楊 辰，曲 峰，萬祥林，楊子涵，王立端

膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶（ACL）損傷是最常見的運(yùn)動損傷之一。足球運(yùn)動是ACL損傷的高風(fēng)險項目，每1 000次比賽中就有0.07～1.08例損傷發(fā)生[1]。同時，59%～70%的ACL損傷患者在日后會表現(xiàn)出膝關(guān)節(jié)炎的影像診斷特征，16%～19%的患者可能出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)炎癥狀，13%～15%的患者則需要進(jìn)行全膝關(guān)節(jié)置換[2]。美國每年僅ACL重建手術(shù)的費(fèi)用就高達(dá)40億美元[3]。但術(shù)后大部分患者也難以恢復(fù)到損傷前的活動水平，同時還普遍存在肌肉力量、本體感覺、平衡能力和神經(jīng)肌肉控制模式上的異常，并且會增加ACL再次損傷的風(fēng)險[4-5]。研究[6]將ACL損傷的危險因素歸納為外在因素（運(yùn)動類型、鞋與場地交互作用、天氣狀況等）和內(nèi)在因素（解剖結(jié)構(gòu)、年齡和性別、激素水平、與生物力學(xué)相關(guān)的神經(jīng)肌肉控制等），過去20年針對ACL損傷的預(yù)防和治療進(jìn)行了大量的研究，但其損傷率仍未降低。

鞋與場地交互面的牽引力被認(rèn)為是造成下肢非接觸性損傷的重要因素。隨著當(dāng)前人造草坪的廣泛使用，國內(nèi)外提出多項評估標(biāo)準(zhǔn)來保證其質(zhì)量和性能[7]。不同的草坪纖維和填充物特性，以及外界環(huán)境等因素都可能影響牽引力作用[8]。而70%的ACL損傷為非接觸性損傷[9]，鞋和場地交互面的牽引力被認(rèn)為是造成這種損傷的重要外部因素[7，10]。研究[11]發(fā)現(xiàn)干燥或溫暖天氣狀況下鞋與場地會產(chǎn)生更高的牽引力，可能是此環(huán)境條件下ACL損傷率升高的原因。另一項針對澳大利亞橄欖球聯(lián)賽的研究也發(fā)現(xiàn)降低人造草坪的牽引力可以降低ACL損傷風(fēng)險[12]。J.W.WANNAP等人[13]則發(fā)現(xiàn)鞋底結(jié)構(gòu)改變引起的交互面牽引力增大也會導(dǎo)致高中橄欖球運(yùn)動員下肢非接觸性損傷數(shù)量的顯著增加。因此，鞋與場地交互面的牽引力過高會增加ACL損傷率。

鞋與場地交互面的牽引力影響ACL損傷的機(jī)制仍不清楚。普遍認(rèn)為人體會通過調(diào)整動作模式來適應(yīng)牽引力不同的交互面，高牽引力交互面會導(dǎo)致人體在完成動作時ACL損傷風(fēng)險增大[14]。有研究[15-16]發(fā)現(xiàn)不同交互面牽引力會影響膝關(guān)節(jié)屈角，還有研究[17-18]發(fā)現(xiàn)牽引力提高會引起變向動作中下肢關(guān)節(jié)力矩的增大，但也有研究[19]并未發(fā)現(xiàn)牽引力會影響下肢的運(yùn)動模式和關(guān)節(jié)負(fù)荷。因此，當(dāng)前研究結(jié)果尚不統(tǒng)一。同時，現(xiàn)階段關(guān)于交互面牽引力的研究多局限于機(jī)械測試[10，20]，或集中在與損傷率有關(guān)的流行病學(xué)調(diào)查[11-13]，少有研究定量運(yùn)動過程中交互面的牽引力，進(jìn)而針對性探討其對損傷生物力學(xué)危險因素的影響。雖然機(jī)械測試操作性和重復(fù)性強(qiáng)，但無法模擬人、鞋、場地三者相互作用的真實情況。因此只有將機(jī)械測試和實際運(yùn)動的生物力學(xué)測試相結(jié)合，才可以更好地分析導(dǎo)致?lián)p傷發(fā)生的根源。

