林宇峰，李海偉，趙鎧澤

（1.龍巖學院體育系，福建 龍巖 364012；2.北京體育大學研究生院，北京 海淀 100842；3.福建省體育科學研究所，福建 福州 351032）

不同著地技巧對膝關節(jié)負荷及其位置影響研究

林宇峰1，2，李海偉2，趙鎧澤3

（1.龍巖學院體育系，福建 龍巖 364012；2.北京體育大學研究生院，北京 海淀 100842；3.福建省體育科學研究所，福建 福州 351032）

目的：探討膝關節(jié)損傷著地技巧對關節(jié)負荷和位置生物力學的影響。方法：選取在校20名女子足球專項學生，來完成兩個預料外的任務（側切和轉身），分別運用兩種著地技術（前腳和后腳著地）。運用重復測量方差分析法，評定每個不同運動任務著地時運動學和動力學參數(shù)的差異。結果：前腳著地技術側切和轉身任務時膝關節(jié)內收力矩顯著高于后腳著地。在側步閃躲側切時，運用后腳著地技術時膝關節(jié)外翻顯著增加，而轉身時，運用前腳著地技術膝關節(jié)外翻明顯。結論：不同的足部著地技術間的生物力學結果有著固有的區(qū)別。前腳著地技術越來越多地影響了膝關節(jié)內收力矩的負荷，也潛在性地對ACL產(chǎn)生了更大的張力。

膝關節(jié)損傷；關節(jié)負荷；ACL；著地技巧

膝關節(jié)是人體結構最為復雜的關節(jié)之一，前交叉韌帶是作為維持膝關節(jié)穩(wěn)定性中核心韌帶之一，尤其容易受損傷［1］，交叉韌帶的損傷更多是發(fā)生在動作的減速階段，特別是膝關節(jié)在屈膝緩沖過程中同時受到矢狀面方向的應力作用更容易發(fā)生［2］。在過去的十年間針對前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）損傷及預防措施的相關報道很多，神經(jīng)肌肉的控制和生物力學風險因素的評估也被廣泛應用［3］。目前，許多研究學者認為在著地緩沖時踝關節(jié)的位置和力矩變化是導致ACL損傷潛在性的生物力學標志［4，5］。也有研究報道ACL損傷通常出現(xiàn)在初與地面接觸時踝關節(jié)在背屈的位置［6］，Cortes等［7］調查了不同的著地技巧導致ACL損傷的發(fā)生規(guī)律，分析研究相關因素，不同的著地技巧對于膝關節(jié)損傷等風險因素的評估是有顯著區(qū)別的［8］。調查研究發(fā)現(xiàn)采用后腳著地時髖關節(jié)和膝關節(jié)屈曲時關節(jié)活動度增加，是前腳撐著地的1.2-2倍［9］。增加關節(jié)活動度是為了適應和減少后腳著地時獲得更大的地面反作用力，其中地面反作用力會引發(fā)較大的股四頭肌力和脛骨近端向前的拉力從而增加前交叉韌帶負荷［10］。后腳著地時所有受試者采用了一個更加直立的下肢姿勢，地面反作用力可以產(chǎn)生相對于膝關節(jié)的力矩，從而使股四頭肌收縮產(chǎn)生一個相反方向的力矩以保持人體的平衡，股四頭肌的收縮將通過膝韌帶使脛骨末端受到向前方向的剪切力。地面的反作用力越大，股四頭肌的收縮力就越大，從而使前交叉韌帶所受的負荷越大。

本研究嘗試在實驗中用一個側步閃躲側切的運動任務和方向改變180度的轉身來復制這個動作。雖然實驗設計的動作與觀察到的側切動作并不完全一致，但是我們可以通過類似的實驗證明，完成側切和轉身運動任務時要求不同的控制機制。研究證明，不同的生物力學風險因素在這些任務中扮演了不同的角色，對關節(jié)負荷和位置產(chǎn)生不同的影響。

