不同方向落地側切及運動疲勞對踝關節扭傷風險的影響

摘" 要：目的：探討3種不同方向（前跳、斜跳與側跳）單腿跳躍落地側切變向及運動疲勞對踝關節扭傷風險的影響。方法：采用紅外運動捕捉系統與三維測力臺，同步采集15名男性大學生業余球類運動者在疲勞前后完成3種不同方向單腿跳躍落地側切變向動作時的運動學和動力學指標。結果：在觸地時刻，不同方向落地側切時踝跖屈角度和踝內翻角速度之間存在顯著差異，表現為側跳最大，前跳最小在緩沖階段中，最大踝內翻角、最大踝內翻角速度、最大踝內翻力矩和最大垂直地面反作用力指標在不同方向落地側切時存在顯著性差異，表現側跳最大，前跳最小。疲勞前后不同方向落地側切的各項指標中均無顯著性差異。結論：不同方向落地側切動作可對踝關節動作模式造成影響，側切變向角度增加可能導致更高的踝關節扭傷風險。運動疲勞可能不會增大男子落地側切動作踝關節損傷風險。

關鍵詞：踝關節扭傷；運動疲勞；跳躍著陸；側切動作；生物力學

中圖分類號：G804.6" 文獻標識碼：A" 文章編號：1009-9840（2024）01-0058-06

Effects of Fatigue and Different Jump-landing Cutting Directions on the risk of Ankle Ligament Sprains

WU Jing1， ZHOU Zhipeng2， LUAN Tianfeng2

（1.Graduate School， Shandong Sport University， Jinan 250102， China; 2. College of Sports and Health， Shandong Sport University， Jinan 250102， China）

Abstract：Objective： To investigate the effects of fatigue and three different jump-landing cutting directions （forward jump， oblique jump and lateral jump） on the risk of ankle ligament sprains. Methods： A total of 15 male collegiate amateur ballplayers participated in the study. Kinematic and kinetic data were collected by using infrared motion capture system and three-dimensional force plate during three different jump-landing cutting directions between 2 different conditions （pre- vs. post-fatigue）. Results： Significant differences were found in the ankle plantarflexion angle and ankle inversion angular velocity at initial contact among three different jump-landing directions， which showed that the lateral jump was the largest， and the forward jump was the smallest. Significant differences were found in the maximum ankle inversion angle， maximum ankle inversion angular velocity， maximum ankle inversion moment and maximum vertical ground reaction force in the landing phase among three different jump-landing directions， which showed that the lateral jump was the largest， and the forward jump was the smallest. No differences in kinematic and kinetic variables were observed between pre-and post-fatigue among three jump-landing directions. Conclusion： Different jump-landing cutting directions can affect ankle movement patterns， and increased jump-landing cutting angles may lead to a higher risk of ankle sprains. Fatigue may not increase the risk of ankle injury in men with jump-landing cutting movements.

Key words：ankle sprains; exercise fatigue; jump-landing; side cutting; biomechanics

收稿日期：2023-10-25

基金項目：山東省人文社會科學課題項目（編號：19-ZZ-JY-05）。

作者簡介：吳" 菁（1999-" ），女，山東泰安人，碩士研究生，運動損傷生物力學與運動康復。

通訊作者：欒天峰（1978-" ），男，碩士，副教授，研究方向為運動損傷生物力學。

踝關節扭傷是體育運動中最常見的下肢損傷之一，約占各類肌肉骨骼損傷的10%～30%［1］。踝關節扭傷治療處理不當很容易留下各種后遺癥，如引起患者本體感覺、肌力、平衡和姿勢控制等神經肌肉功能下降，易導致患者傷愈后仍存在較高的再次損傷風險［2］。了解踝關節扭傷的發病機制及危險因素是制定有針對性損傷預防方案的前提。研究表明，踝關節扭傷大多為外側韌帶扭傷，且多數發生在各種跳躍、轉身及側切變向等動作的落地階段［3-4］。雖然踝關節扭傷發病機制尚不明確，但落地時存在過大的踝關節內翻角、內翻角速度以及地面反作用力等生物力學因素被認為是踝關節外側韌帶發生損傷的主要風險因素［4-6］。

