劉海瑞,傅維杰,伍 勰,郭 黎,吳 瑛
跳躍—落地在體育活動中是最常見的功能性活動,也被相關研究確定為引起非接觸性前交叉韌帶(Anterior Cruciate Ligament,ACL)損傷的一種常見形式。常見的跳躍—落地體育項目包括足球、籃球和排球等,在這些項目中女子運動員出現(xiàn)ACL損傷的概率比男子運動員高2~8倍[3]。前交叉韌帶損傷能誘發(fā)膝關節(jié)其他的病理變化,如膝關節(jié)穩(wěn)定性降低[3],半月板[19]、軟骨的損傷[16]和關 節(jié)炎[37]。盡管已有研究針對前交叉韌帶損傷機制做出了大量卓有成效的研究工作,但其發(fā)病率依然居高不下,并以每年1.3%的增速在跳躍—落地運動中增加[3]。
從生物力學角度而言,落地時較大的膝關節(jié)外翻角度、力矩和較小的膝關節(jié)屈曲角是造成非接觸ACL損傷產生的主要力學機制[16],同時疲勞也是造成上述變化的一個重要原因[6]。然而,近年的流行病學研究報告顯示[21,24,32],下肢損傷出現(xiàn)的偏側性(laterality)可能也是造 成運動員非接觸性ACL損傷的重要誘因,特別是針對女子足球運動員。所謂偏側性或非對稱性,主要表現(xiàn)為人體在參與運動時,身體姿態(tài)表現(xiàn)出的對稱程度,或者自主神經活動時對一側肢體的偏向性[33]。偏側性在神經生理[29]和運動控制[5]上的研究由來已久,但是有關偏側性效應和跳躍落地中的ACL損傷的關系并未得到足夠的重視。
在落地的研究中,多數(shù)的跳躍落地研究都假設下肢是對稱的,且只觀察一側下肢的數(shù)據(jù)來分析與落地有關的損傷風險[18,20],或在單腿落地的研究[20,21]中只選取優(yōu)勢側代表雙側下肢的整體表現(xiàn)。已有研究[11,25,27]注意到在落地運動中下肢存在偏側性效應,如落地時下肢偏側性的研究采用的前跳落地[27]、垂直落地[25,27]和急停起跳落地[11]這幾種不同的落地形式中,落地的下肢都采用了雙腳落地(Double leg landing)的方式。雙側落地任務時下肢的偏側性表現(xiàn)在上述研究中的部分指標得到證實。但是,在單側下肢參與的落地任務時,下肢兩側的偏側性效應生物力學特征鮮見研究者探究,特別是針對女子運動員,其優(yōu)勢腿和非優(yōu)勢腿單腿落地之間的生物力學特征是否存在差異鮮有報道。
基于此,本研究比較女子足球運動員優(yōu)勢腿和非優(yōu)勢腿在單腿落地過程中,運動學、COP變化、動力學特征等的對稱性。評估女子足球運動員在單腿落地任務中偏側性對優(yōu)勢腿和非優(yōu)勢腿的影響。本研究假設如下:單腿落地時下肢的生物力學特征存在偏側性[34],特別是反應在關節(jié)角度、力矩和下肢落地穩(wěn)定性方面的指標。
15名大學女子足球運動員自愿參與落地實驗(年齡20.13±1.09歲,身高1.67±0.064m,體重56.21±5.82 kg),訓練年限9.25±2.14年,其中,國家健將5人,一級運動員和二級運動員各5人。運動員平均每周平均參與5次足球訓練,每次至少2.5h。在過去的6個月沒有下肢的損傷。所有受試者在參與實驗前閱讀,并自愿簽署實驗授權。
2.2.1 優(yōu)勢腿定義
實驗前,運動員被要求盡全力踢球,踢球腿被定義為優(yōu)勢腿[11,27]。本研究中,所有運動員的優(yōu)勢腿均為右腿。
2.2.2 熱身
所有運動員在實驗開始前在跑步機上進行5min的熱身,速度為6.5km/h。
2.2.3 落地測試
落地方式:落地的動作為單腿優(yōu)勢腿(非優(yōu)勢腿)垂直落地,落地高度為40cm(圖1)。分別至少完成5次成功落地。具體動作:受試者要求雙腳與肩同寬,站立在一個水平的臺子上,雙手置于髖關節(jié)兩側。采集開始后,向前邁落地腿,非落地腿快速跟隨致重心前移,盡量確保無垂直的初速下落,落地自然緩沖。落地后,落地腿支持,非落地腿向后自然彎曲至90°。落地過程中,要求落地自然。重心不穩(wěn)定或2次移動、軀干非正常的前傾和晃動都被定義為落地不穩(wěn)定[35]。優(yōu)勢腿和非優(yōu)勢腿落地標準一致。
