鐘運(yùn)健，劉 宇，傅維杰，魏書濤，伍 勰，李 慶

高速跑時(shí)下肢雙關(guān)節(jié)肌做功特性及拉傷風(fēng)險(xiǎn)的生物力學(xué)分析

鐘運(yùn)健1，2，劉 宇2，傅維杰2，魏書濤2，伍 勰2，李 慶3

目的：建立下肢肌肉功能模型及下肢骨骼肌肉系統(tǒng)模型，量化快速跑時(shí)下肢雙關(guān)節(jié)肌長(zhǎng)度速度變化及應(yīng)力變化，并進(jìn)一步量化單位面積功率及做功總量，從生物力學(xué)視角分析短跑運(yùn)動(dòng)員下肢雙關(guān)節(jié)肌做功特性及拉傷風(fēng)險(xiǎn)。方法：采集優(yōu)秀短跑運(yùn)動(dòng)員高速跑時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，建立下肢神經(jīng)肌肉骨骼模型和下肢肌肉功能模型，進(jìn)行下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，并計(jì)算受試下肢肌肉功能參數(shù)變化，結(jié)合最優(yōu)化算法量化單塊肌肉應(yīng)力變化，進(jìn)而分析單塊肌肉單位面積功率和做功總量。結(jié)果與結(jié)論：雙關(guān)節(jié)肌應(yīng)力峰值、長(zhǎng)度峰值、收縮速度峰值和做負(fù)功單位面積功率峰值均顯著高于其他下肢單關(guān)節(jié)?。浑枘c肌在支撐前期被拉長(zhǎng)的情況下對(duì)抗較大外負(fù)荷(高應(yīng)力值)離心收縮，且出現(xiàn)做負(fù)功的單位面積功率峰值，拉傷風(fēng)險(xiǎn)極高；腘繩肌在擺動(dòng)末期和支撐前期處于較大程度拉伸且應(yīng)力值高，在擺動(dòng)中期的屈髖伸膝階段快速做負(fù)功(出現(xiàn)單位面積功率峰值)，均易被拉傷；股四頭肌的拉傷時(shí)相為擺動(dòng)前期的伸髖屈膝階段，股四頭肌在此階段一直做負(fù)功且出現(xiàn)做負(fù)功的單位面積功率峰值；雙關(guān)節(jié)肌在一個(gè)完整步態(tài)中所做負(fù)功總和(負(fù)功積累)顯著高于其他單關(guān)節(jié)肌。此外，雙關(guān)節(jié)肌在步態(tài)某些階段，同時(shí)對(duì)兩個(gè)關(guān)節(jié)分別做負(fù)功和正功。本研究通過單塊肌肉力學(xué)負(fù)荷相關(guān)指標(biāo)為分析下肢雙關(guān)節(jié)肌肉在快速跑時(shí)拉傷風(fēng)險(xiǎn)提供了生物力學(xué)依據(jù)。

快速跑；雙關(guān)節(jié)?。焕瓊L(fēng)險(xiǎn)；生物力學(xué)

前言

下肢肌肉中的腘繩肌、股直肌和腓腸肌在運(yùn)動(dòng)中很容易發(fā)生急性損傷，特別常見于高水平的短跑、足球和橄欖球運(yùn)動(dòng)員[15，16，33]。雖然運(yùn)動(dòng)中的各種技術(shù)動(dòng)作(如踢球、身體扭轉(zhuǎn)、跳躍等)均能使上述雙關(guān)節(jié)肌的負(fù)荷發(fā)生改變，但研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)員的受傷均發(fā)生在接近或達(dá)到其高速跑階段[16,33]。據(jù)此，分析下肢肌肉快速跑的力學(xué)特性對(duì)于理解雙關(guān)節(jié)肌的損傷風(fēng)險(xiǎn)和機(jī)理非常關(guān)鍵。

