单腿落地时优势腿与非优势腿的生物力学偏侧性研究

刘海瑞，傅维杰，伍 勰，郭 黎，吴 瑛

1 前言

跳跃—落地在体育活动中是最常见的功能性活动，也被相关研究确定为引起非接触性前交叉韧带（Anterior Cruciate Ligament，ACL）损伤的一种常见形式。常见的跳跃—落地体育项目包括足球、篮球和排球等，在这些项目中女子运动员出现ACL损伤的概率比男子运动员高2～8倍［3］。前交叉韧带损伤能诱发膝关节其他的病理变化，如膝关节稳定性降低［3］，半月板［19］、软骨的损伤［16］和关 节炎［37］。尽管已有研究针对前交叉韧带损伤机制做出了大量卓有成效的研究工作，但其发病率依然居高不下，并以每年1.3%的增速在跳跃—落地运动中增加［3］。

从生物力学角度而言，落地时较大的膝关节外翻角度、力矩和较小的膝关节屈曲角是造成非接触ACL损伤产生的主要力学机制［16］，同时疲劳也是造成上述变化的一个重要原因［6］。然而，近年的流行病学研究报告显示［21，24，32］，下肢损伤出现的偏侧性（laterality）可能也是造 成运动员非接触性ACL损伤的重要诱因，特别是针对女子足球运动员。所谓偏侧性或非对称性，主要表现为人体在参与运动时，身体姿态表现出的对称程度，或者自主神经活动时对一侧肢体的偏向性［33］。偏侧性在神经生理［29］和运动控制［5］上的研究由来已久，但是有关偏侧性效应和跳跃落地中的ACL损伤的关系并未得到足够的重视。

在落地的研究中，多数的跳跃落地研究都假设下肢是对称的，且只观察一侧下肢的数据来分析与落地有关的损伤风险［18，20］，或在单腿落地的研究［20，21］中只选取优势侧代表双侧下肢的整体表现。已有研究［11，25，27］注意到在落地运动中下肢存在偏侧性效应，如落地时下肢偏侧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］这几种不同的落地形式中，落地的下肢都采用了双脚落地（Double leg landing）的方式。双侧落地任务时下肢的偏侧性表现在上述研究中的部分指标得到证实。但是，在单侧下肢参与的落地任务时，下肢两侧的偏侧性效应生物力学特征鲜见研究者探究，特别是针对女子运动员，其优势腿和非优势腿单腿落地之间的生物力学特征是否存在差异鲜有报道。

基于此，本研究比较女子足球运动员优势腿和非优势腿在单腿落地过程中，运动学、COP变化、动力学特征等的对称性。评估女子足球运动员在单腿落地任务中偏侧性对优势腿和非优势腿的影响。本研究假设如下:单腿落地时下肢的生物力学特征存在偏侧性［34］，特别是反应在关节角度、力矩和下肢落地稳定性方面的指标。

2 研究方法

2.1 研究对象

15名大学女子足球运动员自愿参与落地实验（年龄20.13±1.09岁，身高1.67±0.064m，体重56.21±5.82 kg），训练年限9.25±2.14年，其中，国家健将5人，一级运动员和二级运动员各5人。运动员平均每周平均参与5次足球训练，每次至少2.5h。在过去的6个月没有下肢的损伤。所有受试者在参与实验前阅读，并自愿签署实验授权。

2.2 测试方案

2.2.1 优势腿定义

实验前，运动员被要求尽全力踢球，踢球腿被定义为优势腿［11，27］。本研究中，所有运动员的优势腿均为右腿。

2.2.2 热身

所有运动员在实验开始前在跑步机上进行5min的热身，速度为6.5km／h。

2.2.3 落地测试

落地方式:落地的动作为单腿优势腿（非优势腿）垂直落地，落地高度为40cm（图1）。分别至少完成5次成功落地。具体动作:受试者要求双脚与肩同宽，站立在一个水平的台子上，双手置于髋关节两侧。采集开始后，向前迈落地腿，非落地腿快速跟随致重心前移，尽量确保无垂直的初速下落，落地自然缓冲。落地后，落地腿支持，非落地腿向后自然弯曲至90°。落地过程中，要求落地自然。重心不稳定或2次移动、躯干非正常的前倾和晃动都被定义为落地不稳定［35］。优势腿和非优势腿落地标准一致。