圖1 本研究實驗采集現(xiàn)場儀器架設和動作示意圖Figure 1.Experimental Set-up and Front &Profile View of the Subject
2.3.1 運動學捕捉系統(tǒng)
采用16臺VICON T40紅外高速攝影系統(tǒng)(Vicon Motion Analysis Inc.,Oxford,UK)對運動學數(shù)據(jù)進行采集(100Hz)。
2.3.2 測力臺
1臺瑞士產 Kistler(Kistler Instruments AG Corp.,Winterthur,Switzerland)三維測力臺(90cm×60cm),型號9287B,外置信號放大器。用來采集(1000Hz)地面反作用力(Ground Reaction Force,GRF)、壓 心 (Center of Pressure,COP)等參數(shù)。
2.3.3 數(shù)據(jù)處理和選取指標
1.數(shù)據(jù)處理采用Visual3D(C-Motion,Inc.,Germantown,MD,USA)計算兩側下肢三維運動學和動力學的數(shù)據(jù),采用右手法則。運動學計算采用Cardan順序(X-YZ)。踝關節(jié)背屈、外翻,膝關節(jié)屈曲、外翻,髖關節(jié)伸展和內翻的角度和力矩定義為負值(-),對應的踝關節(jié)跖屈、內翻,膝關節(jié)伸展、內翻,髖關節(jié)屈曲和外翻定義為正值(+)。
運動學和GRF濾波采用4th-order Butterworth lowpass filter,截止頻率分別為12Hz和100Hz。采用計算程序(VB_V3Dand VB_Tables,The University of Tennessee,Knoxville,USA)確定和檢查C3D導出、截取數(shù)據(jù)的準確性。
2.落地階段定義為從觸地(Initial Contact)開始至膝關節(jié)角度最大屈曲結束。
3.選取指標:
1)下肢關節(jié)活動范圍(Range of Motion,ROM):主要選取髖、膝和踝關節(jié)落地階段矢狀面和額狀面的活動范圍(°)。
2)COP的位移和速度:兩側下肢COP(Center of Pressure)在落地階段的內外(Medial-Lateral)方向和前后(Anterior-Posterior)方向上的移動距離和COP的移動速度比較肢體在落地階段的穩(wěn)定性;COP的位移為觸地至膝關節(jié)最大屈曲階段足前后方向和內外方向的最大位移(單位:cm)。COP位移速度定義為前后方向和內外方向的和除以觸地至最大膝關節(jié)屈曲階段的時間(cm/s)。COP和COP速度均采用運動員的足寬進行標準化[38]。
3)經體重標準化后的最大地面垂直反作用力峰值(GRFmax),單位為:體重(BW);
4)觸地時刻至GRFmax的時間(Time to GRFmax),單位為:秒(s);
5)平均負載率(Loading Rate,LR),單位為:體重/秒(BW/S),具體公式如下:
Loading Rate=GRFmax/Time to GRFmax
6)對稱指數(shù)(Absolute Symmetry Index,ASI):GRFmax和負載率計算下肢落地沖擊,評價兩側下肢的對稱性[13]。具體公式如下:
其中,D為優(yōu)勢腿,N為非優(yōu)勢腿,ASI為0時,表示兩側對稱。ASI比較對稱時,可接受的范圍通常定義為≤10%。