本研究通過對比在不同牽引力作用下男子足球運(yùn)動員完成急停起跳動作時下肢的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特征，確定不同牽引力人造草坪對非接觸性ACL損傷風(fēng)險的影響。本研究的研究假設(shè)為足球鞋與人造草坪交互面牽引力的增大會導(dǎo)致ACL損傷風(fēng)險增加，具體表現(xiàn)為急停起跳緩沖階段地面反作用力水平和垂直分量的峰值力和加載率增加，首次向后地面反作用力峰值時刻的垂直和向后地面反作用力增加、膝關(guān)節(jié)屈角減小、膝關(guān)節(jié)三維力矩增加。

1 研究對象與方法

1.1 受試者

受試者為15名北京體育大學(xué)男性足球?qū)ｍ棇W(xué)生，年齡（24.3±1.5）歲，身高（175.4±3.7）cm，體重（70.3±6.8）kg，鞋碼為歐碼42號，運(yùn)動水平為二級及以上，試驗要求受試者半年內(nèi)無下肢損傷。

1.2 試驗用人造草坪

試驗用人造草坪長0.6 m、寬0.4 m，面積與測力臺大小相等。填充0、0.5及1.5 kg的橡膠顆粒以制造3種不同牽引力的人造草坪，將顆粒均勻鋪撒到人造草坪內(nèi)并壓實，分別命名為草坪a、草坪b和草坪c（見圖1）。

圖1 不同顆粒密度人造草坪Figure1 The Artificial Turfs with Different Particle Densities

草坪a、b、c的牽引力數(shù)據(jù)應(yīng)用S2T2鞋-表面牽引力測試儀（Exeter Research Inc.，Brentwood，NH，USA）測量，數(shù)據(jù)采集頻率為1 000 Hz。測試前將人造草坪固定于地面，保證二者不會產(chǎn)生滑動。將球鞋固定在測試儀的鞋楦上，鞋與鞋楦總重4.75 kg。牽引力測試分為縱向和橫向2個測試，即沿鞋長軸方向牽引和垂直鞋長軸方向牽引（見圖2）。測試過程中垂直方向加載30 kg重量，拖拽速度為0.3 m/s，記錄此過程中相對穩(wěn)定的牽引力數(shù)據(jù)，2個方向分別重復(fù)測試5次。最終計算得到草坪a、b、c橫向與縱向共10次測試中牽引力的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差為（233.7±16.7）、（347.8±5.4）和（414.0±33.9）N，并分別定性為低牽引力、中牽引力和高牽引力人造草坪。

圖2 機(jī)械測試Figure2 Mechanical Test

1.3 數(shù)據(jù)采集

測試前將人造草坪分別固定在2塊測力臺上，形成0.8 m×0.6 m的測試區(qū)域，同時保證測試過程中草坪與測力臺之間不會出現(xiàn)相對滑動。受試者穿著泳褲和統(tǒng)一的足球鞋（球鞋與牽引力測試中所用鞋相同）。充分熱身和熟悉動作后，在受試者兩側(cè)髂前上棘、股骨外側(cè)髁和內(nèi)側(cè)髁、脛骨粗隆、腓骨外踝、脛骨內(nèi)踝，以及第四、五腰椎棘突中點(diǎn)共粘貼13個反光標(biāo)志點(diǎn)。

正式測試要求受試者分別在低、中、高牽引力人造草坪上進(jìn)行急停起跳動作。動作要求受試者距測力臺10 m左右開始助跑，助跑速度為（4±0.3）m/s，在距測力臺1 m左右的位置單腳起跳，著地時雙腳分別落在2塊測力臺上，緩沖完成后盡全力垂直向上起跳（見圖3）。助跑速度通過Newtest Powertimer便攜式激光測速儀（Ele-Products Oy，Tyrn?v?，F(xiàn)inland）監(jiān)控。每名受試者分別在3種牽引力草坪上完成3次有效測試，有效測試定義為受試者按要求完成動作，且信號采集完整。