肌肉損傷發(fā)生的內(nèi)在原因多種多樣，大部分肌肉的急性拉傷和單塊肌肉力量(應(yīng)力)息息相關(guān)。從力學(xué)角度來(lái)看，拉傷是過載的結(jié)果(外部力量或內(nèi)部肌力)[9]，即肌肉在拉傷瞬間承受負(fù)荷的能力低于當(dāng)時(shí)肌肉所受負(fù)荷，故肌肉應(yīng)力是肌肉拉傷的重要影響因子[20,21]。本研究團(tuán)隊(duì)在前期研究中發(fā)現(xiàn)，快速跑時(shí)雙關(guān)節(jié)肌腘繩肌、股直肌和腓腸肌在整個(gè)步態(tài)中的應(yīng)力峰值也顯著高于其他肌肉[10]。但肌肉在向心收縮情況下承受負(fù)荷的能力較強(qiáng)，即使負(fù)荷很高也不容易被拉傷。 Transfeldt等(2001)研究發(fā)現(xiàn)，離心練習(xí)是唯一伴隨著肌肉拉傷的形式[31]。但離心收縮也不是肌肉拉傷的唯一風(fēng)險(xiǎn)因子，如緩慢的肌肉牽張練習(xí)，這種慢牽張基本上不可能引起拉傷[22]。故Brooks 等人(2001,2006)隨后提出，肌肉應(yīng)力和拉伸速度的乘積(單位面積功率)大小才是肌肉拉傷的重要指標(biāo)[14,15]。此外，Anthony 等(2012)將一個(gè)完整步態(tài)中單位面積所做負(fù)功的總和(負(fù)功積累)作為肌肉拉傷的另一重要因素，認(rèn)為肌肉對(duì)負(fù)荷都有一定的適應(yīng)能力和抵抗能力，但面對(duì)重復(fù)過多過重的負(fù)荷，身體的任何部位都會(huì)不斷積累磨損或疲勞而引起肌肉組織、肌腱和韌帶慢性損傷，進(jìn)而使肌體對(duì)外負(fù)荷的適應(yīng)能力和承受能力下降而引起肌肉拉傷[13]。綜上可知，就真正的人體活動(dòng)而言，單獨(dú)的或其中一、兩個(gè)指標(biāo)并不能完全解釋肌肉拉傷的原因，這也意味著單塊肌肉力量(應(yīng)力)、肌肉長(zhǎng)度、肌肉收縮速度、收縮性質(zhì)及做功狀況變化等因素的交互作用最終導(dǎo)致肌肉拉傷[16]。

因此，本研究的目的是，建立下肢骨骼肌肉模型，量化快速跑時(shí)下肢雙關(guān)節(jié)肌力學(xué)負(fù)荷和工作狀態(tài)(應(yīng)力變化、長(zhǎng)度變化、收縮速度、單位面積功率及做功總量)，并從生物力學(xué)視角分析短跑運(yùn)動(dòng)員下肢雙關(guān)節(jié)肌工作特性及拉傷風(fēng)險(xiǎn)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

本研究受試者為8名優(yōu)秀短跑運(yùn)動(dòng)員(國(guó)際健將1名、健將3名、一級(jí)4名)，100 m個(gè)人最好成績(jī)范圍10 s 27到10 s 80，年齡、身高、體重分別為22.4±3.2歲、180.7±6.3 cm、74.3±5.5 kg。所有受試者于實(shí)驗(yàn)前確認(rèn)24 h內(nèi)未從事劇烈運(yùn)動(dòng)，確定其下肢和足部半年內(nèi)無(wú)明顯損傷，解剖結(jié)構(gòu)和機(jī)能正常，身體狀況以及運(yùn)動(dòng)能力良好，理解本實(shí)驗(yàn)意圖并簽署同意書。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用VICON紅外高速攝影系統(tǒng)(英國(guó)，VICON公司)攝像，攝像頭為MX13，采樣頻率為300 Hz，軟件版本為WORKSTATION5.1，MARKER球直徑為14 mm，專用實(shí)驗(yàn)服裝。

采用KISTLER三維測(cè)力臺(tái)(瑞士，KISTLER公司)，型號(hào)9287B，面積600×900 mm2,內(nèi)置信號(hào)放大器，采樣頻率為1 200 Hz，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器與VICON系統(tǒng)連接并同步，牢固安放于專門為本次實(shí)驗(yàn)在田徑場(chǎng)內(nèi)挖設(shè)的測(cè)力臺(tái)坑內(nèi)。

采用VISUAL3D三維分析軟件(美國(guó)，C-MOTION公司)，軟件版本為Visual3D Version 3.91.1，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行前期數(shù)據(jù)處理分析。

圖 1 本實(shí)驗(yàn)MARKER標(biāo)定位置圖

按照實(shí)驗(yàn)拍攝范圍的要求架設(shè)紅外高速攝像機(jī)，拍攝范圍約為9×2×2 m3，連接攝像機(jī)與VICON工作站。設(shè)置VICON系統(tǒng)并進(jìn)行拍攝范圍三維空間的標(biāo)定。運(yùn)動(dòng)員充分熱身，穿著專用實(shí)驗(yàn)服裝，安放MARKER球[4,5,10,11]。運(yùn)動(dòng)員起跑位置大約距測(cè)力臺(tái)40 m。運(yùn)動(dòng)員聽從實(shí)驗(yàn)員的口令，全力奔跑，通過拍攝區(qū)。同時(shí)開啟實(shí)驗(yàn)設(shè)備，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)員需成功采集數(shù)據(jù)兩次。

1.3 建立下肢環(huán)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型和下肢骨骼肌肉系統(tǒng)模型