7)通過逆向動力學計算關節(jié)峰力矩(Peak Joint Moment),峰功率(Peak Joint Power)是關節(jié)力矩和落地階段關節(jié)角速度的乘積。力矩和功率分別采用體重進行標準化,單位分別記為:Nm/kg和 W/kg。
選取單腿落地時3次成功動作的平均值,計算受試者兩側運動學和動力學指標的平均值和標準差。采用配對樣本t檢驗(paired t-tests)觀察在單腿落地任務時優(yōu)勢側和非優(yōu)勢側之間的差異,顯著性水平設定為P<0.05,P<0.01為非常顯著。計算Cohen’s d得到Effect Size用來表示數(shù)據(jù)的效度[12]。Da<0.2,0.2~0.5,0.5~0.8和>0.8分別表示效度極低、低、中等和高效度。統(tǒng)計軟件采用SPSS 19.0(Version 19;SPSS,In.,Chicago,IL)。
觸地時刻下肢關節(jié)角度(表1),優(yōu)勢腿和非優(yōu)勢腿所有關節(jié)角度均無統(tǒng)計學差異。關節(jié)活動范圍方面,髖關節(jié)在矢狀面非優(yōu)勢腿活動范圍小于優(yōu)勢腿;膝關節(jié)在矢狀面活動范圍,非優(yōu)勢腿小于優(yōu)勢腿;踝關節(jié)結果與髖、膝關節(jié)一致,但無顯著性差異(圖2)。
表1 本研究單腿落地觸地時刻下肢關節(jié)角度一覽表Table 1 Lower Extremity Joint Angle on Initial Contact
圖2 本研究單腿落地下肢關節(jié)角度活動范圍示意圖Figure 2.Range of Motion in Ankle,Knee and Hip Joint during Single Leg Landing
單腿落地時COP位移和位移速度顯示,單腿落地時非優(yōu)勢腿在內外側的位移大于優(yōu)勢腿(表2),而針對COP位移速度,兩者并無顯著性差異。
表2 本研究單腿落地COP位移和速度變化一覽表Table 2 Center of Pressure Displacement and Velocity during Single Leg Landing
GRF在單腿落地時優(yōu)勢腿和非優(yōu)勢腿分別為3.58±0.56(BW)vs 3.64±0.51(BW),兩側 GRF并無統(tǒng)計學差異(圖3)。觸地至GRF峰值時間和最大負載率顯示兩側下肢并無差異(表3,圖4)。
圖3 本研究單腿落地最大反作用應力值示意圖Figure 3.Maximum Ground Reaction Force in Single Leg landing
GRF和沖擊率對稱指數(shù),GRF對稱指數(shù)(11.31±9.33)和平均負載率對稱指數(shù)(19.28±18.41)均大于10%(表3)。顯示通過計算優(yōu)勢側和非優(yōu)勢側得到的對稱指數(shù),優(yōu)勢側和非優(yōu)勢側在參與單側任務時下肢的動力學參數(shù)并不對稱。
表3 本研究單腿對稱指數(shù)和至GRF時間一覽表Table 3 Symmetry Index and Time to GRFmax on Single Leg Landing
圖4 本研究單腿落地下肢平均負載率示意圖Figure 4.Loading Rate in Single Leg landing
單腿落地時關節(jié)峰力矩和峰功率,下肢關節(jié)峰力矩均無差異(表4)。關節(jié)峰功率方面,髖關節(jié)和踝關節(jié)額狀面均存在差異,即踝關節(jié)額狀面非優(yōu)勢腿峰功率小于優(yōu)勢腿-0.84±0.54(W/kg)vs-1.86±1.68(W/kg),(P=0.02,Da=1.02),髖關節(jié)峰功率非優(yōu)勢腿大于優(yōu)勢腿3.56±1.57(W/kg)vs 2.37±1.53(W/kg),(P=0.02,Da=0.71)。
