篮球运动侧切与急停ACL损伤的运动生物力学分析

　　前交叉韧带（ ACL） 断裂是体育运动中最常见的、严重的、治疗康复费高的运动损伤之一。美国每年每3 000 人中有 1 人患 ACL 损伤，每年发生 12 万例以上[1].研究表明，一个典型的 ACL 损伤患者进行重建手术的费用平均为 38 121 美元，而康复则花费 88 538美元[2].ACL 损伤还是膝关节炎的重要诱因之一，而膝关节炎可导致患者下肢功能障碍甚至失去运动能力[3].除膝关节炎外，ACL 损伤还是很多其他慢性疾病的诱因。最近一项研究提出据保守估计美国每年治疗 ACL 损伤诱发的慢性疾病的费用超过 17 亿美元[4].约70%的 ACL 损伤属于非接触性损伤[5],即损伤是在运动员之间没有身体接触的情况下发生的[6].

　　目前，大量研究表明与神经肌肉控制相关的生物力学因素可能是非接触性 ACL 损伤的主要危险因素。有研究通过改变运动技术动作或者力量和灵敏性训练以及扰动训练等神经肌肉控制训练有可能降低 ACL损伤的可能性[7].最近的一项研究显示日本高水平女篮球运动员通过损伤预防训练，其 5 个赛季中每1 000 h运动时间的非接触性 ACL 损伤率由 0. 046 减小到 0. 032.

　　了解 ACL 损伤高危群体的高危技术动作特征对确定损伤的危险因素有重要意义。有大量研究表明足球、篮球、橄榄球、排球、手球等运动员是 ACL 损伤高发人群[8 -9],女性 ACL 损伤发生率是男性的 2 ~ 10倍[10 -11].另外侧切和急停起跳动作是非接触性 ACL损伤的高发动作[12].已有大量研究解释了侧切和急停起跳动作中下肢运动的生物力学特征和性别差异[13 -14].Cowley 等[13]报告女篮球运动员垂直落地起跳时具有更大的垂直地面反作用力和较短的支撑时间，而女足球运动员则在侧切动作中表现出这种运动特征。另外，与垂直落地起跳相比，所有女性运动员在完成侧切动作时刚开始接触地面时刻以及地面反作用力最大值时均具有更大的外翻角[13].但是，对同一个受试群体的产生损伤高发动作的侧切与急停起跳是否存在差异以及性别是否与动作之间有一定的关系并未有相关的研究。明确 ACL 损伤高发人群不同技术动作的生物力学特点和性别差异对确定 ACL损伤的危险因素，有目的地制定有效的预防措施，和选择有代表性的技术动作评价预防措施有重要的贡献。

　　本研究的目的是比较男性和女性篮球运动员进行侧切和急停起跳动作中水平向后地面反作用力峰值时刻下肢运动生物力学特征。希望通过此研究验证下列假设： 1） 与急停起跳动作相比，篮球运动员完成侧切动作时下肢具有增加 ACL 危险的生物力学特征； 2） 与女运动员相比，男性篮球运动员在进行 2 种动作中下肢表现出的生物力学使 ACL 损伤危险降低。3） 不同动作对篮球运动员下肢生物力学特征的影响因性别不同而有差异，且篮球运动员下肢生物力学特征性别之间的差异也因动作的不同而有区别。

　　1 研究方法
　　
　　1. 1 受试者 受试者为 25 名男性和 25 名女大学生篮球运动员。所有受试者要求均无 ACL 损伤史，半年内无下肢损伤症状（ 表 1） ,受试者训练年限在 5 年以上。本研究由北京体育大学科学研究伦理委员会审批。所有受试者在数据采集之前都签署了参加研究知情表。【1】

　　
　　1. 2 数据采集 测试时要求受试者在距离测力台 5~ 10 m 处开始助跑，并全力完成侧切和急停起跳动作，每个受试者每个动作均采集 3 次有效数据，动作方案与刘卉等的研究测试方法一致[15].