图1 本研究实验采集现场仪器架设和动作示意图Figure 1.Experimental Set-up and Front ＆Profile View of the Subject

2.3 仪器和评价指标

2.3.1 运动学捕捉系统

采用16台VICON T40红外高速摄影系统（Vicon Motion Analysis Inc.，Oxford，UK）对运动学数据进行采集（100Hz）。

2.3.2 测力台

1台瑞士产 Kistler（Kistler Instruments AG Corp.，Winterthur，Switzerland）三维测力台（90cm×60cm），型号9287B，外置信号放大器。用来采集（1000Hz）地面反作用力（Ground Reaction Force，GRF）、压 心 （Center of Pressure，COP）等参数。

2.3.3 数据处理和选取指标

1.数据处理采用Visual3D（C-Motion，Inc.，Germantown，MD，USA）计算两侧下肢三维运动学和动力学的数据，采用右手法则。运动学计算采用Cardan顺序（X-YZ）。踝关节背屈、外翻，膝关节屈曲、外翻，髋关节伸展和内翻的角度和力矩定义为负值（-），对应的踝关节跖屈、内翻，膝关节伸展、内翻，髋关节屈曲和外翻定义为正值（＋）。

运动学和GRF滤波采用4th-order Butterworth lowpass filter，截止频率分别为12Hz和100Hz。采用计算程序（VB＿V3Dand VB＿Tables，The University of Tennessee，Knoxville，USA）确定和检查C3D导出、截取数据的准确性。

2.落地阶段定义为从触地（Initial Contact）开始至膝关节角度最大屈曲结束。

3.选取指标:

1）下肢关节活动范围（Range of Motion，ROM）:主要选取髋、膝和踝关节落地阶段矢状面和额状面的活动范围（°）。

2）COP的位移和速度:两侧下肢COP（Center of Pressure）在落地阶段的内外（Medial-Lateral）方向和前后（Anterior-Posterior）方向上的移动距离和COP的移动速度比较肢体在落地阶段的稳定性；COP的位移为触地至膝关节最大屈曲阶段足前后方向和内外方向的最大位移（单位:cm）。COP位移速度定义为前后方向和内外方向的和除以触地至最大膝关节屈曲阶段的时间（cm／s）。COP和COP速度均采用运动员的足宽进行标准化［38］。

3）经体重标准化后的最大地面垂直反作用力峰值（GRFmax），单位为:体重（BW）；

4）触地时刻至GRFmax的时间（Time to GRFmax），单位为:秒（s）；

5）平均负载率（Loading Rate，LR），单位为:体重／秒（BW／S），具体公式如下:

Loading Rate＝GRFmax／Time to GRFmax

6）对称指数（Absolute Symmetry Index，ASI）:GRFmax和负载率计算下肢落地冲击，评价两侧下肢的对称性［13］。具体公式如下:

其中，D为优势腿，N为非优势腿，ASI为0时，表示两侧对称。ASI比较对称时，可接受的范围通常定义为≤10%。

7）通过逆向动力学计算关节峰力矩（Peak Joint Moment），峰功率（Peak Joint Power）是关节力矩和落地阶段关节角速度的乘积。力矩和功率分别采用体重进行标准化，单位分别记为:Nm／kg和 W／kg。

2.4 统计学

选取单腿落地时3次成功动作的平均值，计算受试者两侧运动学和动力学指标的平均值和标准差。采用配对样本t检验（paired t-tests）观察在单腿落地任务时优势侧和非优势侧之间的差异，显著性水平设定为P＜0.05，P＜0.01为非常显著。计算Cohen’s d得到Effect Size用来表示数据的效度［12］。Da＜0.2，0.2～0.5，0.5～0.8和＞0.8分别表示效度极低、低、中等和高效度。统计软件采用SPSS 19.0（Version 19；SPSS，In.，Chicago，IL）。

3 研究结果

3.1 关节角度和下肢关节活动范围

触地时刻下肢关节角度（表1），优势腿和非优势腿所有关节角度均无统计学差异。关节活动范围方面，髋关节在矢状面非优势腿活动范围小于优势腿；膝关节在矢状面活动范围，非优势腿小于优势腿；踝关节结果与髋、膝关节一致，但无显著性差异（图2）。