球類運動（如籃球、足球等）是踝關節扭傷的高發運動項目。針對球類運動而言，評估落地動作技術尤其是跳躍落地及側切變向動作模式，對于識別運動中的踝關節損傷風險及制訂損傷預防策略具有重要意義。相較于跳躍落地動作而言，側切變向動作對于機體額狀面及水平面的運動控制要求更高，這也可能是側切變向動作中踝關節扭傷較高的原因之一［7-8］。然而，現有針對踝關節扭傷風險的動作評估大多僅采用單一方向側切變向動作（如45°［8］或90°［9］變向），單一方向上的生物力學分析可能不利于全面理解不同變向動作模式中存在的不同潛在風險［10］。對于實際訓練或比賽來說，運動員往往會采用多種變向技巧，而不同的變向動作也可能對踝關節運動控制的要求及造成的損傷風險上存在差異。

運動疲勞也可能對機體神經肌肉控制造成一定的影響。機體在疲勞時可導致肌肉力量、關節運動控制及平衡協調能力等出現不同程度的下降［11］，從而降低運動時的動作控制能力，易產生異常動作模式而增大損傷風險［12］。研究表明，神經肌肉疲勞對下肢動作模式及運動損傷風險的影響在女性運動員中較為明顯［11］。如Wild等人研究發現，女性在運動疲勞后下肢動作模式和神經肌肉控制能力會顯著下降，可導致踝關節扭傷及其它關節損傷的風險大大增加［13］。然而，以往探討運動疲勞對執行動作時神經肌肉控制影響的研究大多以女性運動員為主［11］，男性在疲勞后是否會影響不同方向側切變向時的踝關節活動及損傷風險仍待于更多的研究確定。

因此，本研究旨在對比男性業余球類運動者在運動疲勞前后執行3個不同方向（前跳、斜跳和側跳）單腿跳躍落地側切變向動作時的下肢生物力學特征差異，分析和探討不同側切變向動作及神經肌肉疲勞對踝關節損傷風險的影響。本研究假設：（1）不同方向落地側切動作可對踝關節運動學和動力學指標產生影響，側切變向角度增大可導致更大的踝關節扭傷風險；（2）神經肌肉疲勞可對男子側切動作模式產生影響，且在不同方向落地側切中存在差異。

1" 實驗對象與方法

1.1" 實驗對象

基于以往研究確定樣本量［8］，招募15名男性大學生業余球類運動愛好者（年齡：25.2±3.1歲，身高：1.74±0.03 m，體質量：67.9±5.9 kg，BMI：22.4±1.6 kg/m2）。受試者納入標準［14］：具備3年以上且有規律運動習慣的球類（足球、籃球、羽毛球等）或跑步運動愛好者；近1年內無任何下肢肌肉骨骼損傷史及心肺系統相關疾病。在實驗開始前，所有參與者都獲悉本次研究的目的、要求、過程和其他細節并簽署知情協議書。

1.2" 實驗方案

受試者穿著實驗室統一配備的緊身上衣、緊身短褲和慢跑鞋，以盡量減少衣服和鞋子變化對下肢運動學的潛在影響。隨后，要求受試者先進行5～10分鐘的熱身活動，再做充分的肌肉自主拉伸活動。熱身結束后由專人向受試者講解測試動作要點，要求受試者熟悉測試流程并充分練習測試動作。

測試動作要求受試者從3個不同位置距離地面30 cm高的跳臺上由靜止站立姿勢開始，起跳的位置距離測力臺中心70 cm，要求雙腳同時跳向測力臺中心，以支撐腿（定義為踢球時支撐身體重心的腿，本研究中14人為左腿，1人為右腿）單腿落地支撐并立即做最大用力側切變向［15］，要求落地時均面向正前方，軀干不要有過大的傾斜和晃動，側切方向與正前方之間夾角為45°，至少要向前跑三步則可認為是一次成功試驗，每個動作各測兩次，測試順序隨機進行（如圖1）。

根據Helen Hayes下肢貼點模型，在受試者身上粘貼29個反光標志點［16］，然后要求受試者以“標準解剖學姿勢”站立，進行5秒鐘的靜態標定。標定完成后，再進行疲勞前動作測試、疲勞誘發測試以及疲勞后測試。

1.3" 測試流程

1.3.1" 疲勞前測試

受試者以隨機順序完成3種不同方向單腳落地側切測試動作，每次動作之間至少休息1分鐘，以最大限度地減少疲勞帶來的影響。采用無線Polar心率表實時監測運動時的心率，疲勞前每個測試動作均要求心率基本恢復至靜息心率時方可開始進行測試。

