籃球運(yùn)動員踝關(guān)節(jié)損傷的足底生物力學(xué)特征研究

王 超，才官印，劉安琪，李小生，王 磊

前言

籃球運(yùn)動受到廣大群眾的歡迎，在國內(nèi)具有較強(qiáng)的普及性。無論是專業(yè)的籃球運(yùn)動員還是業(yè)余籃球愛好者都會出現(xiàn)下肢的運(yùn)動損傷。在籃球運(yùn)動中踝關(guān)節(jié)損傷最為常見，對運(yùn)動能力的影響較大，一項研究表明因籃球受傷而缺席的總時間中，一半以上(53.7%)是由于腳踝受到損傷所致。腳踝受傷可能會導(dǎo)致球員出現(xiàn)殘疾和其他癥狀，最常見的是疼痛、不穩(wěn)定感、踝關(guān)節(jié)酸軟無力。一旦發(fā)生踝關(guān)節(jié)的損傷，將導(dǎo)致籃球運(yùn)動員在比賽中難以發(fā)揮出最佳競技狀態(tài)。人體的踝關(guān)節(jié)連接著足與小腿，是下肢重要的運(yùn)動關(guān)節(jié)，在承受運(yùn)動沖擊中起到了重要的作用。就籃球運(yùn)動而言，不僅僅需要跑步，還需要變向、側(cè)切，急停、急起等一些高強(qiáng)度動作，踝關(guān)節(jié)在運(yùn)動中承受著巨大的沖擊，在簡單的起跳落地過程中，足底承受著超過體重7倍的地面反作用力。在長時間的籃球運(yùn)動中必然會對運(yùn)動員的下肢造成損傷累計。

雖然近些年來對于籃球運(yùn)動員踝關(guān)節(jié)保護(hù)的技術(shù)不斷革新，但對籃球運(yùn)動員個體足底特征與踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的研究還處于積極探索階段。當(dāng)前利用解剖學(xué)來研究足底壓力分布特點(diǎn),多數(shù)研究集中于不同分區(qū)峰值變化對踝關(guān)節(jié)損傷的影響，未損傷的籃球運(yùn)動員與受損的籃球運(yùn)動員對比可知在第3跖骨與第2-5腳趾區(qū)域存在明顯的差異，壓力峰值越大則越容易出現(xiàn)損傷。但是未能考慮到單個運(yùn)動員足底獨(dú)特的生物力學(xué)特征，僅僅從足底壓力區(qū)域峰值的變化無法全面的解釋已發(fā)生損傷的籃球運(yùn)動員二次損傷的內(nèi)在機(jī)制。因此，基于當(dāng)前的研究手段來探究足底受力特征差異對于個體踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的影響，豐富二次踝關(guān)節(jié)損傷的內(nèi)在機(jī)制研究。

由此選擇靜態(tài)、動態(tài)、平衡性測試三種測試方案，根據(jù)足底壓力特征對個別籃球運(yùn)動員踝關(guān)節(jié)的損傷側(cè)與踝關(guān)節(jié)健康側(cè)進(jìn)行對比分析，并對具有經(jīng)常性踝關(guān)節(jié)損傷的籃球運(yùn)動員足底壓力分布特點(diǎn)進(jìn)行探究，分析出足底壓力分布對于足踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定的影響，從而為籃球運(yùn)動員在運(yùn)動中減少踝關(guān)節(jié)損傷提供建議。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選取西安體育學(xué)院8名男性籃球?qū)ｍ棇W(xué)生(國家二級運(yùn)動員)，在一年內(nèi)均出現(xiàn)單側(cè)踝關(guān)節(jié)損傷，在進(jìn)行實(shí)驗測試時進(jìn)行熱身活動，熟悉測試內(nèi)容，受試前均簽署知情同意書，基本情況如表1所示。

表1 受試者基本情況(M±SD)

1.2 研究方法

1.2.1 文獻(xiàn)資料法

根據(jù)本文的研究目的和內(nèi)容，在CNKI中國知網(wǎng)、中國學(xué)術(shù)期刊全文數(shù)據(jù)庫等查閱籃球運(yùn)動、踝關(guān)節(jié)損傷、足底壓力、生物力學(xué)等關(guān)鍵詞的科研論文，借閱西安體育學(xué)院圖書館的科研教材，總結(jié)相關(guān)研究方法，更加深入地了解籃球運(yùn)動員踝關(guān)節(jié)損傷領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和前沿的研究理論。

