3种常见评估前交叉韧带损伤风险落地动作的对比研究

周志鹏，曲峰

3种常见评估前交叉韧带损伤风险落地动作的对比研究

周志鹏1，2，曲峰1

目的:探讨3种常用于评估前交叉韧带（ACL）损伤风险的落地测试动作（DL、DVJ和FVJ）之间的差异。方法:通过采用8镜头红外光点运动捕捉系统和2块三维测力台，同步采集由11名健康男性受试者完成的3种不同落地测试动作，并对下肢的运动学和动力学参数进行统计分析。结果:3种不同落地动作之间存在较大的差异:（1）DL触地时刻的屈髋和屈膝角较小，最大屈髋、屈膝和踝跖屈角较小，重心缓冲距离较短，最大地面反作用力和下肢刚度较大；（2）DVJ的最大踝背屈角较大，最大地面反作用力和下肢刚度较小；（3）FVJ触地时刻的屈髋和屈膝角较大，最大屈髋和屈膝角较大，最大伸髋和伸膝力矩较大。结论:3种测试动作在多项运动学和动力学指标之间存在较大的差异，FVJ存在相对更大的ACL损伤风险，其次为DL；较为僵硬的落地方式可增大ACL损伤的风险，在落地时应采用更为柔软的落地策略；为更好地识别与评估ACL损伤的风险因素及理解其损伤的发病机制，建议在今后进行ACL损伤风险评估及伤病预防的相关研究中可优先采用标准化的FVJ测试动作。

前交叉韧带损伤；跳跃落地动作；运动生物力学特征

前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤是一项十分常见的运动损伤[1-2]，且常发生在各种落地（landing）[3-4]、侧切（cutting）[5-7]及急停起跳（stop-jump）[6，8-9]等动作的支撑阶段[10]。研究表明，大约80%的ACL损伤为非接触性损伤[11]，因此学者认为通过对其损伤危险因素及发病机制的研究，有助于对不合理的运动模式进行调整和训练（如增大落地时的屈膝、屈髋角[12]，加强核心区力量训练[13]等），从而达到降低损伤发病的目的。

落地支撑是体育运动中的一个基本动作，在大多球类项目中，各种跳跃落地的动作使用尤其频繁。良好的落地技巧有助于机体更好地缓冲和吸收地面冲击能量，同时有利于控制身体平衡和降低下肢损伤风险；而僵硬的落地动作则会导致更大的地面冲击力，增大下肢关节和韧带的负荷，并使ACL损伤的风险增加[14]。因此，采用落地测试动作来对运动员或普通健身者的运动模式进行运动生物力学诊断与评估，可有助于识别其可能存在的ACL损伤风险，从而为制订有针对性的损伤预防方案提供参考。

目前，常用于评估ACL损伤风险的落地测试动作包括3类:平台落地支撑（drop landing，DL）[4，15-16]、平台落地反跳（drop vertical jump，DVJ）[17-18]和平台前跳落地反跳（forward vertical jump，FVJ）[19-20]等。然而，以往的研究大多只采用了1种测试方案，这也导致不同研究结果的部分生物力学指标出现了一定的差异。如DECKER[15]和HUSTON[16]等人通过DL的测试发现，触地时的屈膝角女子小于男子，而CORTES[18]等人通过DVJ的测试却发现落地时的屈膝角男女之间并无差别。分析产生差异的原因可能与测试动作的任务要求不同有关，如DL仅需落地站稳即可，而DVJ和FVJ需先落地缓冲再立即作原地纵跳，因此可能会改变人体的运动模式，但这不利于对ACL损伤风险因素进行更好地识别与评估。因此，本研究以3种（DL、DVJ和FVJ）常用评估ACL损伤风险的测试动作为任务，对比不同测试动作中可能存在的损伤风险指标，分析不同测试动作对评估损伤风险敏感性的差异，从而为后续进行ACL损伤风险识别与评估及伤病预防的相关研究提供参考。