圖3 急停起跳動作Figure3 Stop-jump Task

受試者體表標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)通過8鏡頭Motion Analysis Raptor-4運(yùn)動捕捉系統(tǒng)（Motion Analysis Corporation，Santa Rosa，CA，USA）采集，采樣頻率為200 Hz。地面反作用力通過2塊Kistler 9281CA測力臺（Kistler Instrumente AG，Winterthur，Switzerland）采集，采樣頻率為1 000 Hz。同步采集急停起跳過程中的三維坐標(biāo)和地面反作用力信號。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用截斷頻率為13.3 Hz的Butterworth低通濾波對13個反光點(diǎn)的原始坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理[21]，地面反作用力數(shù)據(jù)不進(jìn)行平滑處理。使用兩側(cè)髂前上棘和第四、五腰椎棘突中點(diǎn)的坐標(biāo)計算髖關(guān)節(jié)中心[22]，分別使用股骨外側(cè)髁和內(nèi)側(cè)髁坐標(biāo)的中點(diǎn)，以及腓骨外踝和脛骨內(nèi)踝坐標(biāo)的中點(diǎn)計算膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)中心。通過髖關(guān)節(jié)中心、膝關(guān)節(jié)中心和股骨外側(cè)髁的坐標(biāo)建立大腿坐標(biāo)系，通過膝關(guān)節(jié)中心、踝關(guān)節(jié)中心和腓骨外踝的坐標(biāo)建立小腿坐標(biāo)系。

地面反作用力水平分量為地面反作用力在前后和左右方向上的合力，加載率為峰值力除以著地時刻至峰值力時刻的時長，分別對二者進(jìn)行體重標(biāo)準(zhǔn)化后單位記為BW和BW/s。膝關(guān)節(jié)三維角度定義為小腿坐標(biāo)系相對于大腿坐標(biāo)系轉(zhuǎn)動的卡爾丹角，三維力矩通過逆動力學(xué)的方法獲得[23]，對力矩進(jìn)行體重和身高標(biāo)準(zhǔn)化后單位記為BW·BH。急停起跳支撐期定義為為足首次接觸測力臺到足首次離開測力臺，其中足著地時刻到膝關(guān)節(jié)屈曲最大時刻為緩沖階段。確定每名受試者在每次測試緩沖階段優(yōu)勢側(cè)的地面反作用力水平和垂直分量的峰值力和加載率，以及首次向后地面反作用力峰值，及該峰值時刻下的垂直地面反作用力、膝關(guān)節(jié)三維角度和力矩。優(yōu)勢側(cè)為受試者習(xí)慣用于踢球的一側(cè)。所有數(shù)據(jù)通過Cortex 2.6.2.1169（Motion Analysis Corporation，Santa Rosa，CA，USA）、Excel 2013（Microsoft，Redmond，WA，USA）和MATLAB R2009a（The MathWorks Inc.，Natick，MA，USA）進(jìn)行處理。

1.5 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)動員在急停起跳緩沖階段的地面反作用力峰值和加載率、膝關(guān)節(jié)三維角度和力矩作為因變量，通過單因素重復(fù)測量方差分析（one-way ANOVA with repeated measures）確定牽引力對各因變量的影響，后繼兩兩比較采用LSD法。一類誤差概率≤0.05被認(rèn)為具有統(tǒng)計學(xué)意義，使用SPSS 17.0（IBM，Armonk，NY，USA）完成本研究所有統(tǒng)計分析。