1.3.2" 誘發疲勞方案

本實驗為了較好地控制和維持疲勞狀態，因此疲勞誘導方案采用了快速閉鎖鏈動作，以50次/分鐘的頻率，要求受試者負1/3體重的杠鈴進行連續蹲起，下蹲時要求屈膝至90°［17-18］。最大疲勞判定標準參照以往研究［16］。

在疲勞誘導方案進行階段，測試人員全程給予受試者保護，并在口頭上鼓勵其盡可能地堅持。在此過程中，使用無線Polar心率表實時監測受試者心率，并將主觀疲勞程度測試量表作為測量疲勞程度的輔助工具。

1.3.3" 疲勞后測試

疲勞后測試在受試者達到最大疲勞時立即進行，動作要求與疲勞前相同，但每個測試動作間不設置休息時間，為了保持最大疲勞狀態，要求受試者在每個測試動作完成后需連續做3次用力垂直跳躍［19］。全程由專人記錄受試者每次動作完成的時間、即時心率以及自感疲勞程度評分。

1.4" 數據采集與處理

采用8個鏡頭的紅外高速運動捕捉系統（Motion Analysis Raptor-4， USA， 200Hz）和1個三維測力臺（Kistler 9281CA， Switzerland， 1000 Hz）對受試者在疲勞前后3種不同方向單腿落地側切動作的運動學和動力學數據進行同步采集。運動學和動力學的原始數據分別采用10 Hz 和 50 Hz的Butterworth低通濾波進行平滑，依據受試者體表骨性解剖標志處粘貼的反光標志點坐標建立人體環節坐標系［20］，采用歐拉角計算踝關節三維角度及角速度，采用逆動力學方法計算關節凈力矩［20］。測試動作的分析從觸地時刻（即受試者支撐足接觸測力臺垂直方向地面反作用力大于10 N時刻）開始［19］，至離地時刻（即支撐腳離地測力臺力值小于10N時刻）終止。疲勞前后每個測試方向的2次有效數據均用于最終數據分析（取平均值），地面反作用力和關節力矩數據以受試者體質量（kg）進行標準化處理。所有數據通過Cortex軟件（Version 2.6.2.1169，Motion Analysis Corporation，USA）進行處理。

1.5" 統計分析

利用雙因素重復測量方差分析對支撐側下肢運動學和動力學參數進行統計學分析，自變量為不同起跳位置（前跳、斜跳和側跳）和疲勞（疲勞前、疲勞后），因變量為各項生物力學測試指標，若不同起跳位置與疲勞狀態之間存在交互作用，則用Bonferroni法進行事后檢驗。所有因變量均采用均值±標準差（M±SD）的形式進行描述性分析，統計學顯著性水平α設為0.05，應用SPSS （Version 26.0，IBM，USA）軟件對所有數據進行統計分析。

2" 研究結果

2.1" 觸地時刻支撐腿踝關節測試指標對比結果［1］

如表1所示，雙因素重復方差分析表明，在觸地時刻不同起跳位置與疲勞狀態之間對踝關節跖屈和內翻的角度及角速度指標均不存在交互作用（P＞0.05）。不同起跳位置的主效應結果顯示，無論在疲勞前還是疲勞后，踝關節跖屈角度在三個起跳位置之間均存在顯著差異（P＜0.001），表現為側跳最大，斜跳次之，前跳最小；踝關節跖屈角速度在前跳與斜跳和側跳之間存在差異（P＜0.05），表現為斜跳和側跳小于前跳；踝關節內翻角速度在前跳與斜跳和側跳之間存在差異（P＜0.001），表現為斜跳和側跳大于前跳；而踝關節內翻角度在不同起跳位置之間均無顯著性差異（P＞0.05）。此外，各結果的疲勞主效應均不顯著（P＞0.05），即觸地時刻不同方向跳躍落地側切動作在疲勞前后的各項指標中均無差異。

