半蹲式著陸腰部護具對脊柱- 骨盆夾角及角速度的影響

鄭 超，杜俊杰，王林飛，常 祺，覃道遠，伍 驥

空軍特色醫(yī)學中心 骨科，北京 100142

空降地面平臺訓練中，由于地面反作用力及腰椎反復前屈運動，易出現(xiàn)腰背部的急慢性損傷[1-2]。護腰可以防護腰背部損傷，其主要包括彈性護腰和剛性護腰兩大類。本文以現(xiàn)役空降兵作為研究對象，在不同腰部防護狀態(tài)下，模擬半蹲式著陸訓練姿勢，利用Vicon 動態(tài)撲捉系統(tǒng)測定空降兵過程中的脊柱- 骨盆夾角(spine-pelvic angle，S-PA)、脊柱屈曲角速度(spine flexion angular velocity，SFAV) 變化[3-4]。通過對上述指標的測量分析，闡明不同種類護腰在訓練中對脊柱屈曲活動動力學參數(shù)的作用及影響，為空降部隊官兵研制腰部防護裝置提供實驗參考。

對象和方法

1 對象 招募某部30 名空降兵志愿者，男性，平均年齡(22.79±3.73) 歲，平均身高(176.98±5.42) cm，平均體質(zhì)量(70.05±7.73) kg，測試前均簽署志愿書。納入標準：健康現(xiàn)役空降兵，年齡＜30 歲，半年內(nèi)肢體無嚴重外傷，無肌肉骨骼系統(tǒng)的疾病及手術(shù)史。排除標準：年齡＞30 歲，半年內(nèi)曾發(fā)生影響功能的身體外傷，既往有慢性腰背部疼痛及手術(shù)史。

2 設(shè)備 Vicon 三維動作撲捉系統(tǒng)(200 Hz，Vicon，Oxford Metrics，UK) ：系統(tǒng)控制器、校對框、體表標記點、高速攝像機(Vicon-T40s)、傳感器。系統(tǒng)控 制 軟 件Nexus 2.1(Vicon，Oxford Metrics，UK)、三維步態(tài)體態(tài)分析軟件Visual 3D(C-Motion Inc.USA)。彈性護腰主要材質(zhì)為合成橡膠和拉伸錦綸(LP-772，美國)，半鋼性護腰主要由八條彈性支撐條和雙層強力束帶組成(LP-919，美國)。40 cm高度和120 cm 高度跳臺。

3 方法 受試者著短褲、07 式傘靴。肢體粘貼Mark 點：雙側(cè)髂前上棘和左髂后上棘4 個點確定腰椎- 骨盆，胸骨角、劍突、雙側(cè)鎖骨肩峰端、第7 頸椎、第10 胸椎、雙側(cè)肩胛骨下角8 個點確定胸椎。按照防護狀態(tài)，每名受試者依次不佩戴護腰、佩戴彈性護腰和半剛性護腰分別從40cm 高度和120 cm 高度的平臺跳落，以半蹲式姿勢著陸，雙足落在測力臺白框內(nèi)，記錄運動學數(shù)據(jù)。每次測試間隔2 min，同一高度及防護狀態(tài)下重復測試3 次，取有效數(shù)據(jù)，共計540 跳( 圖1A)。

4 數(shù)據(jù)處理 所得數(shù)據(jù)資料使用Vicon Nexus 2.1軟件進行校對和補充，獲得連續(xù)完整的運動軌跡。數(shù)據(jù)補點完整后轉(zhuǎn)換為C3D 文件格式并儲存，輸入Visual 3D 運動軟件進行集成分析，脊柱- 骨盆采用Visual 3D 默認模型。脊柱- 骨盆角位于胸腰段，即胸椎和腰- 骨盆間夾角( 圖1B)。

5 統(tǒng)計學分析 使用SPSS16.0(SPSS Inc，Chicago，IL，USA) 統(tǒng)計軟件。計量資料以-x±s表示，均為重復觀測資料，比較行重復測量方差分析+ 兩兩配對組間差值t檢驗。檢驗水準為雙側(cè)α=0.05。