表4 本研究單腿落地下肢關節(jié)峰力矩和峰功率一覽表Table 4 Maximum Joint Moment and Power during Single Leg Landing
本研究發(fā)現(xiàn),下肢在單腿落地時髖關節(jié)和膝關節(jié)屈伸的活動范圍,COP內外側的位移和落地沖擊的對稱指數(shù)顯示出不對稱。這一結果與Edwards等人的研究結果一致[11,27]。因此,研究結果部分支持原假設,說明女子足球運動員在優(yōu)勢腿和非優(yōu)勢腿單腿落地時兩側下肢存在一定的偏側性,且一側下肢在落地階段的穩(wěn)定性較差。
單腿落地時的關節(jié)活動范圍,優(yōu)勢腿和非優(yōu)勢腿從觸地開始至膝關節(jié)最大屈曲、髖關節(jié)和膝關節(jié)在矢狀面均顯示出顯著性差異,與前人的研究結果一致[30]。女子足球運動員非優(yōu)勢腿較小的關節(jié)屈曲范圍,特別是非優(yōu)勢側髖關節(jié)和膝關節(jié),會導致女子足球運動員落地的姿態(tài)更 “僵直”。這種落地模式可能會導致落地姿態(tài)的不穩(wěn)定。另外,這種僵直的落地姿態(tài)通常也與下肢損傷的產生聯(lián)系緊密[8,39]。優(yōu)勢腿和非優(yōu)勢腿關節(jié)活動范圍的減小可能與兩側下肢的肌肉力量不對稱有關[16],優(yōu)勢腿的肌肉力量通常大于非優(yōu)勢腿[31]。有關肌力的研究證實[23],相比男子運動員和ACL未損傷的女子運動員,有ACL損傷史的女運動員在肌力測試中表現(xiàn)出股后肌群肌力降低。作為膝關節(jié)屈曲的主要肌肉,股后肌群肌力的薄弱可能是非優(yōu)勢腿關節(jié)屈曲降低的一個原因。跳躍落地時關節(jié)屈曲階段增加的股后肌群的肌力能快速減小ACL張力,這主要和動態(tài)運動中四頭肌和股后肌群形成的共收縮機制有關[23]。這種機制會導致關節(jié)屈曲的增加,進而降低ACL損傷的風險。
本研究中的膝關節(jié)的活動范圍明顯高于以往單腿落地研究中[31]的膝關節(jié)活動范圍。這可能與研究中落地高度[4,39]和性別[30]有關。本研究采用的落地高度為單腿落地40cm,而與男子、女子足球運動員[31]相關研究的落地高度為36cm。有研究[4,39]指出落地研究時,落地高度的增加會使下肢關節(jié)的活動范圍和GRF值增大。因此,落地高度和形式可能是造成這些差異的一個重要因素。另外,Ross[31]的研究中踢球腿和支撐腿的數(shù)據(jù)既包含男子足球運動員還包括女子足球運動員,因而,性別的因素也不容忽略。
在觸地時刻的下肢關節(jié)角度,盡管優(yōu)勢腿踝關節(jié)背屈角大于非優(yōu)勢腿,但是下肢關節(jié)無論在矢狀面還是額狀面的角度均無統(tǒng)計學差異。相近的觸地角度表明運動員在觸地階段,無論優(yōu)勢腿還是非優(yōu)勢腿都采用了相同的落地策略。在落地任務中,落地高度和難度是能否誘導出運動員最大能力表現(xiàn)的重要因素[4]。由于研究中的落地高度為40cm,因此,兩側下肢觸地時刻的角度是否會隨著落地高度的增加而表現(xiàn)出差異,不得而知。今后有關優(yōu)勢側與非優(yōu)勢側落地的實驗可考慮高度的變化對下肢落地偏側性的影響。
人體維持身體姿態(tài)穩(wěn)定的能力通常與神經控制緊密聯(lián)系。有效的神經控制在完成特定運動任務時可以體現(xiàn)在穩(wěn)定的姿態(tài)控制能力上[10,28,34,38]。 穩(wěn)定用時(Time to Stabilization,TTS)[34],COP位移,COP位移速度[10,28]和 動態(tài)穩(wěn)定指數(shù)(Dynamic Postural Stability Index,DPSI)[38]常用來評價人體維持姿態(tài)穩(wěn)定的能力。平衡力不足或不穩(wěn)定多表現(xiàn)為COP的分散[15,31]。
