不同助跑速度急停起跳對排球運動員膝關節生物力學特征的影響

孫曉澤，袁 鵬，許貽林，李 森

前言

排球屬于隔網對抗類運動項目，其特定的任務，例如起跳，落地，攔網和擊球都需要與快速運動模式相結合。流行病學調查顯示，就損傷發生的身體部位而言，膝關節占比為14.6%，踝關節占比為13.8%，軀干占比為10.7%，肩關節占比為10.4%，頭/面部占比為9.4%[1]。男子運動員的膝關節損傷主要發生在內側副韌帶，而女子運動員主要發生在前交叉韌帶、半月板和內側副韌帶[2]。膝關節損傷不僅影響運動員的運動表現和職業生涯，甚至影響運動員以后的生活質量。

在激烈的排球比賽中，高強度、高重復和快速度地跳躍、變向等動作對排球運動員的下肢肌肉骨骼系統產生了巨大的負荷，且在比賽后期運動員出現生理上的疲勞，導致運動員的神經肌肉控制能力下降[3]，協調性和本體感覺能力下降[4]，關節松弛度增加[5]，下肢肌肉和關節剛度變小[6]，進而導致運動員身體控制能力和關節穩定性下降，最終導致運動員的受傷風險增加[7]。ACL損傷在排球項目中很常見。研究發現，排球項目中的大多數的ACL損傷是發生在運動員之間沒有身體接觸時，稱之為非接觸性ACL損傷。非接觸性ACL損傷因素可以分為內部和外部兩大類，其中內部因素中與生物力學有關的神經肌肉控制和肌肉力量(落地時較小的膝關節屈曲角度[8]，較大的膝關節內、外翻力矩和內旋力矩[9]，較大的地面反作用力和膝關節前向剪切力以及更大的股四頭肌激活，較小的腘繩肌激活[10])是造成非接觸性ACL損傷的主要危險因素。同時，大量研究證明ACL損傷存在性別偏倚，即女子運動員非接觸性ACL損傷的發生率比男子運動員更高。這主要是因為與男子運動員相比，女子運動員的下肢運動控制能力相對較弱，因此可能會增加某些特定運動任務中ACL的負擔[11]。因此，本研究通過對排球運動員完成不同助跑速度急停起跳動作過程中膝關節生物力學參數的分析，探討不同助跑速度對膝關節生物力學特征的影響，以及性別之間的差異，為膝關節損傷的預防提供生物力學機制方面的理論參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本研究共招募24名排球運動員，其中男子和女子排球運動員各12名，最終有23人(男12，女11)完成急停起跳動作的三維生物力學實驗測試工作(表1)。

表1 受試者基本情況表

1.2 數據采集設備

使用8鏡頭Qualisys 500萬像素的三維紅外運動捕捉系統和兩塊Kistler三維測力臺同步采集受試者在不同助跑速度下完成急停起跳動作時膝關節的運動學和動力學信號，采樣頻率分別為200Hz和1000Hz，助跑速度經兩臺Smartspeed測速儀分別距測力臺2米和0米處對進行監測。

1.3 反光Marker點位置

根據Qualisys推薦的CAST Marker Set Full Body貼點方案[12]在受試者身體相應位置粘貼反光Marker球，粘貼位置為左右側肩峰、肩胛下角、肱骨中段外側、肱骨外上髁、橈骨莖突、尺骨莖突、第二掌指關節、髂嵴、前后髂前上棘、大轉子、大腿中段外側、大腿中段前側、內外上髁、脛骨粗隆、小腿中段外側、內外髁及其中點、跟骨、第一、二和五跖趾關節以及第七頸椎、第十胸椎和胸鎖關節中點等位置。

1.4 實驗方法

急停起跳測試動作要求受試者從距離Kistler測力臺2米之外的位置開始助跑，然后優勢側足首先踏上測力臺，緊接著非優勢側足踏上測力臺，隨后左右側下肢同時完成下蹲起跳動作。急停起跳動作的三個助跑速度分別為2m/s(慢速)、3m/s(中速)和4m/s(快速)，有效的助跑速度區間分別為1.8-2.2 m/s(慢速)、2.7-3.3m/s(中速)和3.6-4.4m/s(快速)。每個助跑速度下完成三次有效動作，每個動作之間有30秒的休息時間。有效動作的定義為助跑速度在規定的速度范圍內且優勢側足完全落在測力臺上。

1.5 數據處理

利用Qualisys Track Manager 2019.2和Visual3D軟件處理不同助跑速度下急停起跳動作的運動學和動力學數據。采用卡丹角順序依次計算三維膝關節角度[13]。依據逆向動力學方法計算膝關節力矩[14]。通過反光Marker球建立坐標系，在三維坐標系中，與受試者的助跑方向平行的為X軸，垂直于助跑方向的為Y軸，垂直于地面向上的為Z軸。定義膝關節伸、內翻、內旋為正值，屈、外翻、外旋為負值，對應的關節力矩的方向與關節角度方向一致[15]，對于關節力矩的數據進行體重標準化處理，單位為N·m/kg。

1.6 統計分析

采用雙因素重復測量方差分析比較助跑速度和性別對排球運動員急停起跳動作膝關節運動學和動力學指標的影響，其中自變量助跑速度為重復測量變量[16]。實驗數據均采用均值±標準差表示，統計學顯著性水平確定為P<0.05，采用LSD方法對顯著性主效應進行事后檢驗。