1 研究對象及方法

1.1 研究對象

選取北京體育大學女子足球專項學生為研究對象，自愿參加這個研究（年齡=21.02±0.53歲；身高=1.61±0.21CM；體重=55.3±5.37KG）。受試者的篩選包括確認之前沒有ACL的損傷或手術，過去的6個月時間內沒有髖關節(jié)、腰部、膝關節(jié)或踝關節(jié)嚴重的損傷，或者過去2年內沒有進行過此類手術，排除下肢其它任何傷痛或移動困難等癥狀，優(yōu)勢腿是以參加者在踢球時用的腿來定義的，分析時對優(yōu)勢腿進行分析。在數(shù)據(jù)收集之前，實驗步驟經(jīng)過專門審查委員會核準，并與所有受試者簽署了知情同意書。

1.2 實驗器材和測試要求

實驗器材包括：Motion Analysis（美國）數(shù)字影像捕捉分析系統(tǒng)，由8臺攝像機的高速動作采集系統(tǒng)來完成的，數(shù)據(jù)采集頻率1000Hz；通過Kistler 9281CA（瑞士）三維測力臺獲得地面反作用力的數(shù)據(jù)，采集樣本頻率為120Hz。每個受試者都要生成靜態(tài)站立實驗的運動學模型（骨盆、大腿、小腿和足），按照Harris，G.F模型［11］要求在受試者體表相應位置粘貼反光標志點［12］。這個運動學模型是用來測量髖、膝、踝關節(jié)動作軌跡的變化。根據(jù)標準逆動力學分析，對各指標動態(tài)周期變化曲線進行分析，來推算不同著地技巧對關節(jié)負荷和位置的影響，分析運動學參數(shù)和地面反作用力的數(shù)據(jù)，通過整合運算得到關節(jié)立體三維的合力和力矩［13］。

1.3 實驗步驟

受試者穿彈性短褲、緊身內衣和低幫無反光普通運動鞋，在進行數(shù)據(jù)收集前，完成5分鐘熱身和5分鐘的自我拉伸練習。每位受試者的身高、體重等一般形態(tài)指標均有專門人員負責測量。完成熱身運動后，反射標記物貼在身體特定位置上（前后髂嵴、大腿、膝、小腿、腳踝、腳后跟和第五跖骨），這是通過修改后標記物設置來確定［14］。受試者需要在進行側切和轉身任務時使用兩種不同的著地技巧（前腳和后腳），允許受試者在測試前進行三次的預練習。經(jīng)錄像查驗，每個任務收集3次成功實驗。如果受試者不是用優(yōu)勢腿落在測力臺上、失去平衡、沒有用恰當著地技巧完成任務或者沒有按軟件提示完成恰當任務，均算失敗不進行分析，每次試驗要求間歇1分鐘以上休息時間以減少疲勞。

應用計時節(jié)拍器來控制受試者前進速度，受試者必須在與測力臺接觸時達到最低3.5m/s的速度，一個紅外線光束在測力臺前2米并穿過測力臺，當紅外光束被隨機發(fā)送的運動任務（轉身和側切）穿過和阻斷時，電腦應用程序就會被激發(fā)，立即會在受試者前的屏幕上產(chǎn)生投射信號。對于側切任務，受試者以跑開始，并以優(yōu)勢腿落在測力臺上。在完成側切動作時，優(yōu)勢腿的對側足接觸測力臺。跑道有一個約為35度的傾斜角度以提供一個最佳的45度的側切角度。對于轉身任務，受試者以優(yōu)勢腿落入測力臺并轉身180度后跑回開始的位置。前腳著地包括足尖最初接觸測力臺然后再為后腳掌接觸。后腳著地時足跟受限接觸測力臺，然后再是前腳掌接觸。髖關節(jié)伸、膝關節(jié)屈（-）；髖關節(jié)屈、膝關節(jié)伸（+）；膝關節(jié)：內翻、內收為（+），外翻、外展為（-）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)的簡化用MATLAB（The MathWorks，Inc.，Natick，MA，USA）使用者設置的程序來輸出測量數(shù)據(jù)進入Excel表格［15］。每個動作需要重復測量3次有效數(shù)據(jù)，再計算出有效平均值，輸出到PASW18.0（IBM Corporation，Somers，NY，USA）進行數(shù)據(jù)分析。用多重比較調整法來調整水平α角度并設定為0.025，著地技巧作為重復因素進行重復測量獨立方差分析來評估運動學和動力學參數(shù)，對每個任務參數(shù)進行不同瞬間的評估。特別是最初接觸時包括：膝關節(jié)屈曲、外翻、髖關節(jié)屈曲、膝關節(jié)屈曲和外展力矩以及后部地面的反作用力；后部地面反作用力峰值包括：膝關節(jié)屈曲和后部地面反作用力；站立峰值包括：膝關節(jié)屈曲、外翻角度、髖關節(jié)屈曲、膝關節(jié)屈曲和外展力矩。垂直地面反作用力峰值同樣進行測量。支撐相定義為從最初接觸到足尖離開測力臺，最初接觸時垂直地面反作用力超過10N；站立峰值定義為由最初接觸和50%站立相間確定的最大值。地面反作用力標準化為體重，關節(jié)力矩標準化為體重和身高（Nm/kgm）。