女子足球運動員在單側任務落地時的COP位移結果顯示,前后方向的COP移動并無不同。但是,本研究發(fā)現(xiàn)非優(yōu)勢腿在內外側的位移要明顯大于優(yōu)勢腿。非優(yōu)勢腿的移動速度也比優(yōu)勢腿大。以往研究中,COP大都在靜態(tài)[15,31]站立時測得,而本研究計算了單腿落地階段的COP位移和速度,來比較女子足球運動員在單側落地任務中的優(yōu)勢腿和非優(yōu)勢腿的落地穩(wěn)定性。相比優(yōu)勢腿,非優(yōu)勢腿較大的內外側COP位移表示女子足球運動員在落地后非優(yōu)勢腿并不穩(wěn)定。
人體對姿態(tài)的控制主要通過神經中樞對本體感覺的反饋進行響應和調節(jié)[10,31],而較低的穩(wěn)定控制與較差的本體感覺有關。有研究[36]認為,單足姿態(tài)的穩(wěn)定控制不足與下肢損傷發(fā)病率存在一定聯(lián)系,特別是ACL損傷[10]。非接觸性的ACL損傷大都源于降低的關節(jié)屈曲加上較大的膝關節(jié)外展角度和力矩作用于膝關節(jié)導致ACL的負載增大[14]。Durall[10]在研究中提到 COP的變化和膝關節(jié)外展峰力矩存在顯著相關,并認為女子運動員額狀面較大的膝關節(jié)力矩與姿態(tài)控制不足有關。身體姿態(tài)的穩(wěn)定能力除了中樞神經控制和本體感覺的反饋外,還可能與肌肉力量和關節(jié)屈曲范圍有關[23,31]。Yeow[36]的研究指出,單足落地時髖關節(jié)和踝關節(jié)在矢狀面是吸收能量的主要關節(jié),膝關節(jié)主要作用于在額狀面來降低落地沖擊。關節(jié)吸收能量主要通過較大的屈曲范圍來降低沖擊的影響,進而達到維持落地穩(wěn)定。非優(yōu)勢腿在單腿落地時不穩(wěn)定的姿態(tài)會影響下肢的關節(jié)活動和對能量的吸收[30,36]。
基于Durall[10]和 Yeow[36]的研究結論,通過觀察落地階段關節(jié)峰力矩和峰功率,不能排除非優(yōu)勢腿較大的COP位移與非優(yōu)勢腿較大的外翻力矩、額狀面的踝關節(jié)功率之間的潛在聯(lián)系。落地時非接觸性的下肢損傷,特別是膝關節(jié)、踝關節(jié)的扭傷主要是較小的關節(jié)活動范圍,較大的觸地角度加上關節(jié)內外側的扭轉使關節(jié)在落地時不能有效的吸收能量,降低落地沖擊而導致?lián)p傷產生[1,14]。Niu在雙側落地任務中關注了單個關節(jié)(踝關節(jié))的對稱性,并通過EMG信號得出非優(yōu)勢腿在落地時的肌肉活動大于優(yōu)勢腿,因而非優(yōu)勢腿保護機制強于優(yōu)勢腿,且優(yōu)勢腿更容易損傷的結論[25]。在非優(yōu)勢腿單腿落地時的關節(jié)峰功率和COP位移卻顯示非優(yōu)勢腿參與單側落地任務時平衡能力并不優(yōu)于優(yōu)勢腿。因此,研究者認為女子足球運動員的非優(yōu)勢腿在參與動態(tài)落地時內外側較大的位移可能與非優(yōu)勢腿較差的本體感覺、關節(jié)屈曲和肌肉力量控制不足有關[2]。非優(yōu)勢側在參與單腿落地支撐穩(wěn)定時損傷風險要大于優(yōu)勢腿。
靜態(tài)單足平衡測試時,姿態(tài)的控制[31],站立時間[10]和測試(計算)方式[15,34]都會對COP的測試造成影響??紤]到這些因素,本研究在實驗中要求運動員雙手置于髖關節(jié)兩側從而降低落地時手臂對穩(wěn)定控制能力的干擾。
有關落地與ACL損傷的研究[20]顯示,ACL損傷多出現(xiàn)于落地初期,大約為落地后的40~60ms。通常這一時刻也是GRF達到峰值和ACL張力最大的時刻[9]。