1.2.2 實(shí)驗法

1.2.2.1 實(shí)驗儀器

利用意大利“SENSOR Medica(Free Step V3 Manual)足底壓力測試儀(1200cm×500cm×10mm)”進(jìn)行多次的數(shù)據(jù)采集，動態(tài)采集頻率為270Hz，姿勢平衡采集頻率為25Hz。

1.2.2.2 實(shí)驗步驟

測試前進(jìn)行足底壓力測試儀的調(diào)試。受試者在室內(nèi)進(jìn)行測試，測試前進(jìn)行動作熟悉測試并進(jìn)行受試者的基本信息采集，當(dāng)熟悉測試動作后進(jìn)行測試，所有測試均為裸足測試。選擇靜態(tài)站立測試、步態(tài)行走測試、SWAY姿勢平衡測試。靜態(tài)測試為裸足在測試儀上靜止站立10秒，雙腳并攏站立；動態(tài)測試則是裸足在測試儀上正常步速行走，留下左右兩個足??；SWAY姿勢平衡測試則是分別進(jìn)行10秒的睜眼雙腳站立、閉眼雙腳站立、睜眼左右腿單獨(dú)站立，閉眼左右腿單獨(dú)測試?？偣策M(jìn)行3次測試，選取有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

足部分區(qū)：Hallux：大腳趾；Metatarsal head I：第一跖骨(M1表示)；Metatarsal head II-III：第二～三跖骨(M2+M3)； Metatarsal head IV-V：第四～五跖骨(M4+M5)；Medial arch：足弓內(nèi)側(cè)(AM)Lateral arch：足弓外側(cè)(AL)Medial heel: 足跟內(nèi)側(cè)(HM)Lateral arch: 足跟外側(cè)(HL)如圖1所示。計算足弓指數(shù)：Foot arch index(AI)：

圖1

AI=足中部面積 *100% /(足中部+足前掌+足跟)面積，高足弓: AI ≤ 21%、正常足弓: 21%

1.2.3 數(shù)理統(tǒng)計法

得出的數(shù)據(jù)利用SPSS24.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行分析，并進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗，進(jìn)行相關(guān)性分析。對接觸面積、負(fù)荷量、壓強(qiáng)、壓力中心、各區(qū)域峰值壓強(qiáng)、特殊區(qū)域接觸面積、步態(tài)階段速度、SWAY長度、擺動橢圓面積、橢圓傾斜角度、橢圓偏心度、DeltaX和DeltaY等數(shù)據(jù)整理分析。

2 研究結(jié)果

2.1 踝關(guān)節(jié)單側(cè)損傷的籃球運(yùn)動員靜態(tài)測試特征

踝關(guān)節(jié)單側(cè)損傷的籃球運(yùn)動員靜態(tài)足底壓力個體典型特征(圖2)：比較健康側(cè)與損傷側(cè)接觸面積、負(fù)荷值、區(qū)域最大壓強(qiáng)發(fā)現(xiàn)有較大差異(表2)，經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)足翻角、足部軸角等特征值無較大的差異性變化。

圖2 靜態(tài)站立特征視圖

表2 靜態(tài)限測試中健康側(cè)與損傷側(cè)特征數(shù)據(jù)(M±SD)(N=8)

2.2 踝關(guān)節(jié)單側(cè)損傷的籃球運(yùn)動員動態(tài)測試特征

在動態(tài)測試中發(fā)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)單側(cè)損傷的籃球運(yùn)動員健康側(cè)與損傷側(cè)多數(shù)特征出現(xiàn)較大差異，最大壓強(qiáng)、平均壓強(qiáng)、移動速度、壓力中心增量、足弓面積、足弓負(fù)荷、支撐前期速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行對比檢驗(表3)。

表3 動態(tài)測試中健康側(cè)與損傷側(cè)特征數(shù)據(jù)(M±SD)(N=8)

圖3 (a)健康側(cè)

圖3 (b)損傷側(cè)

如圖3(個體單側(cè)典型特征)所示，在動態(tài)行走過程中，健康側(cè)的壓力峰值點(diǎn)(紅線連接點(diǎn))變化較足底中心線(白線)相接近，在移動過渡中未出現(xiàn)較大壓力中心偏移；損傷側(cè)可以明顯地發(fā)現(xiàn)壓力中心的變化明顯，且多名運(yùn)動員在移動過程中出現(xiàn)壓力中心偏移點(diǎn)，并向足弓外側(cè)或內(nèi)側(cè)偏移。通過移動過程中健康側(cè)和損傷側(cè)的壓力中心(COP)變化由圖4(紅線健康側(cè)，綠線損傷側(cè))可以看出，損傷側(cè)的壓力中心變化率明顯高于健康側(cè)。