表1 最初接觸時、后部地面反作用力峰值（PGRF）和支撐相變化指標（0）

表2 最初接觸地面時、PVGRF、PGRF和支撐相峰值變化指標（BW*BH）

2 測試結果

2.1 側切任務

當進行側切時，受試者在使用后腳著地技術時擺出直立的姿勢。特別是在足部最初接觸測力臺時用后腳著地技術，膝關節(jié)屈曲角度明顯減?。?41.9± 10.2，-33.3±7，p〈0.001）；膝關節(jié)內部內收力矩減?。?.04±0.05，0.01±0.03，p=0.003），增加膝關節(jié)外翻（-0.8±10.4，-3.2±8，p=0.031）和髖關節(jié)屈曲（48.7±11.4，53.2±9.6，p=0.033）。后腳著地技巧在最初接觸地面時也產(chǎn)生較低的垂直地面反作用力（1.6±0.31，1.3±0.31，p=0.013）和減少的后部地面反作用力（0.25±0.13，0.24±0.12，p〉0.05）（見表2）。站立相峰值時，后腳著地技巧與前腳著地技巧相比，膝關節(jié)屈、伸（-51.3±6.8，-55.3±5.7）和髖關節(jié)屈曲（49±9.6，56.6±7.5）角度顯著增大；由于站立項峰值時膝關節(jié)屈曲角度與著地技巧的功能任務相關不大，沒有統(tǒng)計意義的顯著性變化。

2.2 轉身任務

轉身任務獲得了相似的結果。矢狀面和額狀面力矩變化不明顯，后腳著地技巧膝關節(jié)角度和力矩變化顯著，特別是后腳著地技巧代表了減少膝外翻角度（-12.6±8.1，-7.5±6.9，p〈0.001），膝屈曲（-25.7±7.9，-16.9±6，p〈0.001），膝內收力矩（0.10±0.07，0.011±0.03，p〈0.001），和后部地面反作用力（0.02±0.01，-0.001±0.01，p〈0.001），以及最初接觸測力臺時增加的髖關節(jié)屈曲角度（45.4 ±8.1，49.7±6.8，p〈0.001）。最后，站立峰值，后腳相比于前腳著地技巧得到增加的髖屈曲（57.6±11.9，65.8±11.1，p〈0.001）和減少的膝外翻角度（-13.4 ±8.3，-8.5±8.2，p〈0.001）。

3 討論

3.1 不同的著地技巧對膝關節(jié)位置的影響

目前的研究設計是用來評估兩種著地技巧對下肢運動學和動力學的影響。按照研究最初的假設，后腳著地技巧在完成側切任務時膝關節(jié)外翻角會增大和膝關節(jié)屈曲角會減小。實驗結果在轉身任務中沒有完整觀察到，僅有一個相似點是使用后腳著地時膝關節(jié)屈曲角減少，使用前腳著地技巧時膝關節(jié)外翻角度增大。研究發(fā)現(xiàn)，膝關節(jié)損傷的受試者膝關節(jié)常常會處于外翻位，同時伴有膝關節(jié)內收力矩。不同的著地技巧在兩個任務完成中觀察得到動力學和運動學的區(qū)別，不同的著地技巧代表了不同的力學特征，損傷機制可能是由于著地技巧和任務本質綜合而得到的。