對(duì)VICON和KISTLER采集的原始運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選處理，通過軟件Visual3D建立下肢多環(huán)節(jié)鏈接模型，將三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理，最后量化下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)(各關(guān)節(jié)角度、角速度等)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)(肌力矩、慣性力矩、重力矩和外力矩等)。

根據(jù)前期研究所建立的環(huán)節(jié)互動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型和建立下肢骨骼-肌肉系統(tǒng)模型[4,10,11]，選取與下肢運(yùn)動(dòng)相關(guān)的11組主要肌肉(6組單關(guān)節(jié)肌和5組雙關(guān)節(jié)肌，分別為臀大肌、股二頭肌長(zhǎng)頭、股二頭肌短頭、半膜肌、半腱肌、股直肌、骼肌、股四頭肌群、比目魚肌、腓腸肌和脛骨前肌)。

1.4 建立下肢肌肉功能模型，量化快速跑時(shí)下肢肌肉功能參數(shù)

以單大卯(2003)建立下肢各運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)相應(yīng)坐標(biāo)系和統(tǒng)計(jì)學(xué)模型所采用布里恩角，作為描述下肢多剛體系統(tǒng)相鄰環(huán)節(jié)(坐標(biāo)系)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的廣義坐標(biāo)[2]。測(cè)量受試對(duì)象骨盆、股骨、脛骨、足部及用于回歸髖-膝、膝-踝關(guān)節(jié)中心距的人體骨性形態(tài)學(xué)參數(shù)，借助廣義坐標(biāo)可將肌肉在不同環(huán)節(jié)坐標(biāo)系中所表達(dá)的起止點(diǎn)(或代起止點(diǎn))的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到肌肉起點(diǎn)所在環(huán)節(jié)坐標(biāo)系中，最后計(jì)算出肌肉功能參數(shù)，也就建立了下肢肌肉功能模型。

本研究基于受測(cè)對(duì)象個(gè)體的下肢骨性形態(tài)學(xué)參數(shù)和快速跑時(shí)下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，通過下肢肌肉功能模型計(jì)算機(jī)應(yīng)用分析系統(tǒng)[6]分別計(jì)算出受測(cè)對(duì)象快速跑時(shí)下肢各主要肌肉對(duì)于各關(guān)節(jié)偽力臂變化等肌肉功能參數(shù)。

1.5 量化快速跑時(shí)下肢肌肉長(zhǎng)度變化和速度變化

首先，確定肌肉長(zhǎng)度與肌拉力線：即肌肉附著點(diǎn)走向?yàn)橹本€的肌肉，其長(zhǎng)度量化為起點(diǎn)和止點(diǎn)的直線連線長(zhǎng)度，該連線稱之為肌拉力線。

基于受測(cè)對(duì)象個(gè)體的下肢骨性形態(tài)學(xué)參數(shù)和快速跑時(shí)下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)二維參數(shù)，通過下肢肌肉功能模型計(jì)算機(jī)應(yīng)用分析系統(tǒng)[6]，分別計(jì)算出受測(cè)對(duì)象快速跑時(shí)下肢各主要單塊肌肉長(zhǎng)度變化和速度變化。

1.6 建立優(yōu)化方程，由已知的關(guān)節(jié)力矩優(yōu)化求解肌應(yīng)力

參照前期的研究所確立的快速跑時(shí)下肢單塊肌力分布的優(yōu)化求解方法[10]，結(jié)合下肢動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)及肌肉功能參數(shù)等，建立優(yōu)化方程，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)及求解方法，量化各單塊肌肉應(yīng)力變化。

1.7 量化下肢單塊肌肉單位面積功率變化

計(jì)算下肢各單塊肌肉單位面積功率Pi公式：

公式中，σi為各單塊肌肉i活動(dòng)時(shí)肌肉應(yīng)力，vi為單塊肌肉i的收縮速度。本研究定義，如果vi為正，則該肌肉為向心收縮；反之為離心收縮；單塊肌肉單位面積功率為正值時(shí)，代表肌肉向心收縮做正功；單塊肌肉單位面積功率為負(fù)值時(shí)，代表肌肉離心收縮做負(fù)功。

1.8 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

各參數(shù)值均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差方式表示，所有數(shù)據(jù)資料用Excel 2003和Spss 13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析各階段不同肌肉間對(duì)于各參數(shù)的影響，其中，顯著性水平α設(shè)為0.05。

2 研究結(jié)果

本研究將一個(gè)步幅分為支撐期和擺動(dòng)期兩個(gè)階段，運(yùn)動(dòng)員左腳觸地階段為支撐期(臨界點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)刻17.7%±1.2%)，而剩下的階段為擺動(dòng)期，其中，擺動(dòng)期根據(jù)時(shí)相不同又劃分為擺動(dòng)前期和擺動(dòng)后期(以大腿豎直擺在重心垂線位置為界，臨界點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)刻55.1%±2.3%)。