圖 1 脊柱-骨盆角測試 A： 40 cm高度跳落(紅色角)； B： Nexus軟件建模(白色角)Fig. 1 Spine-pelvic angle measurement. A: 40 cm jumpping off (red angle); B: digital model by Nexus Software (white angle)

結(jié) 果

1 三種防護方式脊柱- 骨盆夾角比較 S-PA 數(shù)據(jù)均符合球形檢驗(P=0.142)，經(jīng)兩因素重復測量方差分析，高度、護腰類型及兩者交互作用均有統(tǒng)計學意義(P均＜0.05)。兩兩精細比較并結(jié)合主要數(shù)據(jù)分析：1) 防護方式維度：40 cm 高度，受試者佩帶彈性護腰或半剛性護腰時脊柱- 骨盆夾角大于未佩戴護腰，差異有統(tǒng)計學意義(P＜0.05)，但這兩種護腰間S-PA 差異無統(tǒng)計學意義。120 cm 高度，S-PA 在佩戴半剛性護腰、彈性護腰、無護腰組時依次減小，兩兩比較差異均有統(tǒng)計學意義(P均＜0.05)。2) 高度維度：在不同高度情況下比較，隨著高度增加，三組脊柱- 骨盆角均減小，差異有統(tǒng)計學意義(P均＜0.05)。見表1，圖2。

2 三種防護方式脊柱屈曲角速度比較 SFAV 數(shù)據(jù)符合球形檢驗(P=0.143)，經(jīng)兩因素重復測量方差分析，高度及護腰類型兩個維度上整體差異及交互作用均有統(tǒng)計學意義(P均＜0.05)。兩兩精細比較并結(jié)合主要數(shù)據(jù)分析：1) 防護方式維度：40 cm高度，受試者無論佩帶那種護腰，SFAV 差異均無統(tǒng)計學意義(P＞0.05)。120 cm 高度，彈性護腰、aP＜0.05,vs40 cm;bP＜0.05,vsno brace;cP＜0.05,vselastic brace半剛性護腰組SFAV 均高于無護腰組(P＜0.05)，但前兩者間差異無統(tǒng)計學意義。2) 高度維度：在不同高度情況下比較，隨著高度增加，三組SFAV均增加，差異有統(tǒng)計學意義(P均＜0.05)。見表2，圖3。

表1 不同防護方式下受試者的脊柱- 骨盆夾角比較 (°, n=30)Tab.1 Comparison of spine-pelvic angle with different protective measures (°, n=30)

圖 2 40 cm (A)和120 cm (B)高度不同防護狀態(tài)脊柱-骨盆夾角比較Fig. 2 Comparison of spine-pelvic angle between different protections when jumping off from 40 cm (A) and 120 cm (B) height

討 論

空降兵地面?zhèn)阌柕闹黧w動作就是脊柱的長時間反復屈曲，脊柱暴露于高強度的負荷環(huán)境中易出現(xiàn)反射性肌肉痙攣，導致腰背部疼痛[3]。我軍一直采取半蹲式跳傘著陸姿勢，這種姿勢下人體在垂直方向和矢狀位方向承受載荷最大[4]。脊柱在沖擊力作用下產(chǎn)生角度和角速度的變化，這兩個參數(shù)是反映脊柱- 骨盆生物力學的重要動態(tài)指標[5-6]。腰部護具對普通人的腰部有保護作用，可以緩解腰背部疼痛[7]。但空降訓練環(huán)境下，其對正常空降兵脊柱的屈曲運動是否產(chǎn)生影響？這種影響是負面的還是積極的？本研究通過脊柱- 骨盆夾角和角速度的測試，分析佩戴腰部護具以及護具種類對脊柱屈曲活動的作用。

表2 不同防護方式下受試者的脊柱屈曲角速度比較(°/s, n=30)Tab. 2 Comparison of spine flexion angular velocity with different protective measures (°/s, n=30)

圖 3 40 cm (A)和120 cm (B)高度不同防護狀態(tài)脊柱屈曲角速度比較Fig. 3 Comparison of spine flexion angular velocity between different protection when jumping off from 40 cm (A) and 120 cm(B) height