1 研究对角与方法

1.1 测试对象

招募11名普通健康男性体育大学生，年龄（23.6±1.7）岁；身高（1.73±0.04）m；体质量（66.7±3.9）kg。受试者选择标准:近1年内无头部及下肢严重损伤，近3个月无急性下肢损伤；每周运动3次以上；无心肺疾病；试验前48 h未从事剧烈运动。正式试验之前，告知受试者具体试验过程，并签署知情同意书。

1.2 试验方案

受试者穿着统一配备的慢跑鞋、紧身衣，佩戴泳帽，先进行5 min的慢跑热身，再做充分的下肢肌肉拉伸，热身结束后由专人讲解并示范测试动作，并让受试者充分练习至自我习惯为止。

所有受试者的3种不同方案落地测试动作（见图1）采用随机顺序进行。（1）DL:受试者从紧贴测力台边缘高30 cm的平台上，由静止直立姿势（两脚分开与肩同宽）开始，向前方双脚起跳，并分别同时踏落在各一块测力台上迅速支撑站稳，再恢复至直立姿势为止。（2）DVJ:启动姿势同DL，受试者在落地后需无停顿迅速作最大用力原地纵跳（为达到最大起跳高度，要求受试者落地缓冲时自由摆臂向下，起跳时用力作向上摆臂动作）。（3）FVJ:受试者从距离测力台边缘70 cm[21]高30 cm的平台上，由静止直立姿势开始，向测力台中心双脚同时起跳，并分别落在各一块测力台上，落地后再迅速作最大用力原地纵跳（摆臂动作要求同DVJ）。所有测试动作要求起跳和落地时均面向正前方，落地时如失去平衡、躯干出现过度晃动或有多余的跳跃动作等均视为失败。为避免产生疲劳，每次测试之间休息1 min，每人每个位置测试动作需采集各3次有效数据并均用于最后的数据分析（取平均值）。

1.3 数据采集与处理

图1 三种不同方案落地测试动作示意图Figure1Three Jump Landing Tasks

测试时受试者身上粘贴29个红外反光点（头顶，头前/后，左/右肩峰，左/右肱骨外上髁，左/右尺骨茎突与桡骨茎突中点，右侧肩胛骨，左/右髂前上棘，第四、五腰椎棘突中点，左/右大腿前侧，左/右股骨外侧髁和内侧髁，左/右胫骨粗隆，左/右内外踝，左/右足跟，左/右足尖），通过8镜头红外高速运动捕捉系统（Motion Analysis Raptor-4，USA，200 Hz）和2块三维测力台（Kistler 9281CA，Switzerland，1 000 Hz）同步采集运动学和动力学数据，标定空间为测力台上方4.0 m×2.5 m×3.0 m的范围。采用Motion Analysis Cortex软件（Version 2.6.2，USA）对所有标志点的三维坐标采用4阶巴特沃斯法进行平滑（截断频率为13.3 Hz[22]），并根据标志点坐标建立人体环节坐标系[23-24]，采用欧拉角的方法计算髋、膝、踝的三维角度，关节净力矩的计算采用逆动力学的方法，其中人体惯性参数和人体质心的计算采用DE LEVA[25]修正后的Zatsiorsky-Seluyanov人体惯性参数计算方法。测试动作分析从受试者双脚接触测力台瞬间，垂直地面反作用力大于10 N[26]开始，DVJ和FVJ动作截止至测力台力值减小至10 N[26]以下为止，DL动作截止至恢复直立站立为止。

所有数据均提取受试者优势侧（定义为踢球时选择作为踢球腿的一侧下肢，本研究中均为右侧），其中地面反作用力和下肢刚度[27]采用体重（BW）进行标准化，关节力矩和关节刚度[27]采用体质量（kg）进行标准化。