2.1 關(guān)節(jié)角度特征

在支撐期，髖關(guān)節(jié)持續(xù)伸展，膝關(guān)節(jié)先屈曲至標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)10%左右開始伸展。擺動(dòng)前期，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)主要表現(xiàn)為屈曲。擺動(dòng)后期，髖關(guān)節(jié)繼續(xù)屈曲到標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)70%左右開始伸展直至觸地，膝關(guān)節(jié)伸展至標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)90%左右開始屈曲。踝關(guān)節(jié)在整個(gè)步態(tài)中只有支撐期表現(xiàn)為較大程度的屈伸，支撐前期為屈曲，支撐后期為伸展(圖2)。

圖 2 本研究某受試者完整步態(tài)中下肢各關(guān)節(jié)角度(rad)變化曲線圖

2.2 肌肉功能特征

雙關(guān)節(jié)肌腘繩肌(本研究主要指股二頭肌長(zhǎng)頭、半腱肌、半膜肌)在整個(gè)支撐期表現(xiàn)為向心收縮，一直持續(xù)到擺動(dòng)前期的標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)45%左右開始離心收縮，至擺動(dòng)后期的標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)80%左右開始向心收縮，長(zhǎng)度百分比峰值(股二頭肌長(zhǎng)頭：112.5%±3.7%)出現(xiàn)在擺動(dòng)末期(標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)80%左右)。雙關(guān)節(jié)肌股四頭肌群(主要指股直肌)離心收縮階段主要出現(xiàn)在擺動(dòng)末期(標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)90%左右開始)直至擺動(dòng)前期的標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)40%左右，長(zhǎng)度百分比峰值(120.1%±4.5%)出現(xiàn)在擺動(dòng)前期(標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)40%左右)。腓腸肌在整個(gè)支撐期均處于被拉長(zhǎng)狀態(tài)(肌肉長(zhǎng)度大于靜息狀態(tài)的100%)，其離心收縮階段主要出現(xiàn)在支撐前期(標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)10%之前)，整個(gè)步態(tài)的長(zhǎng)度百分比峰值(111.5%±3.6%)出現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)10%左右(圖3，表1)。

圖 3 本研究某受試者部分下肢肌肉完整步態(tài)長(zhǎng)度百分比(%)(左)和收縮速度(cm/s)(右)變化

腘繩肌、股直肌和腓腸肌在整個(gè)步態(tài)中均高速向心或離心收縮，腘繩肌向心和離心收縮速度峰值均接近120 cm/s，股直肌向心和離心收縮速度峰值分別為-109.6±7.3 cm/s和99.8±7.2 cm/s，腓腸肌的向心收縮速度峰值為119.6±8.3 cm/s，而離心收縮速度峰值高達(dá)-142.7±6.2 cm/s，分別出現(xiàn)在觸地瞬間和離地瞬間(圖3，表1)。

腘繩肌在支撐期和擺動(dòng)后期處于較高的活化狀態(tài)(圖4)，做功也主要體現(xiàn)在這兩個(gè)階段，腘繩肌在支撐期和擺動(dòng)末期(標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)85%以后)主要做正功，并在支撐期出現(xiàn)整個(gè)步態(tài)做正功的單位面積功率峰值(股二頭肌長(zhǎng)頭峰值為：208.6±22.3 W/cm2)，在擺動(dòng)后期標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)的55%～85%左右，腘繩肌主要離心收縮做負(fù)功，并在此階段出現(xiàn)做負(fù)功的單位面積功率峰值(股二頭肌長(zhǎng)頭峰值為-202.8±19.6 W/cm2)(圖4，表1)。股直肌的活化主要出現(xiàn)在擺動(dòng)前期，在標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)20%～35%左右離心收縮做負(fù)功，單位面積功率峰值為-94.8±12.6 W/cm2，標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)35%～55%左右向心收縮做正功，單位面積功率峰值為133.8±20.9 W/cm2(圖4，表1)。腓腸肌的活化主要集中在支撐期，標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)11%之前為離心收縮做負(fù)功，單位面積功率峰值為-149.7±38.8 W/cm2，在支撐后期主要為向心收縮做正功，單位面積功率峰值為85.2±19.8 W/cm2(圖4，表1)。

圖 4 本研究某受試者部分下肢肌肉完整步態(tài)肌應(yīng)力(N/cm2)(左)