圖4 壓力中心變化對比圖

2.3 踝關(guān)節(jié)單側(cè)損傷的籃球運(yùn)動員SWAY平衡性測試特征

SWAY平衡性測試的主要目的是檢測運(yùn)動員下肢健康側(cè)與損傷側(cè)的穩(wěn)定性差距，通過選取SWAY長度、橢圓面積、DeltaX、DeltaY、橢圓傾斜角度、橢圓偏心度幾項數(shù)據(jù)證明穩(wěn)定性差異，通常這些值越小則穩(wěn)定性越好，相關(guān)數(shù)據(jù)對比如(表4)，在平衡性測試中選擇單腳睜眼和閉眼測試的數(shù)據(jù)為對比數(shù)據(jù)，較好的表現(xiàn)健康側(cè)與損傷側(cè)穩(wěn)定性的差異。

表4 SWAY平衡性測試中健康側(cè)與損傷側(cè)特征數(shù)據(jù)(M±SD)(N=8)

如圖5所示分別展示不同測試下的單足擺動面積(綠色為健康側(cè)，紅色為損傷側(cè))，橢圓擺動面積的不同直觀展現(xiàn)了穩(wěn)定性的差異，前后擺動距離和左右擺動距離表示踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定在前后方向和左右方向上的穩(wěn)定性差異。

圖5 (a)睜眼測試

圖5 (b)閉眼測試

3 分析與討論

3.1 靜態(tài)測試特征分析

足底的受力部位主要集中在足跟，跖骨區(qū)和趾骨區(qū)。在靜止站立狀態(tài)下，可以知道主要受力在第一跖骨頭至第五跖骨頭和第一近節(jié)趾骨頭。通過對比正常人的靜態(tài)足底壓力分布區(qū)域發(fā)現(xiàn)健康側(cè)與正常人的足底分布區(qū)域有明顯差異，由于籃球運(yùn)動的訓(xùn)練特質(zhì)，導(dǎo)致籃球運(yùn)動員的足底壓力分布與正常普通人不同，籃球運(yùn)動員未損傷側(cè)的足底壓力主要集中于第2跖骨與第3跖骨與腳跟處[5]。但是通過對比健康側(cè)與損傷側(cè)的靜態(tài)數(shù)據(jù)圖可以發(fā)現(xiàn)損傷側(cè)的壓力峰值區(qū)域向外側(cè)偏移并出現(xiàn)在第4跖骨或者足弓外側(cè)，且出現(xiàn)異常的壓力峰值區(qū)域。通過對比接觸面積和負(fù)荷發(fā)現(xiàn)損傷側(cè)與健康側(cè)有顯著性差異，雖然在靜態(tài)站立中會出現(xiàn)健康側(cè)代償?shù)默F(xiàn)象，但是損傷側(cè)負(fù)荷值過大的這一點(diǎn)無法完全改變，接觸面積的增加是為了減小負(fù)荷壓強(qiáng)，避免壓力過于集中損傷部位產(chǎn)生隱形疼痛，這與運(yùn)動員損傷側(cè)足弓塌陷是否相關(guān)，還需要動態(tài)測試數(shù)據(jù)的驗證。

最大壓強(qiáng)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)無論是前側(cè)還是后側(cè)的最大壓強(qiáng)，損傷側(cè)都遠(yuǎn)大于健康側(cè)，足底壓力峰值壓力越大則損傷的風(fēng)險則越大，因此可以推斷在之后的運(yùn)動中損傷側(cè)的二次損傷風(fēng)險增大。另外一點(diǎn)則是壓力中心(COP)錯位偏向損傷側(cè)(超出合理范圍)，損傷側(cè)身體重力中心前移，靜態(tài)站立狀態(tài)下壓力中心的錯位，也可以作為預(yù)測損傷的一項指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)壓力中心偏移則更要注重錯位偏向側(cè)的訓(xùn)練。