脊柱的矢狀位屈伸活動是維持身體平衡穩(wěn)定的重要方式，屈曲運動產(chǎn)生前屈力矩，背部肌肉激活產(chǎn)生的反向拮抗力矩，二者協(xié)同維持脊柱穩(wěn)定[8]。著陸時脊柱周圍肌肉和韌帶組織張力瞬時增大，不穩(wěn)定性增加[9]。肌肉疲勞，脊柱拮抗肌力失衡，脊柱穩(wěn)定性丟失，損傷風險增高[10-11]。腰部持續(xù)或重復屈伸可使肌肉發(fā)生蠕變，反射減弱，控制能力下降，是導致腰背急慢性損傷的主要因素[12]。隨著高度的增加，三種護腰的脊柱- 骨盆夾角均相應(yīng)減小，提示脊柱屈曲角度增加，即脊柱矢狀位運動幅度增大，組織負荷增加。同一高度條件下，彈性護腰和半鋼性護腰的脊柱- 骨盆夾角均顯著大于無護腰，有助于著陸時對脊柱的控制。佩戴護腰可增大脊柱骨盆角，限制脊柱屈曲活動，使背部肌肉組織負荷降低，脊柱周圍拮抗肌間的協(xié)調(diào)性增加。護腰可使腰屈曲角度減小9° ～ 15°，降低脊柱背伸肌肉的蠕變程度，緩解疼痛，控制損傷的發(fā)生[13]。護腰剛度的差異在限制脊柱屈曲活動中表現(xiàn)出的結(jié)果不同，40 cm 高度時彈性護腰和半剛性護腰的限制作用大于無護腰，但兩種護腰的作用無差異。120 cm 高度時半剛性護腰的限制作用大于彈性護腰。

角速度反映脊柱角位移與力學作用時間的關(guān)系[14]。矢狀面慢速屈曲運動中，肌肉控制能力強，脊柱穩(wěn)定性好。相反，快速屈曲運動時，肌肉協(xié)調(diào)控制能力不足，脊柱穩(wěn)定性降低[15]。120 cm高度時無護腰、彈性護腰、半鋼性護腰的最大屈曲角速度明顯高于40 cm 高度。隨著平臺高度的增加，脊柱最大屈曲角速度明顯增大，脊柱不穩(wěn)定因素增加。跳傘著陸瞬間，在20 ～ 50 ms 內(nèi)脊柱屈曲角速度達到峰值，最高可達576°/s，此時脊柱的肌肉控制力和協(xié)同性均大幅度下降，角速度的快速變化可增加損傷的風險[16-17]。測試結(jié)果顯示，40 cm 高度著陸，脊柱屈曲角速度較小，脊柱周圍肌肉韌帶組織可以完全維持脊柱的穩(wěn)定。彈性護腰較無護腰角速度減小，半鋼性護腰與無護腰對比無差異，說明彈性護腰可以保護脊柱，而半鋼護腰對脊柱的保護作用不明顯。彈性護腰的貼附性良好，可以適應(yīng)軀干姿態(tài)的變化，半鋼護腰的作用則不明顯。120 cm 高度著陸，脊柱屈曲角速度增大，彈性護腰和半鋼性護腰與無護腰對比差異明顯，體現(xiàn)出確切的防護作用，但前兩種護腰比較沒有差異。降低空降兵著陸過程中腰部屈曲角速度對維持脊柱穩(wěn)定性具有重要意義，高水平跳臺中彈性護腰與半剛性護腰之間無差異提示腰部防護作用與護具的剛度無關(guān)。護腰不能提高軀干的本體感覺，對脊柱軸向旋轉(zhuǎn)無作用[18]。

綜上，不同剛度的護腰對脊柱的屈曲角度有不同程度的限制作用，隨著跳臺高度的增加，其限制作用更為突出。低水平跳臺中護腰控制角速度的作用不明顯，高水平跳臺則具有顯著的控制作用，但與護腰的剛度無關(guān)。從這一點來講，彈性護腰因其輕便、舒適、靈活、經(jīng)濟等特點，要優(yōu)于半剛性護腰。空降兵跳傘腰部防護的設(shè)計既要考慮到其剛性限制效果，又要考慮其靈活性。本實驗的結(jié)果僅對脊柱屈曲角度及角速度的作用進行初步的探索，目的是為設(shè)計符合空降兵跳傘訓練的護腰裝置提供參考數(shù)據(jù)。