体育运动中前十字交叉韧带损伤的可能因素①

高宏图

（中北大学体育与艺术学院体育系 山西太原 030051）

体育运动中前十字交叉韧带损伤的可能因素①

高宏图

（中北大学体育与艺术学院体育系 山西太原 030051）

分别选择男女运动员各10名做变向跑运动（n=10次），记录其触地初期的髋、膝和踝的关节角度以及膝外展力矩，并对主要的性别影响因素做了方差分析。研究结果表明，女性的标准化膝外展力矩显著大于男性。初始髋关节弯曲和内侧旋转越大，则外展力矩的峰值越大；初始的膝外展角度越大，外展力矩的峰值越大。

前十字交叉韧带 变向跑 膝外展力矩

1 引言

前十字交叉韧带（ACL）损伤是一种常见的膝关节损伤。据统计，在篮球项目中，大约70%左右的ACL损伤发生在起跳落地和做变向运动过程中[1]。此外，有研究表明，女性的ACL损伤发生几率是男性的237倍[2]。ACL的损伤可导致骨关节炎以及膝关节退化的发生，但是我们又不能要求运动员在激烈的对抗中降低这些运动的强度，因此，必须了解造成损伤的原因来有效的预防损伤的发生。本研究的主要任务是分析下肢关节的姿势在变向跑触地初期和随后的外展力矩峰值之间的关系。另一个目的是考察这些关系中性别差异的潜在因素。

2 实验对象和方法

2.1 实验对象

选择体育系运动训练专业男女学生各10名作为受试者。受试者均没有下肢关节损伤或手术史，表1为受试者情况概要。

2.2 实验方法

每位受试者进行十次变向跑运动，并记录右侧下肢的三维运动学数据和三维地面反作用力。要求变向跑时，蹬转腿踏在在测力台的中心（AMTI OR6－5＃4048），蹬转方向要求与运动初始方向保持35°到55°之间，用地上的标志线将这一范围区分开。要求受试者变向跑的距离为5步远。所有动作由4台高速摄像机进行拍摄，拍摄频率为120Hz。运动速度要求在4.5m/s-5.5m/s。

2.3 数据分析

首先，通过Mocap Solver6.17软件生成运动学模型，此模型包括5个骨性环节（脚，踝，小腿，大腿以及骨盆）和14个自由度。其中，骨盆定义为6个自由度，髋关节，膝关节和踝关节被分别定义为3个，3个和2个自由度。记录得到的标志点轨迹用Mocap Solver软件处理得到。这些运动学数据与三维地面反作用力数据，通过三次样条平滑进行低通滤波处理，截断频率为18Hz。

环节间的三维力和力矩通过滤波后的运动学和地面反作用力参数，利用逆向动力学方法求得。环节间的力矩表示为相对于膝关节坐标系的屈-伸、外展-内收和旋内-旋外力矩。关节载荷表示外力施加于膝关节的载荷。例如，“膝外展力矩”表示使膝趋于外展的外部载荷。

2.4 统计处理

本文通过双样本t检验的方法来考察外展峰值力矩的性别差异。每个受试者的线性回归斜率（n=8）也同样进行双样本t检验，来确定是否平均斜率的值明显不为零，以及是否不同性别具有显著性差异。对于所有统计学分析，用α水平P=0.05来检验统计学意义。

3 结果

所有受试者的膝关节外展力矩的最大值都出现在变向跑支撑期，这一峰值通常出现在支撑期的前20%阶段。而从图1我们可以看出，女性的标准化外展力矩峰值（0.58Nmkg-1m-1）显著大于男性（0.32Nmkg-1m-1）。

另外，标准化外展力矩峰值与触地初期髋关节外展-内收、旋内-旋外以及膝关节外展-内收相关，每组的相关性服从平均斜率显著（P<0.05）不为零。特别是较高的外展载荷峰值分别与较高的初始髋屈曲，髋旋内和膝外展三种姿势相关（图 2）。

从图2我们可以看出，标准化外展峰值与髋关节内收-外展、旋内-旋外和膝关节内收-外展之间相关性的平均斜率值，男女之间存在显著性差异。与男性比较，女性的外展峰值更易受到初始接触姿势的影响，也就是说，女性着地姿势的微小变化会导致外展力矩发生较大改变（图2）。

4 讨论

在变向跑支撑期所发现的膝关节内收-外展力矩形式与先前关于相同运动的报道相一致[3]。先前的研究中，只分析了女性的外展力矩数据，平均化并分析了三个不连续的支撑时段，这使得直接与本研究的数据进行比较变得困难。如果我们将相同支撑时段的男性数据进行平均处理，我们可以看到平均外展力矩的值与之前的研究报道相同[4]。值得注意的是，支撑初期女性受试者的平均外展力矩显著高于男性（见图1）。这种性别之间的差异可能是造成ACL损伤的主要诱因，以下是进一步的检验。