2.2" 緩沖階段支撐腿踝關節測試指標對比結果［3］

如表2所示，雙因素重復方差分析表明，在緩沖階段不同起跳位置與疲勞狀態之間對踝關節最大內翻角度、角速度及力矩峰值和垂直方向最大地面反作用指標均不存在交互作用（P＞0.05）。不同起跳位置的主效應結果顯示，無論在疲勞前還是疲勞后，踝關節最大內翻角在三個起跳位置之間均存在顯著差異（P＜0.001），表現為側跳最大，斜跳次之，前跳最小；踝關節最大內翻角速度（P＜0.001）和踝關節內翻力矩峰值（P＜0.05）在前跳與斜跳和側跳之間存在差異，表現為斜跳和側跳大于前跳；垂直方向最大地面反作用力前跳與側跳之間存在顯著差異（P=0.038），表現為側跳大于前跳。此外，各結果的疲勞主效應均不顯著（P＞0.05），即緩沖階段不同方向跳躍落地側切動作在疲勞前后的各項指標中均無差異。

3" 分析與討論

本研究對比了疲勞前后執行3個不同方向（前跳、斜跳和側跳）單腿跳躍落地側切變向動作時的踝關節運動學和動力學指標間的差異，研究結果表明，在觸地時刻，三個不同方向單腿跳躍落地動作中的踝關節跖屈角和內翻角速度側跳＞斜跳＞前跳，這一結果與以往研究［21］研究基本一致。在Havens等人［21］的研究中也發現，隨著側切角度的增大（90°側切與45°側切相比），運動員在落地時會采取更大的踝關節跖屈角度。然而，采取更大的踝跖屈角度雖然有助于緩解地面反作用力的沖擊力并可能有助于獲得更大的蹬伸加速效果，但落地時較大的踝關節跖屈活動也會增大踝關節的內翻活動，而更大的側切變向角度也會增大髖關節和軀干在額狀面及水平面的運動幅度，進而增大踝關節的內翻及旋轉負荷［21］。此外，本研究還發現隨著落地后側切變向角度的增大，支撐腳踝關節內翻角速度也隨之增大，而較大的踝關節內翻角速度會使人體重心偏移至支撐腿［4］，可能導致踝關節外側韌帶負擔過重，從而使踝關節扭傷風險升高。

結合動作任務的模式和特征分析，側切變向作為一種常報道的引發踝關節扭傷的高風險動作，它對踝關節周圍肌肉、韌帶易施加過大且快速的沖擊負荷，并可降低踝關節側向動態姿勢控制能力，從而增大了踝關節外側韌帶的損傷風險［8， 22］。此外，側切變向動作主要依靠膝關節內旋以及踝關節內翻來實現身體姿態的快速變化。在球類運動中，不同的側切變向動作其目的及功能有所區別，45°和90°側切主要用于進攻、變向和閃躲，180°橫切變向時運動員則往往采用較低的身體重心以便于更快速地改變方向用于攔截和進行有效防守［10］。然而，隨著變向角度的增大，為實現身體快速轉向隨之而來對軀體和下肢關節額狀面及水平面的活動負荷也隨之增大，運動員在側切變向單腳支撐落地時也會采用更大的踝關節跖屈和內翻活動，但這也可能導致踝關節外側韌帶受傷風險的增加。從本研究結果來看，側跳與斜跳較前跳落地側切變向時的踝關節跖屈角度和內翻角速度更大，尤其是橫向側切時存在更大的踝關節內翻角度及角速度，這提示了隨著側切變向角度的增大，受試者可能采取更大的踝跖屈和踝內翻動作模式，而這種動作模式也可能相應的增加踝關節扭傷的風險。上述結果部分支持了本研究的第（1）個假設。

