側(cè)切動(dòng)作與前交叉韌帶損傷的生物力學(xué)研究綜述

張恒瑞 陸阿明

(蘇州大學(xué)體育學(xué)院 江蘇蘇州 215021)

前交叉韌帶（ACL）損傷，是膝關(guān)節(jié)常見(jiàn)的損毀性創(chuàng)傷。國(guó)內(nèi)外調(diào)查顯示，我國(guó)運(yùn)動(dòng)員ACL 損傷率達(dá)0.47%；美國(guó)每年需要進(jìn)行ACL重建修復(fù)手術(shù)的患者高達(dá)25萬(wàn)例。并且在ACL損傷后，患者會(huì)出現(xiàn)關(guān)節(jié)不穩(wěn)情況，從而誘發(fā)膝關(guān)節(jié)其他相關(guān)的慢性疾病。

研究指出，側(cè)切動(dòng)作是導(dǎo)致ACL損傷的主要?jiǎng)幼鳎醒芯窟\(yùn)用蒙特卡羅，模擬5 種運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)員與普通大學(xué)生的側(cè)切與急停起跳動(dòng)作中ACL 損傷的概率，結(jié)果表明，側(cè)切動(dòng)作更容易導(dǎo)致ACL損傷。由于在側(cè)切過(guò)程中運(yùn)動(dòng)員經(jīng)常需要突然減速和快速改變運(yùn)動(dòng)方向，使膝關(guān)節(jié)處于接近完全伸展?fàn)顟B(tài)下，完成伴有脛骨相對(duì)于股骨的過(guò)度外翻以及下肢角度的變化，同時(shí)在完成爆發(fā)性的動(dòng)作時(shí)，容易產(chǎn)生巨大的地面反作用力，使膝關(guān)節(jié)的骨骼和韌帶承擔(dān)了較大的負(fù)荷，均會(huì)增加ACL 的損傷風(fēng)險(xiǎn)［1］。因此，對(duì)側(cè)切動(dòng)作的相關(guān)生物力學(xué)特征及其影響因素的分析，有助于了解損傷風(fēng)險(xiǎn)高的動(dòng)作特征，更好地闡釋ACL的損傷機(jī)制，為指導(dǎo)訓(xùn)練與競(jìng)賽中預(yù)防ACL的損傷提供一定的參考。

1 側(cè)切角度對(duì)ACL損傷的影響

運(yùn)動(dòng)員成功完成側(cè)切動(dòng)作的主要目的是更好地改變其運(yùn)動(dòng)的方向，從而擺脫防守，達(dá)成進(jìn)攻目的。然而，側(cè)切轉(zhuǎn)向的角度不同，會(huì)改變?nèi)梭w在完成側(cè)切動(dòng)作時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，這些特征的改變很可能會(huì)加重膝關(guān)節(jié)的負(fù)荷，進(jìn)一步提高了ACL損傷的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。

Havens 等人［2］研究發(fā)現(xiàn)，與45°側(cè)切相比，運(yùn)動(dòng)員在完成90°側(cè)切時(shí)具有更大的髖關(guān)節(jié)外展和骨盆旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)活動(dòng)度。因?yàn)樵趥?cè)切的加速階段，運(yùn)動(dòng)員為了完成較大角度的側(cè)切，下肢關(guān)節(jié)會(huì)預(yù)先產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，從而使運(yùn)動(dòng)員的軀干可以轉(zhuǎn)向側(cè)切方向，其目的可能是盡可能減少膝關(guān)節(jié)在矢狀面上的負(fù)荷壓力。膝關(guān)節(jié)屈曲角度的減小，則會(huì)增加股四頭肌對(duì)ACL的拉力。與90°側(cè)切相比，45°側(cè)切具有較高的髖伸力矩，而在矢狀面上，髖伸力矩的增加是相對(duì)有利的，可降低膝關(guān)節(jié)的外翻力矩［3］。

地面反作用力也是不可忽視的潛在影響因素之一，110°側(cè)切比45°側(cè)切具有更高的地面反作用力［4］，與45°側(cè)切相比，90°側(cè)切在減速和改變方向階段，會(huì)導(dǎo)致更大的地面反作用力。部分實(shí)驗(yàn)研究表明，大角度側(cè)切產(chǎn)生的更高地面反作用力，很有可能是由于側(cè)切角度增大時(shí)需要更多的力將身體加以快速轉(zhuǎn)向。