2 結(jié) 果

在急停起跳緩沖階段，單因素重復(fù)測量方差分析表明牽引力只對地面反作用力在水平方向上的峰值力（P=0.015）和加載率（P=0.019）有顯著影響，而對垂直方向無顯著影響（P≥0.851）（見圖4，圖5）。對于地面反作用力水平分量的后繼檢驗顯示，低牽引力草坪在峰值力（P=0.010，P=0.003）和加載率（P=0.005，P=0.022）上均小于中牽引力和高牽引力草坪。

在首次向后地面反作用力峰值時刻，單因素重復(fù)測量方差分析表明牽引力對向后地面反作用力（P=0.002）、膝伸力矩（P=0.002）和膝內(nèi)旋力矩（P=0.019）有顯著影響，而對垂直地面反作用力（P=0.296）、膝內(nèi)收力矩（P=0.646）、膝屈角（P=0.528）、膝外展角（P=0.244）和膝外旋角（P=0.074）均無顯著影響（見表1）。后繼檢驗顯示低牽引力草坪上的向后地面反作用力小于中牽引力（P=0.014）和高牽引力草坪（P=0.013），低牽引力草坪上的膝伸力矩小于中牽引力（P=0.023）和高牽引力草坪（P=0.001），低牽引力草坪上的膝內(nèi)旋力矩小于中牽引力草坪（P=0.007）。

圖4 牽引力對緩沖階段地面反作用力峰值的影響Figure4 The Effects of Traction on Peak Ground Reaction Force During Landing Phase

圖5 牽引力對緩沖階段地面反作用力加載率Figure5 The Effects of Traction on Loading Rate of Ground Reaction Force During Landing Phase

表1 牽引力對首次向后地面反作用力峰值時刻生物力學(xué)參數(shù)的影響Table1 The Effects of Traction on Biomechanical Characteristics at Peak Impact Posterior Ground Reaction Force

3 討論與分析

本研究希望通過對比男子足球運(yùn)動員在不同牽引力人造草坪上進(jìn)行急停起跳時下肢的生物力學(xué)特征，探討交互面牽引力導(dǎo)致ACL損傷的可能原因。雖然先前也有研究探討了鞋與場地交互面牽引力的改變對運(yùn)動員生物力學(xué)特征的影響，但大部分研究集中在鞋底結(jié)構(gòu)的改變[17，19]，忽視了場地因素的重要性，而場地條件的改變對交互面牽引力的影響可能起到更大作用。同時，前人[7，15，18]研究主要針對變向動作進(jìn)行分析，而急停起跳的動作形式在足球運(yùn)動中也較為常見，并且是非接觸性ACL損傷的高風(fēng)險動作之一[24]。本研究結(jié)果表明隨著足球鞋與人造草坪交互面牽引力的增大，非接觸性ACL損傷的危險因素[7，25]水平增加，因此可能增加足球運(yùn)動員ACL損傷的風(fēng)險。具體表現(xiàn)為：運(yùn)動員在急停起跳過程中，提高足球鞋與人造草坪交互面的牽引力增大了緩沖階段地面反作用力在水平方向上的峰值及其加載率，并增大了首次向后地面反作用力峰值時刻的向后地面反作用力、膝伸力矩和膝內(nèi)旋力矩。

本研究結(jié)果部分支持了提高交互面牽引力會增大急停起跳緩沖階段地面反作用力峰值和加載率的研究假設(shè)。本研究發(fā)現(xiàn)在急停起跳緩沖階段，牽引力的提高增大了地面反作用力在水平方向上的峰值。C.MüLLER等人[26]通過改變鞋釘類型降低了交互面牽引力，并發(fā)現(xiàn)牽引力降低會減小轉(zhuǎn)向動作中地面反作用力水平分量的峰值，這也支持了本研究的結(jié)果。本研究采取向人造草坪填充橡膠顆粒的方式來改變其牽引力作用，當(dāng)填充密度較大時，顆粒間的相互作用更穩(wěn)定，且鞋釘可以更多的插入到顆粒填充層，此時足部更易被“固定”在草坪上，從而使地面反作用力在水平面上的分量增加。研究[27]表明非接觸性ACL損傷更易發(fā)生在急停起跳動作的著地緩沖階段，該階段脛骨可能承受更大的水平剪切力。因此，在緩沖階段相對較大的地面反作用力水平分量可能增加非接觸性ACL損傷的風(fēng)險。本研究未發(fā)現(xiàn)不同牽引力草坪對急停起跳緩沖階段地面反作用力在垂直方向上的影響，可能因為隨著顆粒密度的增加，填充層加厚，這也提高了草坪在垂直方向上的緩沖性能。本研究并未定量和分析不同顆粒密度人造草坪的緩沖性能，而其改變是否會對試驗結(jié)果造成影響也尚不確定，需在今后的研究中進(jìn)一步調(diào)查。