表1顯示，下肢各雙關(guān)節(jié)肌(腘繩肌、股直肌和腓腸肌)在一個(gè)完整步態(tài)中的長(zhǎng)度峰值、向心及離心收縮速度峰值、應(yīng)力峰值、做正功和做負(fù)功時(shí)單位面積功率峰值、單位面積所做正功總和和負(fù)功總和(負(fù)功積累)均顯著高于其他單關(guān)節(jié)肌。

表 1 本研究受試者下肢主要肌肉單個(gè)步態(tài)長(zhǎng)度、速度、應(yīng)力、單位面積功率峰值及單位面積所做總功一覽表

續(xù)表 1

3 討論

就真正的人體活動(dòng)而言，單獨(dú)的或其中一、兩個(gè)指標(biāo)并不能解釋肌肉拉傷。這也意味著肌肉力量(應(yīng)力)、肌肉長(zhǎng)度、肌肉收縮速度和收縮性質(zhì)，甚至肌肉功率等其他因素一起綜合導(dǎo)致真實(shí)生活中的肌肉拉傷[16]。本研究結(jié)果所展示出的雙關(guān)節(jié)肌應(yīng)力峰值、長(zhǎng)度峰值、收縮速度峰值、做負(fù)功單位面積功率峰值和單個(gè)步態(tài)所做負(fù)功積累等數(shù)據(jù)，以及雙關(guān)節(jié)肌在同一時(shí)刻分別對(duì)不同關(guān)節(jié)做正功和負(fù)功的復(fù)雜情況，為分析下肢雙關(guān)節(jié)肌肉在快速跑時(shí)拉傷風(fēng)險(xiǎn)提供了生物力學(xué)依據(jù)。

腓腸肌：有研究通過比賽視頻證實(shí)了某一棒球運(yùn)動(dòng)員在比賽中快速跑時(shí)腓腸肌拉傷，發(fā)生在支撐期的蹬伸階段[24]，該研究只根據(jù)這偶然獲得的視頻對(duì)拉傷瞬間身體重心所處的位置(腓腸肌的前方)進(jìn)行了分析，未能探討腓腸肌在此階段被拉傷的內(nèi)在肌肉力學(xué)機(jī)制。本研究顯示，腓腸肌在支撐期一直處于被拉伸狀態(tài)，但支撐前期離心收縮(標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)10%之前)，且整個(gè)步態(tài)的長(zhǎng)度峰值也出現(xiàn)在支撐前期，而腓腸肌在蹬伸階段(支撐后期)表現(xiàn)為向心收縮(圖3)。此外，腓腸肌應(yīng)力峰值(213.4±32.9 N/cm2)出現(xiàn)在支撐前期(標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)10%左右)(圖4)，此時(shí)，地面反作用力背屈踝關(guān)節(jié)和伸展膝關(guān)節(jié)，為抵抗這些背屈外力矩使踝關(guān)節(jié)快速伸展蹬離地面(跖屈)[4]，腓腸肌收縮很強(qiáng)烈。支撐階段在高負(fù)荷的情況下，快速收縮使腓腸肌在支撐期的單位面積功率的正、負(fù)值也分別出現(xiàn)在蹬伸階段和觸地前期(圖4)。綜上所述，相比于蹬伸階段腓腸肌向心收縮做正功而言，腓腸肌在觸地前期快速離心收縮并承受強(qiáng)大的外負(fù)荷，出現(xiàn)應(yīng)力峰值和做負(fù)功的單位面積功率峰值，這些肌肉力學(xué)指標(biāo)都提示了腓腸肌的拉傷極易出現(xiàn)在觸地前期，和視頻所呈現(xiàn)的結(jié)果并不一致。這種研究結(jié)果的不同可能與其他學(xué)者提出的運(yùn)動(dòng)員肌肉拉傷反應(yīng)延遲的假設(shè)[18,27,34]有關(guān)，如果運(yùn)動(dòng)員在觸地前期已經(jīng)拉傷，那么，也就有可能在蹬伸期承受大負(fù)荷時(shí)感到疼痛而退出運(yùn)動(dòng)。