　　受试者测试时穿着自备运动鞋和统一的紧身衣，在进行足够的准备活动之后身上粘贴反光标志点。

　　反光标志点粘贴的位置参考 Yu 等[16]的研究，分别粘贴在受试者左右侧肩峰点、髂前上棘、股骨大转子以及优势侧的股骨内侧髁、股骨外侧髁、胫骨粗隆、胫骨内踝点、胫骨外踝点和受试者的髂后上棘中点。使用6 镜头红外光点运动捕捉系统 （ Qualisys MCU500,瑞典） 以200 Hz 的采集频率对受试者动作运动学指标进行采集，采集 5 s,标定空间为测力台上方 3. 0 m × 2. 5m × 2. 5 m 的范围。 应用 2 台三维测力台 （ Kistler9281CA,瑞士） 对地面反作用力及相关指标进行采集，采集频率为 1 000 Hz.利用 8 导表面肌电采集系统（ MegaME6000,芬兰） 对受试者优势侧下肢半腱肌、股二头肌、腓肠肌内侧头和腓肠肌外侧头 4 块肌肉进行肌电信号采集，采用频率为 2 040 Hz.在采集过程中，使用一次性胶冻状的表面电极片至于肌腹处，同时电极片放置的方向与肌纤维方向平行[17].为消除肌肉力量差异对测试结果的影响，受试者测试之前先进行3 次最大等长收缩（ MVC） 测试，以便对肌电测试数据进行标准化处理。腘绳肌群 MVC 测试动作为： 要求受试者屈膝 90°坐在椅子上，通过腘绳肌群的收缩屈膝对抗力矩杆，尽全力屈膝，持续 5 s,共进行 3 次测试，每个测试动作之间休息10 s.腓肠肌 MVC 测试动作是要求受试者处于站立位，膝关节和髋关节均保持伸展，听到“开始”口令后，提踵对抗附着在双肩的负重[18].运动学、动力学和肌电学数据的采集由 Quali-sys 系统进行同步触发。

　　1. 3 数据处理 下肢运动学和动力学数据处理方式参见文献[16].根据标志点坐标建立骨盆坐标系、大腿坐标系和小腿坐标系。膝关节角度定义为大腿坐标系和小腿坐标系之间的欧拉角，第 1 次转动围绕 z 轴，获得屈伸角（ 正角为屈） ,第 2 次转动围绕 y 轴，获得内收外展角（ 正角为内收） ,第 3 次转动围绕 x 轴，获得旋内旋外角（ 正角为旋内） .

　　动力学数据则是首先将测得的原始数据进行50 Hz的低通滤波，然后根据测力台坐标系在大地坐标系中的位置关系，将所有测力台数据转换到大地坐标系中进行分析。从而计算地面反作用力点到踝关节中心的水平距离，正数表示地面反作用力点在踝关节中心的前面。膝关节三维力矩通过逆动力学方法计算获得（ MS3D 7. 0 版，MotionSoft,Inc. Chapel Hill,NC,USA） .

　　应用带通滤波方法对原始肌电信号进行平滑，通过频率为 20 ~400 Hz,并采用 15 Hz 进行低通平滑计算肌电信号的线性包络线。肌电线性包络线数据除以该肌肉 MVC 时线性包络线数据，使得肌电数据一般化。取一般化后的半腱肌和股二头肌、腓肠肌外侧和内侧肌肉的的肌电线性包络线数据的平均值作为股后肌群和腓肠肌的肌电线性包络线[19].所有肌电数据的处理采用 MotionSoft MS3D 7. 0 版运动数据处理软件（ MoitonSoft,Inc. ,Chapel Hill,NC,USA） .结合文献[20]确定股后肌群和腓肠肌收缩力的平均值和标准差。

　　1. 4 数据分析 通过统计分析获得下肢运动生物力学指标的偏度和峰度。在此基础上，通过正态性检验（ Shapiro-Wilk 检验） 来确定各参数是否属于正态分布。

