈曲力矩，這些研究結果與前人研究結果基本一致（Besier et al.，2001；Kim et al.，2014，2016）。有研究認為，在非預期條件下，可能只有利用支撐足外翻著地以及身體向外傾斜才能達到后續的側切要求（Patla et al.，1999），這也增加了膝關節著地時的外翻角度和內旋角度，這種變化可能會增加非接觸性ACL損傷的發生風險。因為過大的膝關節外翻角度會導致韌帶對膝關節的約束限制減弱，進而增加膝關節的負荷（Ford et al.，2003），而膝關節內旋角度越大，ACL也越容易斷裂（Kim et al.，2014）。

在本研究中，預期與非預期條件下的膝關節力矩曲線（圖5）差異顯著，特別是在額狀面和水平面上的力矩分量。在整個支撐階段，非預期條件下膝關節主要受外翻力矩和外旋力矩的作用，而預期條件下則主要受內翻力矩和內旋力矩的作用，這是因為整個著地支撐階段的膝關節姿態差異性所導致的關節載荷不同。值得注意的是，在側向力第一峰值時刻，非預期條件下的額狀面與水平面力矩正處于內翻向外翻，內旋向外旋的轉變點，雖然相應的數值較小，但可能預示著此處存在關節運動不穩定的風險。

在矢狀面上，非預期條件下整個側切動作過程中的膝關節屈曲角度增加，這與很多相關研究結果一致（Kim et al.，2014，2016）。膝關節屈曲角度增大可能是由于非預期的條件導致受試者在動作過程中采用一種相對安全的屈膝策略。但Mclean等（2004a）認為，單獨的膝關節屈曲角度增大尚不能說明其降低了發生非接觸性ACL損傷的風險。如果損傷風險沒有因為膝屈增大而下降，那么在非預期條件下側切動作的ACL損傷有可能是由于膝關節在額狀面上的載荷變化所引起的，尤其是對于女性運動員。

4 結論與建議

1）疲勞與非預期因素在側切動作中交互作用不顯著，與單獨的疲勞因素或非預期因素相比，兩因素同時作用時可能不會額外增加非接觸性ACL損傷的風險。

2）疲勞因素導致側切動作中膝關節額狀面力矩產生外翻趨向，這可能是由于肌骨系統維持膝關節穩定性的能力下降所引起的。

3）與疲勞因素作用相比，非預期因素使得側切動作中膝關節的載荷模式發生根本性變化，可能會導致非接觸性ACL損傷的風險增大。

4）建議在設計有效的非接觸性ACL損傷風險的篩查方法和預防損傷的訓練方案時，可以將疲勞和非預期條件作為兩個獨立的風險因素加以考慮。