腘繩?。篠imonsen等(1985)、Wood等(1987)和Yu等(2008)分析了擺動(dòng)期腘繩肌的長(zhǎng)度變化，也發(fā)現(xiàn)其長(zhǎng)度峰值出現(xiàn)在擺動(dòng)末期的快速屈髖(大腿下壓)伸膝階段，此外，上述研究也發(fā)現(xiàn)，腘繩肌的速度峰值出現(xiàn)在擺動(dòng)末期的長(zhǎng)度峰值之后，認(rèn)為擺動(dòng)末期為腘繩肌拉傷的危險(xiǎn)時(shí)期，但腘繩肌在長(zhǎng)度峰值之后的收縮形式必定為向心收縮，僅以長(zhǎng)度峰值和向心收縮狀態(tài)下的速度峰值作為其在擺動(dòng)末期易拉傷的證據(jù)還稍顯單薄[28,32,34]。Thelen等(2005)和Anthony等(2012)通過骨骼肌肉建模軟件分別量化了快速跑時(shí)擺動(dòng)階段和完整步態(tài)中腘繩肌的力量變化，發(fā)現(xiàn)腘繩肌在擺動(dòng)末期也出現(xiàn)了肌力峰值，支持?jǐn)[動(dòng)末期為腘繩肌拉傷的拉傷時(shí)相[13,30]。本研究的結(jié)果顯示，雙關(guān)節(jié)肌腘繩肌(主要指股二頭肌長(zhǎng)頭、半腱肌、半膜肌)的長(zhǎng)度峰值(股二頭肌長(zhǎng)頭達(dá)靜息長(zhǎng)度的112.5%±3.7%)同樣出現(xiàn)在擺動(dòng)末期(標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)80%左右)。其向心收縮速度曲線的3個(gè)波峰分別出現(xiàn)在觸地瞬間、擺動(dòng)中期(伸髖屈膝階段)和擺動(dòng)末期，且3個(gè)峰值沒有顯著的差異。和其他大部分研究結(jié)果一樣[13,30]，本研究的結(jié)果顯示，腘繩肌在整個(gè)擺動(dòng)后期活化程度很高，應(yīng)力峰值(股二頭肌長(zhǎng)頭峰值為：231.7±18.1 N/ cm2)也出現(xiàn)在擺動(dòng)末期(標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)85%左右)。

此外，和擺動(dòng)末期一樣，腘繩肌在支撐前期也處于較高的活化狀態(tài)(圖4)，結(jié)合應(yīng)力和速度的單位面積功率(圖4)看，腘繩肌在擺動(dòng)末期(標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)80%～100%)和支撐前期(標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)0～10%)快速做正功，而整個(gè)步態(tài)做正功的功率峰值出現(xiàn)在支撐前期。雖然腘繩肌在這2個(gè)時(shí)期表現(xiàn)為向心收縮狀態(tài)(做正功，圖4)，但均被很大程度地拉伸(圖2)，這種在被極大拉長(zhǎng)(遠(yuǎn)高于靜息長(zhǎng)度，股二頭肌長(zhǎng)頭峰值高達(dá)靜息長(zhǎng)度的112.5%±3.7%)時(shí)為抵抗強(qiáng)大慣性力矩和外力矩而快速做功狀態(tài)，使其處于被拉傷的風(fēng)險(xiǎn)之中。另外，雖然單純從整塊肌肉的長(zhǎng)度來(lái)看，腘繩肌在擺動(dòng)末期和支撐前期向心收縮做正功，但其相對(duì)于膝關(guān)節(jié)而言卻被拉伸做負(fù)功，雙關(guān)節(jié)在擺動(dòng)末期和支撐前期這種分別對(duì)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)同時(shí)做正功和負(fù)功的復(fù)雜交錯(cuò)狀況也可能是其容易被拉傷的重要原因，也提示應(yīng)進(jìn)一步在肌腱和肌纖維等微觀層面更為深入地探討雙關(guān)節(jié)肌在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過程中拉傷的機(jī)制。

離心收縮是導(dǎo)致肌肉拉傷的重要收縮狀態(tài)[20,21,31,34]，圖3顯示，腘繩肌離心收縮階段主要在標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)40%～80%的屈髖伸膝階段，離心收縮速度的峰值(股二頭肌長(zhǎng)頭峰值為-113.1±7.1 cm/s)也出現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)的70%左右，和Anthony等(2012)[13]的研究結(jié)果類似。腘繩肌離心收縮速度峰值出現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)的50%～80%之間，同時(shí)，腘繩肌在標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)50%～70%出現(xiàn)一個(gè)沖擊波式肌力波峰(圖4)，這就導(dǎo)致腘繩肌在擺動(dòng)期中間階段(標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)60%～65%)出現(xiàn)了腘繩肌做負(fù)功的單位面積功率峰值(股二頭肌長(zhǎng)頭、半腱肌和半膜肌做負(fù)功的功率峰值分別高達(dá)：-202.8±19.6 W/cm2、-184.7±17.4 W/cm2和-90.3±13.3 W/cm2(圖4，表1)，腘繩肌在擺動(dòng)期中間階段(屈髖伸膝)高速離心收縮下快速激活，被拉傷的可能性似乎比擺動(dòng)末期(伸髖伸膝)和支撐前期(伸髖伸膝)更大，Anthony等(2012)[13]研究結(jié)果中的腘繩肌功率曲線呈現(xiàn)了和本研究類似的結(jié)果，但作者未對(duì)此階段加以討論。