加載率反映了力和時間的相對關(guān)系，也被認(rèn)為是造成下肢損傷的關(guān)鍵因素[28]。在著地緩沖階段，下肢所承受的地面反作用力為被動力，而人體的神經(jīng)肌肉控制系統(tǒng)需要一定反饋時間以對抗此沖擊力。較高的加載率可能意味著在相對較短的時間內(nèi)，人體尚未通過神經(jīng)控制來改變其動作策略以適應(yīng)不同的交互面牽引力，此時伴隨著較大的地面反作用力，則可能導(dǎo)致下肢關(guān)節(jié)負(fù)荷的異常，從而造成非接觸性損傷。本研究發(fā)現(xiàn)在急停起跳緩沖階段，牽引力的提高增大了地面反作用力在水平方向上的加載率，這表明隨著交互面牽引力的增加會導(dǎo)致較短時間內(nèi)產(chǎn)生更大的地面反作用力水平分量，從而潛在增加了ACL損傷的風(fēng)險。

本研究結(jié)果部分支持了交互面牽引力的改變會影響首次向后地面反作用力峰值時刻的地面反作用力分量、膝關(guān)節(jié)角度和力矩的研究假設(shè)。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)運(yùn)動員處于首次向后地面反作用力峰值時刻，其ACL所承受的負(fù)荷最大，而此時下肢生物力學(xué)特征也被認(rèn)為是非接觸性ACL損傷的危險因素[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，牽引力的提高增大了首次向后地面反作用力峰值，并相應(yīng)增大了該峰值時刻下的膝伸力矩和膝內(nèi)旋力矩。先前研究[13，18，28]也表明交互面牽引力提高會引起地面反作用力和下肢關(guān)節(jié)力矩的增大，這與本研究結(jié)果基本一致。研究[24]認(rèn)為在急停起跳動作中，較大的水平向后地面反作用力作用于人體足部會產(chǎn)生較大的外部膝屈力矩使膝關(guān)節(jié)屈曲，此時人體需要通過神經(jīng)肌肉控制來增大內(nèi)部的膝伸力矩來對抗外部力矩，較大的內(nèi)部膝伸力矩主要由股四頭肌產(chǎn)生，從而增大了脛骨近端向前剪切力，造成ACL負(fù)荷增加，帶來損傷風(fēng)險。同時，標(biāo)本研究[30]發(fā)現(xiàn)雖然脛骨近端的向前剪切力和膝關(guān)節(jié)非矢狀面力矩均為ACL負(fù)荷的影響因素，但單獨(dú)的膝關(guān)節(jié)非矢狀面力矩并不會造成非接觸性ACL損傷，而只有結(jié)合較大的脛骨近端向前剪切力時，膝關(guān)節(jié)非矢狀面力矩才能顯著增大ACL的負(fù)荷。依據(jù)本研究的結(jié)果，結(jié)合先前研究推斷向后地面反作用力峰值時刻膝關(guān)節(jié)力矩的增大可能會增大ACL的負(fù)荷，因此認(rèn)為提高交互面牽引力會增大非接觸式ACL損傷的風(fēng)險。