以往跳躍落地研究兩側下肢落地時的GRF和至GRF峰值時間的結論并不一致[11,31,36]。以往雙側落地任務的研究認為,在雙側任務時大腦中樞控制對下肢保護機制的激活時同步的,因此,落地沖擊也被隨機分配到下肢的兩側[25]。本研究中,女子足球運動員優(yōu)勢腿與非優(yōu)勢腿單腿落地時至GRF峰值時間、GRF峰值和沖擊率并無差異,表明優(yōu)勢腿和非優(yōu)勢腿在相近時間內承受近似相同的GRF和沖擊率。此結果也與雙側任務單關節(jié)(踝關節(jié))的研究結果相一致[25]。相比優(yōu)勢腿,非優(yōu)勢腿在單腿落地時髖、膝關節(jié)降低了關節(jié)活動范圍,卻承受和優(yōu)勢腿相似的落地沖擊。非優(yōu)勢腿僵硬的落地姿態(tài),與優(yōu)勢腿相似的地面反作用力。這可能是造成女子足球運動員非優(yōu)勢腿落地COP內外側位移大于優(yōu)勢腿的原因之一。落地的不穩(wěn)定也可能是造成女子足球運動員下肢損傷發(fā)病率呈現(xiàn)偏側性的一個依據(jù)[7]。
相比GRF和下肢沖擊率,對稱指數(shù)通常用來評價步態(tài)運動中兩側的對稱性[13],近年來也被采用評價落地時沖擊的對稱性[22]。Milner[22]的研究發(fā)現(xiàn)雙腿落地時,口頭提示將重心均勻分布在兩側下肢時,落地的對稱性要明顯高于沒有口頭提示的雙腿落地,這也暗示了雙側任務落地時下肢偏側性的存在。盡管女子足球運動員優(yōu)勢腿與非優(yōu)勢腿單腿落地時至GRF峰值時間、GRF峰值和沖擊率并無差異,但是,對稱指數(shù)顯示下肢在單腿落地時承受的沖擊并不對稱,特別是沖擊率。沖擊率通常用來表示一定時間內身體對于GRF吸收的快慢,較短的單位時間內身體吸收的能量越多,損傷的風險也就越高[30]。結合優(yōu)勢腿和非優(yōu)勢腿的負載率結果(圖3),計算負載率的ASI,顯示兩側下肢在單腿落地時下肢承受沖擊并不對稱。有關女子運動員在落地觸發(fā)ACL損傷時的視頻分析報告顯示體重在落地時的不均勻分布,進而導致下肢承受沖擊的不對稱是導致ACL損傷的主要因素[26]。因此,在評價落地沖擊的對稱性時,可能單純的GRF,至GRF峰值時間并不一定能解釋落地沖擊對稱與否,對稱指數(shù)也是一個重要的參考指標。
本實驗存在以下不足:1)女子足球運動員優(yōu)勢腿落地和非優(yōu)勢腿落地高度只設定了40cm,增加高度是否會誘導出運動員其他指標的差異不得而知。當落地高度能夠激發(fā)運動員最大運動能力時,運動員會采用足尖-足跟的落地方式保護自己,而在本實驗中,運動員都被要求采用足尖-足跟的落地方式,因此,這種變化可能會改變個別高水平運動員的落地方式。2)落地方式采用了邁步-落地(Step-off Landing)。盡管已經要求運動員在落地過程中控制自身姿態(tài),但是,非落地腿的姿態(tài)和邁步-落地時的速度依然不能精確控制在一定范圍。這可能會對數(shù)據(jù)采集造成干擾。3)實驗受試者全部為女子足球運動員。足球運動員在訓練和比賽中有具體位置的劃分,受試者在試驗中并沒有區(qū)分運動員在參與訓練、比賽中的具體位置。
女子足球運動員的優(yōu)勢腿和非優(yōu)勢腿單腿落地時下肢之間的偏側性在關節(jié)活動范圍、COP和對稱指數(shù)被證明確實存在。這也提示在單側、雙側跳躍落地類和臨床研究中,不能僅選取一側來代表和評價下肢落地時的損傷風險。相比優(yōu)勢腿,非優(yōu)勢腿膝關節(jié)和髖關節(jié)在單腿落地時較小的活動范圍,落地階段內外側方向較大的COP移動以及與優(yōu)勢腿近似相同的GRF和沖擊率,均會增加女子足球運動員非優(yōu)勢腿參與單側動態(tài)運動時的損傷風險。
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