2 結果

2.1 不同速度急停起跳動作膝關節三維運動學指標研究結果

不同助跑速度下排球運動員急停起跳動作膝關節峰值角度如表2所示。助跑速度顯著影響膝關節伸展峰值角度和內旋峰值角度(P<0.005)。后檢驗發現慢速助跑下的膝關節伸展峰值角度和內旋峰值角度顯著小于中速和快速助跑(P<0.005)。性別顯著影響膝關節內翻峰值角度和外翻峰值角度，且女子排球運動員的膝關節內翻峰值角度顯著小于男子排球運動員(P<0.005)，而外翻峰值角度顯著大于男子排球運動員(P<0.005)。

表2 不同助跑速度下急停起跳時膝關節峰值角度(°)

2.2 不同速度急停起跳動作膝關節三維動力學指標研究結果

不同助跑速度下排球運動員急停起跳動作膝關節力矩峰值和前向剪切力如表3所示。助跑速度顯著影響膝關節伸展峰值力矩，后檢驗發現助跑速度越快，膝關節伸展峰值力矩越大(P<0.05)。性別顯著影響膝關節屈曲峰值力矩和內翻峰值力矩，女子排球運動員的膝關節屈曲峰值力矩顯著小于男子排球運動員，而內翻峰值力矩顯著大于男子(P<0.05)。助跑速度顯著影響膝關節外翻峰值力矩，后檢驗發現男子排球運動員快速助跑下的膝關節外翻峰值力矩顯著小于慢速和中速助跑。

表3 不同助跑速度下急停起跳時膝關節峰值力矩(N·m/kg)和前向剪切力(BW)

2.3 不同助跑速度急停起跳地面反作用力特征

不同助跑速度下排球運動員急停起跳動作地面反作用力峰值如表4所示。隨著助跑速度的增加，青年排球運動員完成急停起跳和變向動作時的最大水平制動力和垂直地面反作用力也隨之增加，且女子排球運動員急停起跳動作的水平制動力峰值顯著大于男子排球運動員。

表4 地面反作用力峰值(BW)

3 討論

3.1 不同助跑速度下急停起跳膝關節運動學特征分析

采用運動生物力學研究方法分析了青年男子和女子排球運動員在完成急停起跳和變向動作以及單腿落地動作過程中下肢生物力學負荷指標的變化情況。以往的研究發現，急停起跳時運動員的下肢運動學指標存在顯著性差異，膝關節尤為顯著[17,18]，但這些研究均沒有考慮助跑速度的差異性。本研究結果顯示，排球運動員完成急停起跳動作時，膝關節屈曲角度在助跑速度和性別方面均不存在顯著性差異，但膝關節伸展角度和內旋角度隨著助跑速度的增加而增加，且女子排球運動員在額狀面的運動幅度要大于男子排球運動員，相對于健康的運動員來說，較大的膝外翻角度會使身體重心偏向外側，使得膝關節外展力矩增加，因此是致使膝關節發生損傷的一個潛在危險因素[19,20]，因此女子排球運動員有更高的損傷風險。

3.2 不同助跑速度下急停起跳膝關節動力學特征分析

助跑速度顯著影響膝關節伸展峰值力矩。股四頭肌是主要的伸膝肌群，其在很大程度上影響膝關節伸力矩的大小。Sell[21]等人表明，膝關節伸力矩的增加會增加非接觸式ACL損傷的風險。本研究結果顯示，膝關節伸力矩隨著助跑速度的增加而顯著增大，也就意味著更大的下肢損傷風險，且女子排球運動員的損傷風險更高。膝關節屈曲峰值力矩和膝關節內翻峰值力矩在性別之間存在顯著性差異，相較于男子排球運動員，女子排球運動員具有較小的膝關節屈曲峰值力矩和較大的膝關節內翻峰值力矩,膝關節額狀面力矩的增加使ACL有更大負荷，從而更容易造成損傷。隨著助跑速度的增加，膝關節外翻力矩也隨之增加。前人研究指出，膝關節內外翻力矩與垂直地面反作用力呈正相關性[22]，較大的膝關節內外翻力矩意味著較大的垂直地面反作用力，而地面反作用力的增加會增加下肢損傷風險。

3.3 不同助跑速度下急停起跳地面反作用力特征分析

隨著助跑速度的增加，青年排球運動員完成急停起跳時的最大水平制動力和垂直地面反作用力也隨之增加，這可能會影響膝關節的力學負荷，從而增加ACL的損傷風險。關于急停起跳地面反作用力的研究，De等人指出[23]，下肢損傷的發生與落地時地面反作用力的大小有關。在急停起跳落地階段，膝關節前向剪切力和膝關節伸力矩與地面反作用力有關，尤其是與水平制動力有關[24]。在急停起跳落地階段，較大的水平制動力會產生較大的膝關節伸力矩，而膝關節伸力矩的增加會導致膝關節前向剪切力的增加[25]，這主要是由于力的傳遞原理—地面反作用力的增大會產生一個外部膝關節屈曲力矩，同時股四頭肌會發力產生一個相對的膝關節伸力矩來平衡作用力。有研究指出當股四頭肌集中的力在膝關節產生較大的前向剪切力，會造成ACL張力過大，從而引起膝關節損傷[26]。本研究發現，女子排球運動員較男子運動員有更大的水平制動力，女子排球運動員更容易發生下肢運動損傷，且助跑速度越快的急停起跳下肢損傷風險越高，Hewett等人的研究表明更大的垂直地面反作用力可能會增加ACL損傷的風險[27]。Sigward等還發現，最大垂直方向地面反作用力是膝關節外展力矩的最顯著預測因素[28]，如前所述，膝關節外展力矩和伸力矩是影響ACL損傷的潛在風險因素。結合這些發現，本研究認為隨著助跑速度的增加，排球運動員膝關節損傷的風險也可能會潛在地增加。

4 結論

1.隨著助跑速度的增加，排球運動員膝關節損傷的風險也隨之增加。

2.急停起跳時，女子排球運動員較男子排球運動員有更高的膝關節損傷風險。