表1 本研究单腿落地触地时刻下肢关节角度一览表Table 1 Lower Extremity Joint Angle on Initial Contact

图2 本研究单腿落地下肢关节角度活动范围示意图Figure 2.Range of Motion in Ankle，Knee and Hip Joint during Single Leg Landing

3.2 COP位移和位移速度

单腿落地时COP位移和位移速度显示，单腿落地时非优势腿在内外侧的位移大于优势腿（表2），而针对COP位移速度，两者并无显著性差异。

表2 本研究单腿落地COP位移和速度变化一览表Table 2 Center of Pressure Displacement and Velocity during Single Leg Landing

3.3 GRF、至GRF峰值时间、负载率和对称指数

GRF在单腿落地时优势腿和非优势腿分别为3.58±0.56（BW）vs 3.64±0.51（BW），两侧 GRF并无统计学差异（图3）。触地至GRF峰值时间和最大负载率显示两侧下肢并无差异（表3，图4）。

图3 本研究单腿落地最大反作用应力值示意图Figure 3.Maximum Ground Reaction Force in Single Leg landing

GRF和冲击率对称指数，GRF对称指数（11.31±9.33）和平均负载率对称指数（19.28±18.41）均大于10%（表3）。显示通过计算优势侧和非优势侧得到的对称指数，优势侧和非优势侧在参与单侧任务时下肢的动力学参数并不对称。

表3 本研究单腿对称指数和至GRF时间一览表Table 3 Symmetry Index and Time to GRFmax on Single Leg Landing

图4 本研究单腿落地下肢平均负载率示意图Figure 4.Loading Rate in Single Leg landing

3.4 关节峰力矩和峰功率

单腿落地时关节峰力矩和峰功率，下肢关节峰力矩均无差异（表4）。关节峰功率方面，髋关节和踝关节额状面均存在差异，即踝关节额状面非优势腿峰功率小于优势腿-0.84±0.54（W／kg）vs-1.86±1.68（W／kg），（P＝0.02，Da＝1.02），髋关节峰功率非优势腿大于优势腿3.56±1.57（W／kg）vs 2.37±1.53（W／kg），（P＝0.02，Da＝0.71）。

表4 本研究单腿落地下肢关节峰力矩和峰功率一览表Table 4 Maximum Joint Moment and Power during Single Leg Landing

4 讨论

本研究发现，下肢在单腿落地时髋关节和膝关节屈伸的活动范围，COP内外侧的位移和落地冲击的对称指数显示出不对称。这一结果与Edwards等人的研究结果一致［11，27］。因此，研究结果部分支持原假设，说明女子足球运动员在优势腿和非优势腿单腿落地时两侧下肢存在一定的偏侧性，且一侧下肢在落地阶段的稳定性较差。

4.1 关节角度和下肢关节活动范围

单腿落地时的关节活动范围，优势腿和非优势腿从触地开始至膝关节最大屈曲、髋关节和膝关节在矢状面均显示出显著性差异，与前人的研究结果一致［30］。女子足球运动员非优势腿较小的关节屈曲范围，特别是非优势侧髋关节和膝关节，会导致女子足球运动员落地的姿态更 “僵直”。这种落地模式可能会导致落地姿态的不稳定。另外，这种僵直的落地姿态通常也与下肢损伤的产生联系紧密［8，39］。优势腿和非优势腿关节活动范围的减小可能与两侧下肢的肌肉力量不对称有关［16］，优势腿的肌肉力量通常大于非优势腿［31］。有关肌力的研究证实［23］，相比男子运动员和ACL未损伤的女子运动员，有ACL损伤史的女运动员在肌力测试中表现出股后肌群肌力降低。作为膝关节屈曲的主要肌肉，股后肌群肌力的薄弱可能是非优势腿关节屈曲降低的一个原因。跳跃落地时关节屈曲阶段增加的股后肌群的肌力能快速减小ACL张力，这主要和动态运动中四头肌和股后肌群形成的共收缩机制有关［23］。这种机制会导致关节屈曲的增加，进而降低ACL损伤的风险。