以上研究結(jié)果表明，側(cè)切角度的增大會(huì)影響側(cè)切動(dòng)作的下肢生物力學(xué)特征，產(chǎn)生更大的膝關(guān)節(jié)外翻力矩，更大的地面反作用力。研究認(rèn)為，當(dāng)膝關(guān)節(jié)處于外旋、外翻狀態(tài)時(shí)，由于脛骨剪切力的存在，會(huì)驅(qū)使脛骨相對(duì)于股骨進(jìn)行滑動(dòng)，此時(shí)ACL處于收緊的狀態(tài)，同時(shí)地面反作用力的增大會(huì)導(dǎo)致脛骨前端產(chǎn)生剪切力，ACL 承受的剪切力的增加是ACL 損傷的機(jī)制。因此，側(cè)切角度的增大會(huì)增加ACL 損傷的風(fēng)險(xiǎn)，在側(cè)切動(dòng)作教學(xué)訓(xùn)練中應(yīng)盡量避免過(guò)大的側(cè)切角度。

2 側(cè)切時(shí)腳的著地方式對(duì)ACL損傷的影響

側(cè)切時(shí)腳的著地方式不同也會(huì)對(duì)膝關(guān)節(jié)的負(fù)荷產(chǎn)生影響。根據(jù)人體腳部接觸地面的不同部位，可以將腳的著地方式分為3 種：前腳掌著地、全腳掌著地、腳后跟著地［5］。有研究指出，相比較于前腳掌著地的情況，腳后跟著地會(huì)導(dǎo)致落地后膝關(guān)節(jié)的屈曲活動(dòng)度不足［6］，容易導(dǎo)致ACL 承擔(dān)過(guò)大的負(fù)荷［7］。而前腳掌著地則可以增加膝關(guān)節(jié)的屈曲角度，從而避免膝關(guān)節(jié)出現(xiàn)過(guò)度外翻的情況。與前腳掌落地相比，腳后跟落地的運(yùn)動(dòng)員具有更大的伸展力矩、外展力矩、外翻力矩和脛骨內(nèi)旋力矩。動(dòng)力學(xué)方面，腳后跟落地模式的地面反作用力是前腳掌落地的3.4倍。因此，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員采取腳后跟落地的方式時(shí)，會(huì)導(dǎo)致其形成較大的膝關(guān)節(jié)外翻角度來(lái)吸收垂直方向的地面反作用力［8］。

在執(zhí)行側(cè)切動(dòng)作任務(wù)時(shí)，需要迅速改變前進(jìn)的方向，膝關(guān)節(jié)的負(fù)荷加重，而采用前足落地的模式，可以調(diào)整下肢的力線(xiàn)，避免下肢的負(fù)荷過(guò)大。因此，采用前足著地的模式，可以降低膝關(guān)節(jié)的外翻程度，降低膝關(guān)節(jié)承擔(dān)的負(fù)荷，降低膝關(guān)節(jié)和ACL 損傷的風(fēng)險(xiǎn)。與前足落地相比，在后足落地的情況下，地面反作用力的影響更加顯著，在最初接觸地面時(shí)，膝關(guān)節(jié)的屈曲角度也會(huì)減小，外翻角度、外翻力矩等增加，這些變化可能會(huì)導(dǎo)致ACL損傷的風(fēng)險(xiǎn)增加［4］。

不同的著地方式其生物力學(xué)特征各不相同，與前足落地相比，后足落地所產(chǎn)生的較大地面反作用力主要是由于脛骨向前的剪切力，當(dāng)脛骨前端受到向前的剪切力時(shí)，ACL 受到的張力在膝關(guān)節(jié)處于外翻狀態(tài)下要比膝關(guān)節(jié)處于非外翻狀態(tài)下顯著增加。建議運(yùn)動(dòng)員在執(zhí)行側(cè)切動(dòng)作著地時(shí)盡量采取前腳掌著地的方式，以在一定程度上降低ACL損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

3 不同性別運(yùn)動(dòng)員完成側(cè)切動(dòng)作ACL 損傷的差異

目前大量研究證明了女性運(yùn)動(dòng)員的ACL存在受傷風(fēng)險(xiǎn)高的特征，研究人員調(diào)查發(fā)現(xiàn)，女性運(yùn)動(dòng)員發(fā)生ACL 損傷的頻率遠(yuǎn)超男性運(yùn)動(dòng)員，其中對(duì)足球項(xiàng)目中以性別為變量的流行病學(xué)研究顯示，女性運(yùn)動(dòng)員的ACL損傷風(fēng)險(xiǎn)是男性的3倍。