本研究中的女受试者变向跑期间的标准化外展峰值力矩显著高于男性。这一结果是变向跑时外展载荷存在性别差异的一个证据，这与其他运动项目，如跑步[5]和起跳-落地[6]中的发现相一致。虽然还没有相同的预测数据，但在正常变向跑运动期间增加的膝关节外展也可以称为ACL损伤风险的一个预示，对于女性这种风险更高。

膝关节外展力矩峰值与变向跑触地初期髋关节屈曲，内旋位置相关，并且与后者的相关性更高。先前的研究表明[7]，在单腿下蹲和跑步运动中，髋关节神经肌肉控制会影响膝关节外展运动和外展载荷。我们在研究中没有控制初始运动学条件，因此也就不可能解释产生这些变量与外展峰值力矩的原因以及它们之间关系的作用。通过对变向跑的正向动力学模拟，可以选择性的修改初始运动学条件，更深入的进行了解。但是无论如何，在变向跑期间，外展峰值力矩与髋关节屈曲和内旋转位置之间总存在一种直接的关系。这一关系的本质机理需要做进一步的工作来了解。

表1 受试者基本情况统计

图1 不同性别变向跑支撑期的膝关节外展力矩

图2 不同性别变向跑支撑期的力矩参数回归线示意图

值得注意的是，虽然所发现的男女之间平均回归斜率数据在统计意义上差异显著，但这些数据在样本间的合理变化中，两个性别组中都很明显（见图2）。例如，一些男性，同样其外展力矩对触地初始髋关节旋转角度非常敏感，因此同样存在潜在的有害外展力矩的风险。相反，一些女性表现出与之相反的结果。如果通过外展载荷机制证明触地初期髋关节转动位置确实与ACL损伤风险有关，那么，以后对于这一关系的分析将不应该仅仅针对女性。而且，通过这一机制，针对降低ACL损伤风险的神经肌肉训练方案应致力于加强男性和女性下肢肌肉力量和肌肉控制，尤其是在髋关节处。

本研究的局限性在于，在一个相对小的切角区间，将接触初期关节角度与变向跑支撑期的外展峰值力矩相联系。以这样的方式来限制切角区间，对实施这些动作的连贯性程度会产生影响，继而影响到一些受试者的相关力量。考虑到初始关节角度的组间变量在不同受试者之间的差别很大（见图2）。但如上文提到，一些受试者的初始接触关节姿势必定要更稳定，源于增加的膝关节外展力矩对这些参数的敏感性。不管怎样，下一步的工作将得益于在更大范围内的变向跑中，或者在各种运动任务中，对起始关节姿势和外展力矩之间的关系的考察。

5 结论

本研究考察了变向跑接触初期下肢运动学特性与支撑期外展力矩之间的关系，以此来研究这些因素与男女ACL损伤风险之间的潜在关系。基于本研究，得出以下结论：

(1)在变向跑支撑期，女性表现出比男性更高的标准化外展峰值力矩；

(2)触地初期，髋关节屈曲、内旋和膝关节外展位置越大，外展峰值力矩就越大；

(3)变向跑时，与男性比较，女性的外展峰值力矩更容易受触地初期髋关节内旋和膝关节外展偏移的影响。

(4)增加变向跑时髋关节神经肌肉控制，可能会通过外展载荷机制降低ACL损伤的风险，尤其对于女性来说。

[1]Agel, J., Arendt, E.A., Bershadsky, B.Anterior cruciate ligament injury in national collegiate athletic association basketball and soccer[J].Sports Med,2005(33):524～531.

[2]敖英芳,于长隆,田得祥,等.女运动员前交叉韧带损伤调查分析[J].中国运动医学杂志,2000,19（4）:387～388.

[3]苏玉林,李瀚君,于冰,等.前交叉韧带易伤动作的下肢运动生物力学分析[J].体育学刊,2009（8）.

[4]Besier, T.F., Lloyd, D.G., Cochrane, J.L., Ackland, T.R.,External loading of the knee joint during running and cutting maneuvers. Med. Sci. Sports Exer[J].2001（33）：1168～1175.

[5]刘卉,苏玉林,于冰.非接触性前交叉韧带损伤特点及机制的研究进展[J].医用生物力学,2008（3）:240～247.

[6]任亚东.手球运动员前十字韧带损伤分析与研究[J].辽宁体育科技,2010（3）：49～50.

[7]Zeller, B.L., McCrory, J.L., Kibler, W.B., Uhl, T.L.Differences in kinematics and electromyographic activity between men and women during the single-legged squat[J].Sports Med,2003（31）:449～456.

G886.9

A

2095-2813（2011）11（b）-0005-02

高宏图（1979-），男，讲师，硕士，研究方向：体育教育训练学。