力矩和地面反作用力反映了踝關節落地緩沖過程中的受力情況，若地面反作用力過大，勢必導致踝關節承受更大的沖擊力，進而可能增加踝關節發生扭傷的風險［21］。研究表明，在進行跳躍著陸或快速變向等運動時，均需要踝關節有預備性的跖屈和內翻，以減弱觸地時的沖擊負荷和獲得較大的蹬伸發力以便于快速完成技術動作［23-24］。然而，支撐腿在與地面接觸后，較大的踝關節內翻活動也可使足的壓力中心隨之產生更大的橫向偏移，這也會增加踝關節內翻力臂從而使外側韌帶承受更大的負荷。此外，落地支撐過程中下肢肌肉處于離心收縮的狀態，緩沖階段較大的地面沖擊力不僅可能增加關節的扭轉負荷，還可能進一步牽拉踝關節周圍的肌群和韌帶，從而使其所受的應變負荷也隨之增加［25］。研究表明，落地支撐階段存在較大的地面反作用力可導致踝關節產生更大的內翻力矩，這也會大大增加距骨前韌帶和腓骨韌帶的應變，從而更易導致踝關節外側韌帶達到或超過最大負荷承載的能力，最終造成韌帶組織的破裂與撕裂，也會促使慢性踝關節不穩的產生，形成惡性循環［24， 26］。從本研究結果來看，側跳與斜跳的踝內翻力矩峰值和最大地面反作用力指標較前跳顯著增加，這也提示隨著側切變向角度的增加可能導致更高的踝關節扭傷風險。因此，為降低球類運動側切變向時踝關節的扭傷風險，尤其在較大幅度的變向動作中，建議應加強對踝關節的運動控制，適當減小落地時踝關節的跖屈和內翻角度。

神經肌肉疲勞雖然被廣泛認為可能是下肢關節及韌帶的致傷風險因素［27］，然而，機體處在疲勞狀態時究竟如何影響運動員的動作模式及疲勞時是否必然會增大下肢損傷的風險目前仍存在較大爭議，甚至有學者研究認為疲勞反而會讓運動員在落地時采取更為保守的落地緩沖策略，如增大屈膝和屈髖幅度以減小地面沖擊力及損傷風險［28-29］。此外，也有學者研究認為疲勞導致機體動作模式發生改變存在性別差異。如McLean等人［30］的研究認為，女性在疲勞時更容易導致下肢動作模式發生改變，女性疲勞時通常較男性存在更大的膝外翻角和更大跖屈活動模式。Wild等人［13］研究也發現，女性在疲勞后落地時膝關節和踝關節所承受的負荷均較疲勞前有所增大。此外，Kernozek等人［31］對比疲勞前后男女業余運動員落地測試動作中發現，疲勞后均可增加落地時的屈髖角度，且男子在疲勞時往往采取保護性落地動作策略（如增大屈膝緩沖幅度），但女子在疲勞后則更易采取較為僵硬的落地動作模式［11］。可見，神經肌肉疲勞對下肢動作模式及運動損傷風險的影響在不同性別間可能存在較大差異。本研究測試中選取了男子業余球類運動愛好者，在對比疲勞前后三種不同方向落地側切任務時未發現踝關節及地面反作用力等各項指標之間存在差異，這一結果也與以往部分研究較為一致［32-34］，在他們的研究中也認為疲勞可能不會對男子下肢動作模式產生影響。疲勞對男子和女子產生不同影響的原因可能與解剖結構［35］、力量素質［11］、激素水平［36］等性別因素相關。此外，女性神經肌肉力量及控制能力也相對較弱［11］，再加上女性關節韌帶相對較為松弛，因此，女性在疲勞時關節韌帶損傷風險較男性可能更高。綜上所述，本研究測試中未發現男子業余球類運動員在疲勞前后單腿落地側切時踝關節各項指標之間的差異，這一結果提示神經肌肉疲勞可能不會增大男子落地側切動作時的踝關節韌帶扭傷風險。

本研究也存在一些局限性，（1）受試者均為在校業余球類運動愛好者，而不同競技水平和不同專項的運動員在進行此類高風險動作時的表現以及疲勞后的運動狀態上也會存在一定差別［37］，后續可以考慮針對不同人群進行分析探討。（2）不同的疲勞誘導方案也會對下肢神經肌肉控制造成影響［37］，未來也可以考慮比較疲勞誘導方案的差異性來進一步探究。（3）本研究沒有涉及到對表面肌電技術的應用，缺少對腓骨長短肌、脛骨前肌等踝關節周圍肌群的肌肉活動特征分析，這些肌肉的激活情況也同樣對運動時的踝關節控制具有重要的意義［10］，建議后續研究應納入肌電學指標來更全面地討論對踝關節神經肌肉活動以及扭傷風險的影響，從而為進一步提出合理化和科學化損傷預防建議提供理論依據。

4" 結" 論

不同方向落地側切動作可對踝關節動作模式造成影響，側切變向角度增加可能導致更高的踝關節扭傷風險。而運動疲勞可能不會增大男子落地側切動作時踝關節損傷風險。［6］

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