1.4 统计分析

采用SPSS 19.0软件对所有数据进行统计分析，利用单因素重复测量方差分析法来对结果进行统计学分析，自变量为3种不同方案落地测试动作，因变量为下肢各生物力学指标，后续两两比较采用LSD法，显著性水平设为0.05，所有数据采用平均值±标准差表示。

2 研究结果

3种不同方案落地测试动作结果表明（见表1、图2、3、4），在着地时刻髋关节屈角DL＜DVJ＜FVJ（F（2，9）=62.12，P＜0.001），膝关节屈角DVJ和FVJ要大于DL（F（2，9）=31.10，P＜0.001），而踝关节跖屈角三者之间无显著性差异（F（2，9）=2.23，P=0.16）；在缓冲阶段，最大屈髋角DL＜DVJ＜FVJ（F（2，9）=27.82，P＜0.001），最大屈膝角DVJ和FVJ要大于DL（F（2，9）=12.19，P=0.003），而踝关节背屈角DL和FVJ要小于DVJ（F（2，9）=7.97，P=0.01）；在落地缓冲阶段，最大伸髋力矩DL＜DVJ＜FVJ（F（2，9）=16.00，P= 0.001），最大伸膝力矩FVJ要大于DL和DVJ（F（2，9）=4.60，P= 0.042），而踝跖屈力矩三者之间无显著性差异（F（2，9）=3.74，P= 0.066）。

表1 落地缓冲阶段下肢关节角度和力矩的比较Table1Lower Extremity Angles and Torques During Landing Phase of Three Tasks

图2 落地阶段髋关节屈伸角度变化曲线Figure2Curves of Hip Flexion Angles During Landing Phase

图3 落地阶段膝关节屈伸角度变化曲线Figure3Curves of Knee Flexion Angles During Landing Phase

图4 落地阶段踝关节跖屈背屈角度变化曲线Figure4Curves of Dorsi Flexion and Plantar Flexion Angles During Landing Phase

3种不同方案落地测试动作中（见表2），重心落地缓冲距离DL要小于DVJ和FVJ（F（2，9）=10.49，P=0.004）；在落地缓冲阶段，最大垂直地面反作用力DVJ要明显小于DL和FVJ（F（2，9）= 12.81，P=0.002），而最大垂直地面反作用力加载率则表现为DVJ＜DL＜FVJ（F（2，9）=19.10，P=0.001）；对于下肢刚度而言，则表现为DL＞FVJ＞DVJ（F（2，9）=7.83，P=0.011）；而从关节刚度结果来看，髋关节刚度（F（2，9）=2.42，P=0.145）、膝关节刚度（F（2，9）=1.48，P=0.278）和踝关节刚度（F（2，9）=2.69，P=0.121）3者之间均无显著性差异。

表2 落地缓冲阶段地面反作用力、下肢刚度和关节刚度的比较Table 2GRF，Leg Stiffness and Joint Stiffness During Landing Phase

3 分析讨论

研究认为，下肢矢状面的生物力学是ACL受力及发生损伤的主要影响因素[12，28]。因此，本研究主要从下肢矢状面的生物力学指标来对3种不同落地动作进行比较，结果表明，多项运动学和动力学指标在3种落地测试动作之间存在较大的差异。