本研究中的膝关节的活动范围明显高于以往单腿落地研究中［31］的膝关节活动范围。这可能与研究中落地高度［4，39］和性别［30］有关。本研究采用的落地高度为单腿落地40cm，而与男子、女子足球运动员［31］相关研究的落地高度为36cm。有研究［4，39］指出落地研究时，落地高度的增加会使下肢关节的活动范围和GRF值增大。因此，落地高度和形式可能是造成这些差异的一个重要因素。另外，Ross［31］的研究中踢球腿和支撑腿的数据既包含男子足球运动员还包括女子足球运动员，因而，性别的因素也不容忽略。

在触地时刻的下肢关节角度，尽管优势腿踝关节背屈角大于非优势腿，但是下肢关节无论在矢状面还是额状面的角度均无统计学差异。相近的触地角度表明运动员在触地阶段，无论优势腿还是非优势腿都采用了相同的落地策略。在落地任务中，落地高度和难度是能否诱导出运动员最大能力表现的重要因素［4］。由于研究中的落地高度为40cm，因此，两侧下肢触地时刻的角度是否会随着落地高度的增加而表现出差异，不得而知。今后有关优势侧与非优势侧落地的实验可考虑高度的变化对下肢落地偏侧性的影响。

4.2 COP位移和位移速度

人体维持身体姿态稳定的能力通常与神经控制紧密联系。有效的神经控制在完成特定运动任务时可以体现在稳定的姿态控制能力上［10，28，34，38］。 稳定用时（Time to Stabilization，TTS）［34］，COP位移，COP位移速度［10，28］和 动态稳定指数（Dynamic Postural Stability Index，DPSI）［38］常用来评价人体维持姿态稳定的能力。平衡力不足或不稳定多表现为COP的分散［15，31］。

女子足球运动员在单侧任务落地时的COP位移结果显示，前后方向的COP移动并无不同。但是，本研究发现非优势腿在内外侧的位移要明显大于优势腿。非优势腿的移动速度也比优势腿大。以往研究中，COP大都在静态［15，31］站立时测得，而本研究计算了单腿落地阶段的COP位移和速度，来比较女子足球运动员在单侧落地任务中的优势腿和非优势腿的落地稳定性。相比优势腿，非优势腿较大的内外侧COP位移表示女子足球运动员在落地后非优势腿并不稳定。

人体对姿态的控制主要通过神经中枢对本体感觉的反馈进行响应和调节［10，31］，而较低的稳定控制与较差的本体感觉有关。有研究［36］认为，单足姿态的稳定控制不足与下肢损伤发病率存在一定联系，特别是ACL损伤［10］。非接触性的ACL损伤大都源于降低的关节屈曲加上较大的膝关节外展角度和力矩作用于膝关节导致ACL的负载增大［14］。Durall［10］在研究中提到 COP的变化和膝关节外展峰力矩存在显著相关，并认为女子运动员额状面较大的膝关节力矩与姿态控制不足有关。身体姿态的稳定能力除了中枢神经控制和本体感觉的反馈外，还可能与肌肉力量和关节屈曲范围有关［23，31］。Yeow［36］的研究指出，单足落地时髋关节和踝关节在矢状面是吸收能量的主要关节，膝关节主要作用于在额状面来降低落地冲击。关节吸收能量主要通过较大的屈曲范围来降低冲击的影响，进而达到维持落地稳定。非优势腿在单腿落地时不稳定的姿态会影响下肢的关节活动和对能量的吸收［30，36］。

基于Durall［10］和 Yeow［36］的研究结论，通过观察落地阶段关节峰力矩和峰功率，不能排除非优势腿较大的COP位移与非优势腿较大的外翻力矩、额状面的踝关节功率之间的潜在联系。落地时非接触性的下肢损伤，特别是膝关节、踝关节的扭伤主要是较小的关节活动范围，较大的触地角度加上关节内外侧的扭转使关节在落地时不能有效的吸收能量，降低落地冲击而导致损伤产生［1，14］。Niu在双侧落地任务中关注了单个关节（踝关节）的对称性，并通过EMG信号得出非优势腿在落地时的肌肉活动大于优势腿，因而非优势腿保护机制强于优势腿，且优势腿更容易损伤的结论［25］。在非优势腿单腿落地时的关节峰功率和COP位移却显示非优势腿参与单侧落地任务时平衡能力并不优于优势腿。因此，研究者认为女子足球运动员的非优势腿在参与动态落地时内外侧较大的位移可能与非优势腿较差的本体感觉、关节屈曲和肌肉力量控制不足有关［2］。非优势侧在参与单腿落地支撑稳定时损伤风险要大于优势腿。