股四頭?。汗伤念^肌(主要指股直肌)拉傷常常發(fā)生于足球運(yùn)動(dòng)員和橄欖球運(yùn)動(dòng)員身上[17,24]。訓(xùn)練過程中發(fā)生拉傷的概率相對(duì)較高，大多數(shù)發(fā)生在與球接觸期[24]。在正常快速跑步態(tài)中，雙關(guān)節(jié)肌股四頭肌(主要指股直肌)在擺動(dòng)末期和支撐前期的伸髖伸膝階段和腘繩肌的收縮性質(zhì)相反，為離心收縮(圖3)。在此階段，股直肌的活化程度幾乎為零。而事實(shí)上，在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下尤其在支撐階段，股四頭肌的肌力為零是幾乎不可能的，這種結(jié)果和本研究的研究局限性有關(guān)：本研究中的冗余肌力是將肌力矩通過數(shù)理方法進(jìn)行估算，根據(jù)目前學(xué)術(shù)界的通用做法[13,23,25，30]，將動(dòng)作中拮抗肌的肌力簡(jiǎn)化為零，未能考慮骨骼肌的預(yù)激活和主動(dòng)肌群和拮抗肌群為了固定關(guān)節(jié)等情況下的共收縮。在擺動(dòng)末期和支撐前期，腘繩肌作為主動(dòng)肌活化以產(chǎn)生肌力矩慣性力矩和地面反作用力矩[11]。此時(shí)，股四頭肌作為拮抗肌參與，在正常動(dòng)作情況下被拉傷的可能性較低，故將動(dòng)作中拮抗肌的肌力簡(jiǎn)化為零的研究限制對(duì)本研究結(jié)果影響有限。在擺動(dòng)前期的伸髖屈膝階段，股直肌也表現(xiàn)為離心收縮(圖3)，而整個(gè)擺動(dòng)前期，股直肌作為主動(dòng)肌處于高活化狀態(tài)(圖4)，這也導(dǎo)致其在擺動(dòng)前期的伸髖屈膝階段一直在做負(fù)功，且做負(fù)功的單位面積功率峰值出現(xiàn)在此時(shí)期，這些生物力學(xué)依據(jù)均提示，雙關(guān)節(jié)肌股四頭肌容易在擺動(dòng)前期的伸髖屈膝階段被拉傷。

一般而言，肌肉對(duì)負(fù)荷都有一定的適應(yīng)能力和抵抗能力，而且重復(fù)的負(fù)荷會(huì)使適應(yīng)性得到加強(qiáng)，但面對(duì)重復(fù)過多過重的負(fù)荷，身體的任何部位都會(huì)不斷積累磨損或疲勞而引起肌肉組織、肌腱和韌帶慢性損傷，進(jìn)而使肌體對(duì)外負(fù)荷的適應(yīng)能力和承受能力下降而引起肌肉拉傷。這種快速跑時(shí)下肢肌肉所承受的重復(fù)高負(fù)荷可細(xì)分為一個(gè)完整步態(tài)肌肉所做正功總值和負(fù)功總值。離心收縮是導(dǎo)致肌肉拉傷的重要收縮狀態(tài)[20,21,31,34]，故骨骼肌在一個(gè)完整步態(tài)中，單位面積所做負(fù)功的總和(負(fù)功積累)也是引發(fā)肌肉抵抗力下降而致其拉傷的重要影響因子[13,30]。本研究受測(cè)對(duì)象單個(gè)步態(tài)中，各肌肉單位面積所做正功和負(fù)功的值顯著高于其他單關(guān)節(jié)肌肉，尤其是股二頭肌長(zhǎng)頭、半腱肌、半膜肌、股直肌單位面積做負(fù)功的值分別高達(dá)-6.15±1.27 J/cm2、-3.67±0.58 J/cm2、-3.63±0.65 J/cm2、-2.02±0.33 J/cm2，腓腸肌雖然要低很多，為-0.89±0.16 J/cm2(表1)，但仍然顯著高于其他單關(guān)節(jié)肌，短跑運(yùn)動(dòng)員快速跑時(shí)，單個(gè)步態(tài)較高的負(fù)功積累也是其下肢雙關(guān)節(jié)肌在快速跑時(shí)容易被拉傷的重要原因。另外，從本研究中下肢肌群各肌肉的肌肉力學(xué)指標(biāo)峰值來(lái)看，股二頭肌長(zhǎng)頭、半腱肌、半膜肌、股直肌和腓腸肌的長(zhǎng)度峰值、收縮速度峰值、肌應(yīng)力峰值及單位面積功率峰值均顯著高于下肢其他單關(guān)節(jié)肌(表1)?？焖倥軙r(shí)，由于快速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生較大的慣性力矩和外力矩[4,5,11]，雙關(guān)節(jié)肌抵消上述多環(huán)節(jié)的力矩快速做功所導(dǎo)致的高應(yīng)力值致使其極易被拉傷。