本研究結(jié)果未支持提高交互面牽引力會減小首次向后地面反作用力峰值時刻膝關(guān)節(jié)屈角的研究假設(shè)。有研究[15-16]發(fā)現(xiàn)交互面牽引力會影響側(cè)切運(yùn)動中膝關(guān)節(jié)屈角，這與本研究結(jié)果不一致。ACL主要功能是限制脛骨相對于股骨前移，因此施加于脛骨近端的向前剪切力是影響ACL負(fù)荷的主要機(jī)制，而膝關(guān)節(jié)屈角是影響脛骨近端向前剪切力的重要因素[31]。標(biāo)本研究[30]表明相同的向前剪切力加載到膝關(guān)節(jié)時，膝屈角度越小，則ACL負(fù)荷越大。計算機(jī)模擬也表明在股四頭肌等長收縮時，膝屈角度減小會導(dǎo)致ACL負(fù)荷增大[32]。因此，著地階段膝屈角度是影響ACL損傷的重要因素。本研究雖未發(fā)現(xiàn)膝屈角度減小，但伴隨著地面反作用力和膝伸力矩的增大，受試者也沒有通過更大的屈膝來減緩關(guān)節(jié)負(fù)荷的增加，這也可能潛在導(dǎo)致了ACL損傷風(fēng)險的增高。同時，膝關(guān)節(jié)角度未受牽引力的影響可能與動作控制的適應(yīng)性有關(guān)。研究[33]發(fā)現(xiàn)想要改變橄欖球選手在人造草坪上固有的運(yùn)動模式，至少需要6個課程的時長使其適應(yīng)。另一方面，本研究只在測力臺范圍內(nèi)鋪設(shè)了人造草坪，因此運(yùn)動員只在較短的支撐時間內(nèi)才受到不同牽引力的影響，此時神經(jīng)系統(tǒng)可能沒有足夠時間來向膝關(guān)節(jié)附近的肌群提供反饋，也不足以使運(yùn)動員主觀感覺到交互面牽引力的改變而調(diào)整其運(yùn)動策略。

本研究只在控制良好的試驗室環(huán)境中進(jìn)行測試，不同牽引力人造草坪對實際訓(xùn)練和比賽中下肢生物力學(xué)參數(shù)的影響，以及對ACL損傷率的影響仍然未知，今后需要加入真實環(huán)境下交互面牽引力的研究。本研究另一個潛在限制是所招募的受試者為男性足球?qū)ｍ棿髮W(xué)生，考慮到不同性別、年齡段和運(yùn)動水平的人群可能存在不同的神經(jīng)肌肉控制策略，因此無法確定其他群體是否也會產(chǎn)生相似改變，今后研究需要擴(kuò)大受試群體的范圍。

4 結(jié)論與建議

鞋與人造草坪交互面牽引力主要從地面反作用力和關(guān)節(jié)力矩等動力學(xué)指標(biāo)上影響男子足球運(yùn)動員在急停起跳過程中非接觸性ACL損傷風(fēng)險，隨著牽引力的增大，非接觸性ACL損傷風(fēng)險增大。同時，隨著地面反作用力的增大，男子足球運(yùn)動員在急停起跳的制動過程中并未通過增大膝關(guān)節(jié)屈角來進(jìn)行有效緩沖，這也可能潛在增大ACL損傷的風(fēng)險。

本研究建議今后應(yīng)控制人造草坪的牽引力在合理范圍內(nèi)。同時，不同牽引力人造草坪對膝關(guān)節(jié)負(fù)荷的影響可能主要源于地面反作用力在水平方向上的改變，因此，為了減小運(yùn)動損傷的風(fēng)險，本質(zhì)上需要找到有效降低地面反作用力水平分量的方法。最后，在運(yùn)動員訓(xùn)練過程中也應(yīng)加強(qiáng)下肢神經(jīng)肌肉控制的相關(guān)練習(xí)，以此改善運(yùn)動員的落地技術(shù)，使其即使在高牽引力交互面上運(yùn)動也可以通過增大膝屈角度的策略來降低ACL的損傷風(fēng)險。

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