研究表明，女性運(yùn)動(dòng)員在完成突然性的啟停、轉(zhuǎn)向等爆發(fā)性的動(dòng)作時(shí)，其下肢會(huì)表現(xiàn)出一些容易致傷的生物力學(xué)特征，主要包括了著地時(shí)刻屈膝的角度小、膝關(guān)節(jié)外展角度大，以及髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度較大［4］。在Sigward、Cesar 和Havens 的研究中，他們通過(guò)使用vicon系統(tǒng)分析男性與女性的側(cè)切動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在以45°側(cè)切時(shí)，男性運(yùn)動(dòng)員的膝外翻角度要低于女性，并且膝關(guān)節(jié)外翻力矩也具有顯著性差異。目前，膝關(guān)節(jié)外翻角度、膝關(guān)節(jié)外翻力矩都被認(rèn)為是導(dǎo)致ACL損傷的風(fēng)險(xiǎn)因素。

由此可見(jiàn)，女性運(yùn)動(dòng)員在側(cè)切時(shí)，表現(xiàn)出較小的屈膝角度、較大的膝外翻角度與外翻力矩，股四頭肌的活動(dòng)峰值要高，腘繩肌的活動(dòng)比例低于男性，導(dǎo)致腘繩肌對(duì)大腿四頭肌肌電活動(dòng)量的比率下降。這些特征都有助于脛骨前向移動(dòng)，而脛骨前端受到的向前的剪切力是決定ACL 張力大小的關(guān)鍵。所以，在側(cè)切動(dòng)作的教學(xué)訓(xùn)練實(shí)踐中，需要關(guān)注女性運(yùn)動(dòng)員的后側(cè)鏈肌群的訓(xùn)練，并提醒女性運(yùn)動(dòng)員注意膝關(guān)節(jié)的屈曲角度不要太小。

4 預(yù)期非預(yù)期側(cè)切對(duì)ACL損傷的影響

研究證明，預(yù)期與非預(yù)期的動(dòng)作決策會(huì)直接影響側(cè)切動(dòng)作的損傷風(fēng)險(xiǎn)。Besier研究發(fā)現(xiàn)，與預(yù)期任務(wù)相比，執(zhí)行非預(yù)期任務(wù)時(shí)，膝關(guān)節(jié)的內(nèi)外旋力矩是預(yù)期情況下的2 倍。相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，非預(yù)期的側(cè)切動(dòng)作膝關(guān)節(jié)伸展角度相比于預(yù)期情況大幅增大，并且非預(yù)期側(cè)切的GRF峰值更小，膝關(guān)節(jié)的力矩增加，尤其是內(nèi)外翻力矩與內(nèi)外旋力矩。

當(dāng)膝關(guān)節(jié)的屈曲角度較大時(shí)，關(guān)節(jié)力矩的增加可能會(huì)增加ACL的損傷風(fēng)險(xiǎn)［9］。預(yù)期與非預(yù)期任務(wù)確實(shí)會(huì)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)模式，并且非預(yù)期任務(wù)下執(zhí)行側(cè)切動(dòng)作確實(shí)會(huì)增加ACL損傷的風(fēng)險(xiǎn)［10］。在預(yù)期情況下，人體預(yù)先調(diào)整身體姿勢(shì)，從而最小化膝關(guān)節(jié)的負(fù)荷，而在非預(yù)期情況下，因?yàn)橄リP(guān)節(jié)力矩增大，從而導(dǎo)致人體實(shí)施姿勢(shì)調(diào)整的策略時(shí)間不足，可能會(huì)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)的損傷。非預(yù)期的側(cè)切動(dòng)作會(huì)產(chǎn)生更大的內(nèi)外旋力矩、內(nèi)外翻力矩，同時(shí)運(yùn)動(dòng)員內(nèi)收肌群和伸膝肌群沒(méi)能得到預(yù)激活，膝關(guān)節(jié)得不到肌肉收縮的保護(hù)，呈現(xiàn)外翻和外旋的動(dòng)作模式［9］。

因此，非預(yù)期任務(wù)下膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)模式和較高的地面反作用力會(huì)使ACL 產(chǎn)生更高的損傷風(fēng)險(xiǎn)。這提示，在側(cè)切動(dòng)作的教學(xué)訓(xùn)練實(shí)踐中，需要多注意培養(yǎng)運(yùn)動(dòng)員的瞬間反應(yīng)能力和調(diào)整能力，加強(qiáng)運(yùn)動(dòng)員大腿前后側(cè)肌群的協(xié)調(diào)發(fā)力訓(xùn)練。

5 神經(jīng)肌肉控制能力對(duì)ACL損傷的影響

神經(jīng)肌肉控制是通過(guò)人體的神經(jīng)肌肉控制系統(tǒng)來(lái)激活關(guān)節(jié)周?chē)∪獾膭?dòng)態(tài)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)［11］，而神經(jīng)肌肉控制的差異可以用來(lái)解釋一些運(yùn)動(dòng)員在完成一些動(dòng)作時(shí)的差異。有研究指出，當(dāng)神經(jīng)肌肉控制能力低下或者力量不足時(shí)，很容易導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)損傷的產(chǎn)生［12］。通過(guò)神經(jīng)肌肉的控制實(shí)現(xiàn)的關(guān)節(jié)周?chē)膭?dòng)態(tài)穩(wěn)定性，可以在執(zhí)行動(dòng)態(tài)任務(wù)時(shí)，尤其是側(cè)切動(dòng)作時(shí)，起到保護(hù)膝關(guān)節(jié)的作用。