3.2 動態(tài)測試特征分析

通過動態(tài)測試可以直觀的發(fā)現(xiàn)移動過程中損傷側(cè)的接觸面積大于健康側(cè)的接觸面積，在最大壓強(qiáng)與平均壓強(qiáng)的的比較中出現(xiàn)與靜態(tài)數(shù)據(jù)相同的差異。壓力中心增量也有明顯的差異性變化，結(jié)合圖3、圖4和表4可以發(fā)現(xiàn)損傷側(cè)的壓力中心(COP)變化率明顯，足底在運(yùn)動過程中出現(xiàn)第三力點(diǎn)，打破了正常壓力中心變化，壓力中心偏移至第三力點(diǎn)，普遍第三力點(diǎn)出現(xiàn)在外足弓處，壓力中心外移，力的傳導(dǎo)出現(xiàn)偏移，增加了運(yùn)動過程中踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻損傷的風(fēng)險。

動態(tài)數(shù)據(jù)顯示：一個完整步態(tài)周期內(nèi)損傷側(cè)較健康側(cè)支撐前期移動速度變快，在接觸前期損傷側(cè)通過加快接觸的速度來避免損傷側(cè)可能會產(chǎn)生的隱形疼痛，可能是身體的保護(hù)機(jī)制，避免損傷側(cè)在運(yùn)動中因為瞬間接觸而導(dǎo)致的二次損傷。

通過計算可知損傷側(cè)的平均足弓指數(shù)為26.83%，偏向于扁平足，說明踝關(guān)節(jié)損傷可能是由于足弓塌陷引起的下肢重力線內(nèi)移和外翻導(dǎo)致?lián)p傷。

3.3 SWAY平衡性測試特征分析

SWAY長度表示在單腿測試時重心軌跡的位移；橢圓面積表示重心移動軌跡的包絡(luò)范圍；DeltaX表示在測試過程中內(nèi)外側(cè)(左右)軌跡偏移距離；DeltaY表示在測試過程中前后側(cè)軌跡偏移距離；在其他條件相同的條件下，這些參數(shù)的數(shù)值越小則說明重心的穩(wěn)定性越好，數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)健康側(cè)的數(shù)值明顯小于損傷側(cè)，由此可知在損傷后損傷側(cè)的穩(wěn)定性下降，踝關(guān)節(jié)的左右活動度大，可見損傷側(cè)踝關(guān)節(jié)的內(nèi)外韌帶松弛，當(dāng)然也可以作為運(yùn)動員的下肢穩(wěn)定性評估，在損傷側(cè)穩(wěn)定性較差的情況下制定特殊的訓(xùn)練計劃來提高運(yùn)動員踝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性。

3.4 實(shí)驗不足

未合理利用視頻解析系統(tǒng)分析相關(guān)的運(yùn)動學(xué)特征，在步態(tài)階段的分析深度較淺，實(shí)驗樣本容量較少，可能出現(xiàn)偶然數(shù)據(jù)，對實(shí)驗結(jié)果造成影響。

4 結(jié)論與建議

1.足底接觸面積增加，壓力幾何中心偏向損傷側(cè)，足底的承擔(dān)負(fù)荷不均，增加損傷側(cè)二次損傷的潛在風(fēng)險，部分運(yùn)動員存在扁平足，外足弓塌陷，在外足弓出現(xiàn)第三壓力集中點(diǎn)，打破了足部的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，足弓塌陷的運(yùn)動員要更加注重?fù)p傷側(cè)的康復(fù)性訓(xùn)練。

2.在正常步態(tài)下，健康側(cè)承受負(fù)荷更大，身體激發(fā)代償作用來減少損傷側(cè)在步態(tài)下承受的負(fù)荷，以緩解踝關(guān)節(jié)損傷部位在承受負(fù)荷的隱性疼痛。前腳掌區(qū)域壓力峰值偏外側(cè)，使得運(yùn)動員在運(yùn)動過程中，力的傳導(dǎo)發(fā)生偏移，增加了運(yùn)動的潛在風(fēng)險。

3.損傷側(cè)的平衡性較健康側(cè)的平衡性降低，穩(wěn)定性下降，踝關(guān)節(jié)的擺動幅度增大；穩(wěn)定的前腳掌、后足跟、高足弓的接觸方式降低了損傷的風(fēng)險，可以提高下肢穩(wěn)定性。

4.足底壓力測試也可作為籃球運(yùn)動員的踝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險評估，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動員弱勢側(cè)，制定提高訓(xùn)練計劃，達(dá)到預(yù)防損傷的效果。