　　运用 2 ×2 混合设计的双因素方差分析（ ANOVA）对篮球运动员落地时水平向后地面反作用力峰值时刻的下肢生物力学特征进行动作和性别交互作用检验。性别为独立变量，动作为重复变量。具有交互作用的变量进行分组别后续简单效应检验。其中属于正态分布的参数，运用独立样本 t 检验分析性别间差异，配对样本 t 检验分析动作间的差异； 对于属于伽马分布的参数，则通过 Mann-Whitney 检验比较性别间的不同，Wilcoxon signed-rank 检验分析动作间的差异。

　　所有统计分析都应用 SPSS 18. 0（ SPSS Inc,IL,USA） 软件完成，统计分析的显着性标准定为一类误差概率不大于 0. 05.

　　2 结 果
　　
　　正态分布检验结果表明，所有受试者其膝关节屈角、胫骨前倾角、膝关节内外旋力矩、腘绳肌肌电、腓肠肌肌电以及女篮球运动员膝关节内外翻力矩（ P >0. 05） 属于正态分布。而所有受试者向后地面反作用力（ P <0. 01） 和男性内外翻力矩（ P < 0. 01） 属于伽马分布。压力中心（ COP） 到踝关节的距离虽然拒绝正态分布，但是由于其数值通过零，因此认为该指标仍然属于正态分布。

　　与急停起跳动作相比，所有篮球运动员在完成侧切动作时在地面反作用冲击力峰值时刻支撑腿表现出更小的膝关节屈角（ P < 0. 001） 、更大的外翻角（ P< 0. 001） 和更小的胫骨前倾角（ P < 0. 001） （ 表 2） ,另外还具有更大的水平和垂直地面反作用力 （ P <0. 001） 、伸膝力矩（ P < 0. 001） （ 表 3） 和腓肠肌肌电（ P <0. 001） （ 表 4） .另外，男篮球运动员在完成侧切动作 时 比 急 停 起 跳 更 倾 向 于 足 跟 着 地 （ F1,148=22. 003,P = 0. 000 ） （ 表 2 ） 、外翻力矩更大 （ F1,148=21. 38,P = 0. 000） 、外旋力矩更大（ F1,148= 21. 38,P =0. 001） （ 表 3） 以及腘绳肌肌电更大（ F1,145= 7. 563,P= 0. 007） （ 表 4） .【2】

　　
　　与女篮球运动员相比，男篮球运动员在进行两种动作中表现出更大膝关节屈角（ P <0. 001） 、较小的外翻角（ P <0. 001） 、更大的小腿前倾角（ P < 0. 001） （ 表2） 以及更小的腘绳肌（ P < 0. 001） 和腓肠肌肌电（ P <0. 001） （ 表 4） .此外，男篮球运动员还在完成侧切动作时比女性表现出更大的外翻力矩（ F1,148= 21. 38,P= 0. 000） 和外旋力矩（ F1,148= 21. 38,P = 0. 001） （ 表3） ; 而在完成急停起跳动作中，男篮球运动员比女性倾向于足尖着地（ F1,148= 22. 003,P = 0. 000） （ 表 2）且水平向后地面反作用力小 （ F1,148= 5. 584,P =0. 019） （ 表 3） .【3】

