2种复合运动着陆瞬间膝关节生物力学特征分析

孟庆华，鲍春雨，孟清华

（天津体育学院 1.体育文化传媒系，2.体育训练一系，3.天津市运动生理与运动医学重点实验室，天津 300381）

2种复合运动着陆瞬间膝关节生物力学特征分析

孟庆华1，3，鲍春雨2，3，孟清华3

（天津体育学院 1.体育文化传媒系，2.体育训练一系，3.天津市运动生理与运动医学重点实验室，天津 300381）

通过运用动作捕捉系统和三维测力台对受试者规定完成的复合动作进行动作采集，分别得到运动学和动力学的数据，并进行整理分析.结果表明，复合动作Ⅰ（跑动急停单脚起跳双脚落地）和复合动作Ⅱ（跑动急停双脚起跳双脚落地）相比，急停落地过程中具有更小的膝关节屈曲角度，更大的向后及垂直地面反作用力，较大的膝关节伸展力矩及膝关节剪切力容易导致膝关节前交叉韧带的损伤.

膝关节；着陆瞬间；起跳；生物力学特征

单脚和双脚的急停起跳技术在排球、篮球和手球等运动中很常见，并且在这些运动中，前交叉韧带的损伤也频繁发生[1-4].急停起跳的着陆阶段给下肢特别是前交叉韧带带来了显著的损伤风险[5]299.一系列的研究表明，大多数运动性的前交叉韧带损伤发生在着陆、迅速减速和突然变向等非接触性的条件下[2，6].本文通过分析天津体育学院运动训练专业在校大学生在常见的体育运动中跳跃动作着陆瞬间膝关节的生物力学数据，得出生物力学特征，研究膝关节的生物力学机制.为指导大学生科学地进行体育运动，选择合适的动作，减少膝关节及其韧带损伤提供理论依据.

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选取天津体育学院在校运动训练专业学生20名（专项水平达国家二级运动员水平）为研究对象，其基本情况见表1.所有受试对象在实验前1个月内无膝关节损伤，且挑选具有相同优势腿的运动员（起跳腿同为左腿）.

表1 受试者基本情况

1.2 实验方法

通过运用Vicon动作捕捉系统和Kistler三维测力台9281B对受试者规定完成的复合动作进行动作采集，分别得到运动学、动力学的数据，从而进行数据整理与分析.分析在校大学生在常见体育运动中急停跳跃动作着陆瞬间膝关节的生物力学数据和生物力学特征，研究膝关节的生物力学机制.为指导大学生科学的进行体育运动，减少膝关节及其韧带损伤提供理论依据.

2种动作包括：Ⅰ单腿急停单脚起跳落地模式（跑动急停单脚起跳双脚落地）；Ⅱ跑动急停双脚起跳落地模式（跑动急停双脚起跳双脚落地）.

1.3 数据处理

由于急停起跳造成的损伤主要出现在急停过程中，所以本文主要对急停起跳第一次着地过程中的数据进行分析.应用SPSS13.0统计学软件与Microsoft Office Excel 2007分析数据，结果用平均数±标准差的形式表示，以独立样本T检验的方法比较两组间及两动作间的差异性，显著水平P<0.05.

2 结果与分析

2.1 复合动作Ⅰ和复合动作Ⅱ运动学变化特征对比

复合动作Ⅰ和复合动作Ⅱ运动学变化特征对比情况见表2.由表2可见，在矢状面内，复合动作Ⅰ和复合动作Ⅱ在起跳脚着地时刻（P=0.017），向后反作用力峰值时刻（P<0.01），垂直反作用力峰值时刻（P<0.01），开始蹬地时刻（P<0.01）以及起跳蹬伸离地时刻（P=0.021）膝关节角度都具有显著性差异，而且复合动作Ⅰ的习惯屈曲角度都较小；在额状面内，只有在起跳脚着地时刻，膝关节角度具有显著性差异（P=0.040）且复合动作Ⅱ的外翻角度较大.

表2 复合动作Ⅰ和复合动作Ⅱ运动学变化特征对比

2.2 复合动作Ⅰ和复合动作Ⅱ动力学变化特征对比

复合动作Ⅰ和复合动作Ⅱ动力学变化特征对比见情况表3.由表3可见，在复合动作Ⅰ和复合动作Ⅱ的动力学比较方面，其在向后地面反作用力峰值（P<0.01），垂直地面反作用力峰值（P<0.01），着地膝关节力（P=0.033），着地膝关节力（P<0.01）以及着地膝关节力（P<0.01）方面均具有显著性差异，并且复合动作Ⅰ在数值上均大于复合动作Ⅱ.