4 結(jié)論

腓腸肌在支撐前期被拉長(zhǎng)的情況下，對(duì)抗較大外負(fù)荷(高應(yīng)力值)離心收縮，且出現(xiàn)做負(fù)功的單位面積功率峰值，拉傷風(fēng)險(xiǎn)極高；腘繩肌在擺動(dòng)末期和支撐前期處于較大程度拉伸且應(yīng)力值高，在擺動(dòng)中期的屈髖伸膝階段快速做負(fù)功(出現(xiàn)單位面積功率峰值)，均易被拉傷；股四頭肌的拉傷時(shí)相為擺動(dòng)前期的伸髖屈膝階段，股四頭肌在此階段一直做負(fù)功且出現(xiàn)做負(fù)功的單位面積功率峰值。雙關(guān)節(jié)肌應(yīng)力峰值、長(zhǎng)度峰值、收縮速度峰值、做負(fù)功單位面積功率峰值和所做負(fù)功的總和(負(fù)功積累)均顯著高于其他下肢單關(guān)節(jié)肌，此外，雙關(guān)節(jié)肌在步態(tài)某些階段的同一時(shí)刻有分別對(duì)兩個(gè)關(guān)節(jié)做負(fù)功和正功的復(fù)雜情況。本研究通過單塊肌肉力學(xué)負(fù)荷相關(guān)指標(biāo)為分析下肢雙關(guān)節(jié)肌肉在快速跑時(shí)拉傷風(fēng)險(xiǎn)提供了生物力學(xué)依據(jù)。

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BiomechanicalAnalysisofWorkCharacteristicsandStrainRisksofBi-articularMusclesinLowerExtremityduringSprinting

ZHONG Yun-jian1，2,LIU Yu2,FU Wei-jie2,WEI Shu-tao2,WU Xie2,LI Qin3

Objective:The aim of this study was to establish models regarding the muscle functions and musculoskeletal system in lower extremity,quantify the changes in muscle length,contraction velocity,muscle stress,muscle power,and total work of the bi-articular muscles during sprinting and analyze the biomechanical characteristics of bi-articular muscle work and strain risks.Methods:the kinematic and kinetic data from elite sprinters were collected.Two models of the muscle functions and musculoskeletal system in lower extremity were built to calculate the changes in the parameters of muscle function in lower extremity.Furthermore,the muscle stress,the power,and the total amount of work done per unit area of a single muscle were also examined combined with the quantification via optimization algorithm.Results and Conclusion:the peak values of muscle stress,muscle length,contraction velocity,and negative muscle power per unit area in bi-articular muscles were significantly greater than other mono-articular muscles.During the early swing of the stride cycle,the gastrocnemius were eccentric contracted to counteract the loads from external forces,and thus reached a maximal negative power.These results indicated that the gastrocnemius were susceptible to injury during the early stance.For the hamstrings,muscle length and muscle stress were higher during the late swing and early stance phases.Besides,the hamstrings performed quick negative work and produced a maximal power during mid-swing.Hence,these periods were identified as the potential phases for hamstring muscle strain injury.The quadriceps performed much negative work and reached a maximal power during the early swing of the stride cycle,whereas the quadriceps were at a high risk of injury in this period of the gait.The negative work done in bi-articular muscles was significantly higher than other mono-articular muscles during a full gait circle.Additionally,during certain phases of gait,the positive and negative work were simultaneously done with bi-articular muscles on two separated joints.This study provided the biomechanical basis for the strain risk of bi-articular muscle during sprinting through a series of related indicators of the mechanical load on single muscle.

sprinting;bi-articularmuscle;strainrisk;biomechanics

1000-677X(2014)11-0060-07

2014-05-04；

：2014-10-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(30871210)。

鐘運(yùn)健(1976-)，男，江西興國(guó)人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)樯窠?jīng)動(dòng)作控制的生物力學(xué)機(jī)制，Tel：(0791)83838791，E-mail：zhong7019442@163.com；劉宇(1959-)，男，河北張家口人，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樯窠?jīng)動(dòng)作控制的生物力學(xué)機(jī)制和體育工程，Tel：(021)51253239，E-mail：yuliu@sus.edu.cn。

1.南昌大學(xué) 教育學(xué)院 體育系,江西 南昌 330031； 2.上海體育學(xué)院 運(yùn)動(dòng)科學(xué)學(xué)院,上海 200438；3.清華大學(xué) 體育部，北京 100084 1.Nanchang University,Nanchang 330031,China；2.Shanghai University of Sport,Shanghai 200438,China；3.Tsinghua University,Beijing 100084,China.

G804.6

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