研究還發(fā)現(xiàn)，膝關節(jié)損傷所有受試者不考慮使用哪種著地技巧大都采取了膝關節(jié)外翻位著地，當完成轉身任務時，采用前腳著地技巧時膝關節(jié)的外翻角度明顯增大，已有研究報道過受試者膝關節(jié)處于外翻位時就是受傷的時候，伴隨接觸地面的時間為足跟接觸位［7，16］。膝關節(jié)外翻位與垂直于地面直立位相比，膝關節(jié)損傷的可能性明顯提高。實驗結果顯示，不少受試者在前腳著地前就出現(xiàn)膝關節(jié)外翻位置的變化，發(fā)現(xiàn)損傷甚至出現(xiàn)在前腳著地前，這一結果提示我們不論受試者著地技巧的本質，膝關節(jié)外翻角增大和內部內收負荷增加是導致ACL損傷的潛在因素。髖關節(jié)外展角減少是外展肌離心控制較弱的結果［8］，膝屈時髖關節(jié)外展位的增加量可以通過限制股骨內旋得到代償，使膝關節(jié)避免出現(xiàn)外展位，對降低ACL損傷風險有保護性的效果。

當受試者采用后腳著地完成任務時，與地面最初的接觸瞬間膝關節(jié)處于相對更加伸展的位置。在完成兩個不同任務時，當出現(xiàn)峰值時刻膝關節(jié)屈曲角度相似，膝關節(jié)都會維持在一個相對固定的外翻位。本研究發(fā)現(xiàn)采用前腳著地時更大的膝關節(jié)屈曲角度可能有助于保護膝關節(jié)不至于外翻過度；減少的膝關節(jié)屈曲角度和膝關節(jié)的外翻位同時伴隨內收力矩，綜合作用的結果可能會增加膝關節(jié)內部韌帶的壓力，尤其是增加ACL的負擔。筆者認為，膝關節(jié)的外翻位置變化對于早期了解膝關節(jié)損傷程度具有一定的診斷意義，通過減小膝關節(jié)外翻位和負荷，加上合適的著地技巧，可降低膝關節(jié)損傷的發(fā)生風險。

3.2 不同的著地技巧對膝關節(jié)負荷的影響

研究結果顯示，在進行轉身任務時，對于兩種不同的著地技巧間并沒有產(chǎn)生垂直地面反作用力的顯著變化。但也有研究報道前腳著地的垂直地面反作用力可以達到后腳著地的3.4倍［16］，這個結果有一些讓人驚訝。比較兩個實驗中的差異的原因主要是采用了不同的方法練習，前者是采用了從箱子上縱跳，而后者的主要任務是強調水平動量和最小的垂直動作。在目前的研究中，受試者必須與測力臺接觸并完成減速到快速加速和方向的轉變（側切），或者在一個完整的減速并進行180度的方向變換后再進行加速（轉身）。實驗結果顯示，不同的著地技巧間并沒有影響垂直地面反作用力，或者能解釋垂直地面反作用力變化是不顯著的。

關于這兩種著地技巧，與前腳著地相比，后腳著地技巧的特征為后部地面反作用力增加顯著，在最初接觸地面瞬間膝關節(jié)屈曲角度也會相應減小，這些變化都可能會導致ACL損傷風險提高，這個結果是有意義的。后腳著地會增加后部地面反作用力，理論上是會通過增加近前端脛骨剪切力來增加膝關節(jié)韌帶結構的張力，張力增大會導致脛骨向前的移位，同時導致膝關節(jié)ACL的張力增加。由于減小的膝關節(jié)屈曲角度與最初接觸地面時膝損傷部位重疊和峰值后部地面反作用力相同方向，研究發(fā)現(xiàn)在完成轉身任務時，減少膝關節(jié)屈曲角度和增大地面反作用力，這個力足以導致對膝關節(jié)內部結構產(chǎn)生了負面的影響，還會不斷刺激下肢股四頭肌的活性，其中地面反作用力引發(fā)較大的股四頭肌力和脛骨近端向前的拉力從而增加前交叉韌帶負荷。這一結果也可以通過進行轉身任務時后腳著地技巧，受試者膝關節(jié)僅有20度的屈曲角度來證實［16］。較小的膝關節(jié)屈曲角度會影響髕韌帶的發(fā)力，同時脛骨夾角和前交叉韌帶傾斜角變小都會導致周圍韌帶負荷增大。筆者認為，當直立落地時髖關節(jié)伸展和膝關節(jié)屈曲速度的不一致，髖關節(jié)的運動趨向于伸展時，而膝關節(jié)因緊張而屈曲，交叉韌帶并不是承受膝關節(jié)內、外翻和內旋力矩的主要結構。這個綜合因素會導致膝關節(jié)損傷的發(fā)生率提高。