表3 复合动作Ⅰ和复合动作Ⅱ动力学变化特征对比

2.3 复合动作Ⅰ和复合动作Ⅱ运动生物力学特征比较

急停起跳的运动生物力学特征的研究对于下肢损伤的预防意义重大[5]302，且有研究发现单腿落地过程中前交叉韧带损伤的风险更高[3]1008.但对单脚急停起跳及双脚急停起跳这2种常见的运动方式着陆过程中的下肢损伤风险对比研究较少.有研究发现，地面反作用力与下肢负荷成正比关系[7-9]，并且有一些研究对比了单腿落地及双腿落地过程中地面反作用力的特征[10-11].Pappas[10]等研究发现，从0.4 m高台落下时，单腿落地过程中的垂直地面反作用力峰值要高于双腿落地动作；Yeow[11]等研究也具有类似的结果，从0.3 m及0.6 m的高台跳下时，单腿落地比双腿落地具有更高的地面反作用力峰值.本研究结果（见表3）与上述结论相近，单腿落地具有更大垂直地面反作用力，继而具有较大的膝关节负荷.

落地过程中膝关节的运动学特征是影响地面反作用力的重要因素.Malinzak[12]及YU[5]发现落地过程中较小的膝关节屈曲角度将会增加前交叉韧带的负荷.由本研究结果（见表2）可见，单腿急停起跳在急停着陆瞬间的膝关节屈曲角度较小，并且在第一次着陆过程中的向后地面反作用力及垂直地面反作用力明显高于双腿急停起跳动作，提示单腿急停起跳比双腿急停起跳的下肢前交叉韧带损伤风险更高.

非接触性前交叉韧带损伤的产生是由于前交叉韧带受到强烈的拉力造成的[13]，而胫骨向前的剪切力是导致膝关节前交叉韧带拉力产生的最主要因素.由本研究结果（见表3）可见，单腿落地过程中膝关节力（胫骨剪切力）明显高于双腿落地，单脚和双脚急停起跳在着陆阶段的动力学特征是有显著性差异的.单脚急停起跳与双脚急停起跳相比，在着陆阶段会表现出更大的胫骨前侧向剪切峰值力.这也是推测单脚的急停起跳对ACL损伤有更高风险的缘由.

在急停起跳动作的急停落地过程中向后地面反作用力似乎是影响膝关节伸展力矩的一个重要因素，YU[5]的研究也指出，向后地面反作用力峰值和膝关节落地过程中的伸展力矩成正比关系.在落地过程中较高的膝关节向后地面反作用力导致较大的膝关节伸展力矩，由本研究结果（见表3）可见，单腿急停起跳具有更高的向后地面反作用力，进而会导致较大的膝关节伸展力矩及较大的膝关节剪切力，容易造成前交叉韧带的损伤.

3 结论

综上所述，复合动作Ⅰ和复合动作Ⅱ相比，急停落地过程中具有更小的膝关节屈曲角度，更大的向后及垂直地面反作用力，较大的膝关节伸展力矩及较大的膝关节剪切力，容易导致膝关节前交叉韧带的损伤.

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Biomechanical characteristics of knee joint in two kinds of composite movement

MENG Qing-hua1，3，BAO Chun-yu2，3，MENG Qing-hua3

（1.Department of Sport Culture Media，2.Department of No.1 Physical Education and Training，3.Tianjin Key Laboratory of Exercise Physiology and Sports Medicine，Tianjin University of Sport，Tianjin 300381，China）

By using motion capture system and three-dimensional force platform，the complex movements of the subjects were collected，and the data of kinematics and dynamics were obtained respectively.The results show that the composite actionⅠ（running stop foot jump landing on both feet）and compound actionⅡ（stop running feet take-off vertical landing）compared to stop the knee flexion angle has smaller landing process，more backward and vertical ground reaction force，the larger the knee extension torque and larger knee the joint shear force，easily lead to the ACL injury.

knee joint；moment of landing；take off；biomechanical characteristics

G804.6

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.12.014

2016-09-19

国家自然科学基金项目（11372223，11102135）；天津市应用基础与前沿技术研究计划项目（14JCYBJC29300，13JCYBJC25000）

孟庆华（1975-），女，黑龙江鸡西人，教授，博士，主要从事运动仿真研究.E-mail：745112962@qq.com

1007-9831（2016）12-0055-04