静态单足平衡测试时，姿态的控制［31］，站立时间［10］和测试（计算）方式［15，34］都会对COP的测试造成影响。考虑到这些因素，本研究在实验中要求运动员双手置于髋关节两侧从而降低落地时手臂对稳定控制能力的干扰。

4.3 单腿落地时人体下肢动力学

有关落地与ACL损伤的研究［20］显示，ACL损伤多出现于落地初期，大约为落地后的40～60ms。通常这一时刻也是GRF达到峰值和ACL张力最大的时刻［9］。

以往跳跃落地研究两侧下肢落地时的GRF和至GRF峰值时间的结论并不一致［11，31，36］。以往双侧落地任务的研究认为，在双侧任务时大脑中枢控制对下肢保护机制的激活时同步的，因此，落地冲击也被随机分配到下肢的两侧［25］。本研究中，女子足球运动员优势腿与非优势腿单腿落地时至GRF峰值时间、GRF峰值和冲击率并无差异，表明优势腿和非优势腿在相近时间内承受近似相同的GRF和冲击率。此结果也与双侧任务单关节（踝关节）的研究结果相一致［25］。相比优势腿，非优势腿在单腿落地时髋、膝关节降低了关节活动范围，却承受和优势腿相似的落地冲击。非优势腿僵硬的落地姿态，与优势腿相似的地面反作用力。这可能是造成女子足球运动员非优势腿落地COP内外侧位移大于优势腿的原因之一。落地的不稳定也可能是造成女子足球运动员下肢损伤发病率呈现偏侧性的一个依据［7］。

相比GRF和下肢冲击率，对称指数通常用来评价步态运动中两侧的对称性［13］，近年来也被采用评价落地时冲击的对称性［22］。Milner［22］的研究发现双腿落地时，口头提示将重心均匀分布在两侧下肢时，落地的对称性要明显高于没有口头提示的双腿落地，这也暗示了双侧任务落地时下肢偏侧性的存在。尽管女子足球运动员优势腿与非优势腿单腿落地时至GRF峰值时间、GRF峰值和冲击率并无差异，但是，对称指数显示下肢在单腿落地时承受的冲击并不对称，特别是冲击率。冲击率通常用来表示一定时间内身体对于GRF吸收的快慢，较短的单位时间内身体吸收的能量越多，损伤的风险也就越高［30］。结合优势腿和非优势腿的负载率结果（图3），计算负载率的ASI，显示两侧下肢在单腿落地时下肢承受冲击并不对称。有关女子运动员在落地触发ACL损伤时的视频分析报告显示体重在落地时的不均匀分布，进而导致下肢承受冲击的不对称是导致ACL损伤的主要因素［26］。因此，在评价落地冲击的对称性时，可能单纯的GRF，至GRF峰值时间并不一定能解释落地冲击对称与否，对称指数也是一个重要的参考指标。

本实验存在以下不足:1）女子足球运动员优势腿落地和非优势腿落地高度只设定了40cm，增加高度是否会诱导出运动员其他指标的差异不得而知。当落地高度能够激发运动员最大运动能力时，运动员会采用足尖-足跟的落地方式保护自己，而在本实验中，运动员都被要求采用足尖-足跟的落地方式，因此，这种变化可能会改变个别高水平运动员的落地方式。2）落地方式采用了迈步-落地（Step-off Landing）。尽管已经要求运动员在落地过程中控制自身姿态，但是，非落地腿的姿态和迈步-落地时的速度依然不能精确控制在一定范围。这可能会对数据采集造成干扰。3）实验受试者全部为女子足球运动员。足球运动员在训练和比赛中有具体位置的划分，受试者在试验中并没有区分运动员在参与训练、比赛中的具体位置。

5 结论

女子足球运动员的优势腿和非优势腿单腿落地时下肢之间的偏侧性在关节活动范围、COP和对称指数被证明确实存在。这也提示在单侧、双侧跳跃落地类和临床研究中，不能仅选取一侧来代表和评价下肢落地时的损伤风险。相比优势腿，非优势腿膝关节和髋关节在单腿落地时较小的活动范围，落地阶段内外侧方向较大的COP移动以及与优势腿近似相同的GRF和冲击率，均会增加女子足球运动员非优势腿参与单侧动态运动时的损伤风险。

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