本研究结果显示，受试者完成3种落地测试动作时所采用的着地姿势有显著差异，着地时刻的屈髋和屈膝角DL要小于DVJ和FVJ。研究表明，在着地缓冲过程中，较小的屈膝角、较小的屈髋角、较大的地面反作用力等均可增大ACL所受的负荷及损伤的风险[33-34]。着地时采用较小的屈髋角会增大股四头肌的激活水平，从而增加对胫骨的向前剪切力，导致ACL损伤风险有所增大[29]；当膝关节屈曲角度较小时（＜30°），ACL所受到的牵拉负荷明显较屈膝角较大时有所增大[30]；屈膝角每减小1度，还可增大约68 N（0.1 BW）的垂直地面反作用力[31]。而增大着地阶段髋关节和膝关节的屈曲角度，可有助于落地时冲击能量的吸收和减少ACL所受的负荷，从而降低其损伤的风险[3]；且增大膝关节的屈曲角度，还有利于更好地激活股后肌群，协助稳定胫骨，减少动作中的胫骨前移，降低胫骨的向前剪切力，从而减少对ACL的拉扯[32]；当膝关节屈曲角超过60°时，ACL所受的负荷可显著降低[33-34]。从本研究结果来看，着地时刻3种落地测试动作中的屈膝角均小于30°，提示可能均具有一定的ACL损伤风险；对比本研究中受试者所完成的3种测试动作而言，落地时均采用了相对较为僵硬的落地姿势（较小的屈髋、屈膝角），尤其是DL所采用的姿势可能存在更大的损伤风险，这也提示对于今后的损伤预防训练而言，应加强落地姿势的身体功能训练（采用柔软的落地策略，如增大膝关节和髋关节屈角等）。

在本研究中，虽然3种落地测试动作均从30 cm高的平台跳落，但最大垂直地面反作用力DVJ要小于DL和FVJ，最大垂直地面反作用力加载率DVJ＜DL＜FVJ，这提示对于同样高度跳跃落地的冲击性落地动作而言，着地后所受到的冲击能量不仅与触地瞬间的身体姿势有关，还可能与着地后身体姿势的变化相关。研究指出，改变着地时的身体姿势，对于冲击力转移阶段的能量消耗或转换可起到重要的作用，如增大膝关节在着地后的最大屈曲角度，可有效降低着地后的地面冲击力[34]。本研究中，受试者在完成DL测试动作时，由于身体重心向下缓冲距离较短，最大屈膝和屈髋角度也均较小，且由于触地时身体又处在较为直立的姿势。因此，在着地后并不能有效地将地面冲击能量进行转移，从而导致完成DL动作时的下肢刚度亦较高，这也进一步提示相较于DVJ和FVJ而言，采用较为僵硬的着地方式可能会增大下肢关节和ACL的负荷，引起损伤风险的增大。而对比DVJ和FVJ两种落地测试动作来看，虽然在触地时刻的屈膝角和踝跖屈角并无显著差异，身体重心缓冲距离和最大屈膝角之间也无明显差别，但完成FVJ动作时的最大垂直地面反作用力、最大垂直地面反作用力加载率和下肢刚度等却要明显高于DVJ，分析其原因可能与落地缓冲阶段FVJ的踝关节背屈活动幅度较小有关。研究认为，在跳跃落地时，为了可承受着地初期较大的地面冲击力，踝关节必须要有较大的活动幅度[35]。在着地初期，踝关节周围的肌肉会首先激活，其次是膝关节和髋关节周围的肌肉组织[36]；触地后，通过更多的踝关节周围肌肉组织和被动组织结构（软骨、韧带等）的活动来吸收较多的能量，将有助于减少下肢损伤的风险[37]。因此，增大踝关节跖屈和背屈的活动幅度，不仅可为踝关节提供更大的缓冲减震能力，还有利于降低对ACL和下肢关节的冲击负荷，从而降低损伤的风险[15]。在本研究中，DL和FVJ在缓冲阶段的踝关节背屈活动相对较小，尤其是完成DL动作时，由于触地时的身体姿势已相对较为僵硬（较小的屈髋、屈膝角），而缓冲阶段又未能作更大幅度的屈髋屈膝及踝背屈活动，导致地面冲击能量不能有效吸收，使得完成该动作时可能存在的ACL损伤风险相对较大；而FVJ较DVJ存在较大的ACL损伤风险（较大的地面反作用力和下肢刚度等）可能与FVJ在缓冲阶段较小的踝关节背屈活动有关。以上均提示在今后的ACL损伤预防训练中，还应加强落地时踝关节的功能训练（如强化踝关节背屈活动等）。