　　
　　3 讨 论
　　
　　研究结果显示所有篮球运动员完成侧切动作时比急停起跳动作具有更小的膝关节屈角 （ 26° vs.32°） .大量文献得出膝关节屈角与 ACL 损伤之间具有密切联系，这些研究通过录像观察[21]或实验测试[22 -23]均提出较小的膝关节屈角（ 0° ~ 30°） 可以使ACL 负荷增大。同时，Yu 等[16]通过计算机模拟方法进一步表明膝关节屈角越小，ACL 负荷越大。另外，还有研究显示篮球和足球运动员在进行侧切动作时比垂直起跳具有更大的膝关节外翻角[24].这些结果似乎表明膝关节损伤跟膝关节外翻角度有关。本研究发现： 篮球运动员在完成侧切动作时外翻角大于急停起跳动作，而这种差异可能与动作本身特征有关，因此对于 ACL 损伤和膝关节外翻角度的关系还应谨慎看待； 在侧切动作中，所有运动员着地时垂直和水平地面反作用力比急停起跳更大，且小腿前倾小； 着地时增大的地面反作用力和小腿前倾，均会使膝关节外部屈曲力矩增大，这就需要通过股四头肌收缩产生膝关节伸展力矩来得以平衡，进而产生一个大的髌腱力，因此会增加作用在胫骨近端的向前剪切力，进而使 ACL 负荷增加[16,23]; 与急停起跳动作相比，运动员在侧切动作中具有更大的腓肠肌肌电（ 1. 0 MVC vs.1. 21 MVC） .一些研究提出腓肠肌肌电的增加可以使胫骨外部屈曲力矩增加，进而使向前剪切力增大。然而，有研究通过模拟方法得出腓肠肌对 ACL 负荷影响不大[25].
　　
　　综上所述，与急停起跳动作相比，篮球运动员完成侧切动作时由于其膝关节屈角更小、所受地面反作用力更大，胫骨前倾更小、腓肠肌肌电更大，因而膝关节伸膝力矩增加，这些侧切和急停起跳动作间下肢生物力学参数的差异也提示我们在完成侧切动作时 ACL 损伤的可能性会更大。

　　研究结果表明与男性相比，女篮球运动员在进行两种动作中表现出更小膝关节屈角，这与以往文献提出的在体育活动中女性膝关节屈角小于男性是一致的[16].另外膝关节外翻角也具有显着的性别差异。

　　女篮球运动员在完成 2 种动作时比男性表现出更小的小腿前倾角，这是由于膝关节外部屈曲力矩的增加，ACL 负荷可能增大，该结果与 Shimokochi 等[26]关于小腿前倾对 ACL 的影响报道一致。另外，如前所述腓肠肌并非 ACL 负荷增大的主要影响因素。目前很多研究[16,19,22,25]通过使用计算机模型和模拟分析腘绳肌肌力对 ACL 负荷的影响。O'Connor[25]提出当膝关节角度小于 22°时腘绳肌群会使 ACL 负荷增大，当膝关节屈角大于 22°时，股四头肌、腘绳肌群和腓肠肌的联合收缩能够 减小 ACL 负荷。Yu 等[16]以及 Lin等[19]研究发现男性膝关节屈角小于 15°，女性膝关节屈角小于 20°时，ACL 负荷随腘绳肌群联合收缩肌力的增加而增加。综上所述，腘绳肌肌力对 ACL 负荷的影响与膝关节角度有关，当膝关节屈角很小时腘绳肌群收缩对 ACL 并不具有保护作用，这也说明腘绳肌肌力可能并非 ACL 负荷增大的主要原因，该结果在一定程度上与 Mias 等[27]进行 6 周腘绳肌肌力离心收缩得到的结果一致。本研究中女性比男性篮球运动员虽然具有更大的腘绳肌和腓肠肌肌电，但这两个参数可能并非造成性别差异的主要因素。因此膝关节屈角和小腿前倾角的性别差异可能是篮球运动员完成两种动作时 ACL 损伤危险性差异的主要因素。

　　本研究结果显示仅男篮球运动员在完成侧切动作时比急停起跳更倾向于足跟着地、外翻力矩和外旋力矩更大以及腘绳肌肌电更大。足跟着地时，膝关节中心比压力中心位置靠前，使垂直和向后地面反作用力均能产生膝关节外部屈曲力矩。另外，足后跟着地使身体质心位于膝关节中心后面，要求有力的股四头肌收缩以及躯干前倾同时平衡过大的外部膝关节屈曲力矩，这样有助于产生一个较大的胫骨近端向前剪切力并可能损伤 ACL,尤其是当膝关节屈曲角度很小时。同时 Lin 等[23]采用随机生物力学模型模拟计算ACL 损伤概率的研究表明，发生 ACL 损伤的生物力学特征之一就是压力中心更靠近踝关节。此外，大量研究表明膝关节外翻力矩对 ACL 负荷影响不大[19,28],有学者提出当膝关节受到向前剪切力作用时，膝关节外翻才会使 ACL 负荷增大[29],还有的学者认为单独的外翻力矩并非是 ACL 损伤的一个主要危险因素[16,23].