在支撐相前50%的時間內較小的膝關節(jié)屈曲角度，維持膝關節(jié)的穩(wěn)定主要靠股四頭肌的長頭腱，膝關節(jié)損傷，預示著ACL損傷的幾率就會大幅提升［8］，甚至會導致ACL的斷裂。雖然兩種不同的著地技巧在膝關節(jié)屈曲的整個過程中有些變化，但最大峰值時刻關節(jié)屈曲角度是相似的；實驗結果顯示，最初接觸地面時，峰值后部和垂直地面反作用力，會由于受試者膝關節(jié)的屈曲角度的減小，而導致膝關節(jié)內部所承受的壓力增大，瞬間所表現(xiàn)出ACL張力增加，這些結果與已有的報道一致，證明了進行跳深練習在垂直地面反作用力峰值時，后腳著地技巧的膝關節(jié)屈曲角度明顯小于前腳著地技巧時膝關節(jié)屈曲的角度［17］。

膝關節(jié)損傷不同的著地技巧對下肢關節(jié)負荷和位置均會產(chǎn)生不同的影響，在完成側切任務時，后腳著地技巧使運動員處于一個更加伸展和外展的膝關節(jié)位置，同時膝關節(jié)內收力矩也會增加；當使用后腳著地技巧完成側切任務時，膝關節(jié)屈曲角度減少、內收力矩增大，可潛在地對ACL造成更大的壓力和張力；膝關節(jié)屈曲角度減小不利于股四頭肌長頭肌腱的工作，容易造成脛骨前后方向的移位，同時也會減少ACL張力作用。通過增大的軀干屈曲從而增加髖關節(jié)和膝關節(jié)的屈曲，可能是一個ACL的保護性機制。不同的著地技巧對膝關節(jié)損傷患者自我保護和ACL損傷的預防是相當重要的。

4 結論

（1）不同的著地技巧可改變落地機制，運動學和動力學參數(shù)的差異明顯。膝關節(jié)僅受內外翻和內外旋力矩不大可能引起臨床所見前交叉韌帶單獨的損傷。

（2）完成轉身任務時，使用前腳著地技巧與后腳著地相比潛在的損傷風險性會更大。

（3）完成側切任務時，后腳著地技巧導致了膝關節(jié)處于相對外展和更加伸展的狀態(tài)，使膝關節(jié)內收力矩的峰值增大。

（4）干預手段應該重視下肢力學的著地技巧與任務間的相互作用。

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Influence of Different Landing Techniques on the Knee Joints′load and Position

LIN Yu - feng,et al
（Longyan Institute，Longyan Fujian，364012）

Purpose：This paper aims to discuss the influence of knee injuries on joint load and position biomechanics after changing landing techniques.Method：In the research，twenty female studentsmajoring in football are chosen to finish two unexpected tasks（side dodging and cutting，and turnaround），using front feet touchdown and hind feet touchdown respectively.Repetitive measurement deviation analysis is performed to assess the differences of kinematic and dynamic parameters in every landing technique.Result：when the front feet touch down，adduction torque of the knee joint ismarkedly higher than thatwhen the hind feet touch down（p〈0.001）.In side dodging and cuttingmovement，eversion of knee joint is increasingwhen landed on hind feet.While in turnaround，eversion of knee joint is obvious only when landed on front feet（p〈0.05.Conclusion：there are inherent differences between biomechanical results of different feet touchdown skills.Moreover，front feet touchdown exerts not only an increasing influence on the load of knee adduction torque，but also greater potential tension on the ACL.

knee joint injury；joint load；ACL；landing technique

G804.53

A

1001-9154（2014）01-0074-04

G804.53

A

：1001-9154（2014）01-0074-04

林宇峰（1963-），男，福建龍巖人，副教授，研究方向為運動醫(yī)學。

2013-10-02