運(yùn)動(dòng)員在側(cè)切的過(guò)程中，不同的肌肉激活程度會(huì)對(duì)下肢的生物力學(xué)特征產(chǎn)生不同的影響，如果有些肌肉的激活或者肌肉力量減小，則會(huì)增加下肢的損傷風(fēng)險(xiǎn)，所以，神經(jīng)肌肉控制系統(tǒng)的穩(wěn)定可以保護(hù)在執(zhí)行運(yùn)動(dòng)任務(wù)中的膝關(guān)節(jié)。研究發(fā)現(xiàn)，股四頭肌與腘繩肌的共激活對(duì)減少膝關(guān)節(jié)的負(fù)荷，降低ACL 損傷的風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。較弱的腘繩肌收縮并不足以對(duì)抗劇烈收縮的股四頭肌和側(cè)切產(chǎn)生的地面反作用力，從而會(huì)加劇膝關(guān)節(jié)的負(fù)荷，導(dǎo)致ACL 損傷的風(fēng)險(xiǎn)增加。ACL 的損傷與腘繩肌力量、腘繩肌與股四頭肌力量的比值以及雙側(cè)腘繩肌的力量比值有關(guān)。有研究指出，臀大肌和股后側(cè)肌群的力量對(duì)降低ACL 損傷具有重要意義，這是由于臀部肌群可以產(chǎn)生膝關(guān)節(jié)內(nèi)翻力矩，以抵抗膝關(guān)節(jié)的外翻和外展的負(fù)荷。

因此，對(duì)于側(cè)切動(dòng)作而言，下肢肌群主動(dòng)肌與拮抗肌之間的協(xié)調(diào)發(fā)力尤為重要，腘繩肌的激活以及與股四頭肌的共同協(xié)助是避免ACL損傷的重要前提。在側(cè)切動(dòng)作的教學(xué)訓(xùn)練實(shí)踐中，需要注意增強(qiáng)腘繩肌的活性以及肌肉力量，要均衡發(fā)展大腿前后側(cè)肌群的力量，同時(shí)注意強(qiáng)化下肢后側(cè)鏈肌群的訓(xùn)練。

6 結(jié)語(yǔ)

側(cè)切動(dòng)作造成ACL 損傷的因素是多樣的，主要包括內(nèi)部和外部?jī)纱箢?lèi)。外部因素主要有比賽場(chǎng)地、天氣類(lèi)型、地面摩擦系數(shù)等，內(nèi)部因素主要是動(dòng)作的生物力學(xué)特征、人體肌肉的解剖與生理特性等。該文通過(guò)梳理側(cè)切動(dòng)作導(dǎo)致ACL 損傷的內(nèi)部因素相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，其研究方法，仍是通過(guò)動(dòng)作捕捉手段等簡(jiǎn)易分析在側(cè)切動(dòng)作某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的生物力學(xué)特征，根據(jù)側(cè)切時(shí)膝屈曲角度、內(nèi)外翻力矩、肌肉活動(dòng)的變化情況，結(jié)合ACL 損傷的機(jī)制來(lái)探討側(cè)切動(dòng)作對(duì)ACL 損傷的影響。這些內(nèi)部因素導(dǎo)致ACL損傷的共同性在于都表現(xiàn)出了更大的地面反作用力、更大的股四頭肌拉力以及更大的內(nèi)外翻力矩。但對(duì)于側(cè)切動(dòng)作的加速、制動(dòng)以及減速階段的生物力學(xué)機(jī)制研究尚不多見(jiàn)，所以對(duì)于整個(gè)側(cè)切動(dòng)作過(guò)程中的動(dòng)態(tài)研究是當(dāng)前值得關(guān)注的方向。側(cè)切動(dòng)作中ACL的損傷是一個(gè)多種原因綜合的復(fù)雜的損傷，其致傷的因素往往多是同時(shí)存在的，因此預(yù)防側(cè)切動(dòng)作中ACL 的損傷，除了需要加強(qiáng)不同情況下的動(dòng)作技術(shù)訓(xùn)練外，還需關(guān)注膝關(guān)節(jié)周?chē)∪旱膮f(xié)調(diào)發(fā)力，尤其是腘繩肌的激活參與。