　　本研究中男篮球运动员在完成侧切动作时外翻力矩大于急停起跳动作，而这种差异可能与动作本身的特征有关。对于男篮球运动员膝关节外翻力矩以及腘绳肌对不同动作间 ACL 损伤影响的关系还应谨慎看待，而且男篮球运动员仅在完成侧切动作时比女性表现出更大的外翻和外旋力矩。如前所述，这两个参数对 ACL 负荷的影响可能有限。另外，在完成急停起跳动作中，男篮球运动员比女性倾向于足尖着地且水平向后地面反作用力小。刘卉等[15]提出足尖着地可以通过增加踝关节运动幅度等途径增加落地缓冲时间，从而减少地面反作用力，进而降低 ACL 负荷及 ACL损伤的危险。水平地面反作用力对性别的影响与以往的研究一致[10,16].

　　综合以上结果可以看出： 篮球运动员在完成侧切动作时比急停起跳动作 ACL 受力更大。另外女性表现出比男性更容易产生 ACL 负荷增大的动作特征。

　　男女分别进行不同动作时动作特征不同，如仅男篮球运动员在完成侧切动作时比急停起跳更倾向于足跟着地、外翻力矩和外旋力矩更大以及腘绳肌肌电更大； 在完成急停起跳动作时，女性比男性篮球运动员倾向于足跟着地以及较大的水平向后地面反作用力。

　　这些研究结果也提示我们在制定预防 ACL 损伤训练方案时，应根据不同动作和性别针对性地设计训练方式。

　　4 结论与建议
　　
　　4. 1 结论
　　
　　1） 比急停起跳相比，所有篮球运动员完成侧切时具有更小的膝关节屈角和胫骨前倾，更大的水平和垂直地面反作用力以及腓肠肌肌电，因而膝关节伸膝力矩增加，这些差异可能使侧切动作更易导致ACL 负荷增大，发生 ACL 损伤的可能性更大。

　　2） 仅男篮球运动员在完成侧切动作时比急停起跳更倾向于足跟着地、外翻力矩、外旋力矩以及腘绳肌肌电更大，其中足跟着地以及外旋力矩对增加 ACL负荷影响较大，这也表明男性可能比女性进行侧切动作时产生 ACL 损伤的危险因素更突出。

　　3） 与男性相比，女性篮球运动员在完成两种动作时膝关节屈角和小腿前倾角较小，可能是 ACL 损伤危险性性别差异的主要因素。同时显着增大的腘绳肌和腓肠肌肌力也可能会增加女性 ACL 负荷。

　　4） 在完成侧切动作时，男性篮球运动员还表现出比女性具有更大的外翻力矩和外旋力矩； 而在完成急停起跳动作中，男性篮球运动员比女性倾向于足尖着地且水平向后地面反作用力小。

　　4. 2 建议
　　
　　1） 由于本研究仅以大学生篮球运动员作为研究对象，因此其研究结果的推广可能不具有广泛性，比如对不同运动水平、训练背景以及运动项目的如高中运动员或高水平运动员不一定完全适用。因此，对非接触性 ACL 损伤的危险因素，今后需选取更加多样的研究对象（ 如不同年龄、项目以及训练水平）十分必要。

　　2） 研究中分析了侧切和急停起跳动作。尽管这两个动作是 ACL 损伤的高发动作，但是若要了解 ACL损伤的危险因素，分析其他 ACL 损伤的高发动作其下肢运动生物力学特征也至关重要。因此进一步研究可以分析其他 ACL 损伤高发动作，如落地垂直起跳、单脚落地等动作中与 ACL 损伤有关的下肢运动生物力学特征。