从本研究落地缓冲阶段的最大伸展力矩结果来看，3种落地测试动作对机体的动员水平呈现逐渐递进的关系，完成DL动作对机体的要求相对较低，而FVJ对机体的动员水平相对较高，出现以上结果的原因与3种落地测试动作的难度大小不同有关。由于FVJ动作时的落地点相对较远（离测力台70 cm），其测试动作要求不仅要在水平方向上进行有效地制动缓冲，同时还需立即完成后续的原地纵跳，因此会激活更多的下肢伸肌肌群活动，从而产生较大的伸展力矩；同样，DVJ与DL动作相比，也需在落地缓冲的基础上立即完成后续的原地纵跳，因此下肢伸肌活动的要求也较DL有所增加。而以往的研究表明，下肢在制动过程中，较大的伸膝力矩可显著增大对ACL的牵拉负荷，从而增加损伤的风险[8，12，28]。从本研究结果来看，FVJ的最大伸膝力矩显著高于DL和DVJ，这也提示其ACL损伤的风险可能相对较高；而对比DL和DVJ 2种落地动作来看，虽然DVJ对机体的要求相对更高，但伸膝力矩两者之间并无显著差异，而较大的伸膝力矩合并较小的屈膝角，可显著增大胫骨近端向前的剪切力，从而增大ACL的牵拉负荷和损伤风险[28]，因此，对于这2种落地动作而言，DL的损伤风险可能更大。以上结果提示落地时如能采用较为柔软的落地策略（如增大屈髋、屈膝角和踝关节背屈活动等），可能有助于降低地面冲击能量和减少下肢关节及韧带的负荷，从而有利于降低ACL损伤的风险。

综上所述，本研究受试者完成以上3种常用于评估ACL损伤风险的落地动作在多项运动学和动力学指标上出现了较大的差异，分析其原因可能与不同测试动作本身存在的差异（3种测试动作对机体的难度要求为DL＜DVJ＜FVJ）及机体采用了不同的落地策略有关。而目前研究认为，落地过程中有较小的屈膝角（＜30°）、较大的地面反作用力、较大的伸膝力矩等是导致ACL发生损伤的重要风险因素。因此，结合本研究结果来看，3种落地测试动作中由于FVJ对于机体的要求最高，对比其他2种落地动作而言，存在较大的ACL损伤风险（如屈膝角＜30°、较大的伸膝力矩、较大的地面反作用力和加载率等）；而对比DL和DVJ来看，虽然DVJ对机体的要求更高，但DL较DVJ存在更大的ACL损伤风险（如屈膝角＜30°、较大的地面反作用力和下肢刚度等），分析其原因可能与DL落地时采用较为僵硬的落地姿势有关，而这也进一步提示如能采用较为柔软的落地策略，则可能有助于降低ACL的损伤风险。由此可见，由于3种落地测试动作的不同，可能会使运动者完成动作时采用不同的落地运动模式，但这可能导致采用不同落地测试动作对运动者进行ACL损伤风险评估时出现不同的评价结果，因此，建议在今后进行ACL损伤风险评估的研究中应采用较为有效和统一的测试动作，从而有利于更好地进行ACL损伤风险评估及用于比较和总结。在上述3种落地测试动作中，由于FVJ较DL和DVJ更符合实际运动场景的需求，在本研究中也显示其诊断ACL损伤风险上具有更高的敏感性，且相较于其他常用于评价ACL损伤风险的侧切、急停起跳等动作而言，FVJ测试动作也更容易对落地时的速度及位置进行标准化控制；同时，以往的研究也已证实FVJ是一项可有效用于评估ACL损伤风险的测试方案[20]，因此，建议在今后进行ACL损伤风险识别与评估的相关研究中可优先采用FVJ测试动作。

在本研究中，由于招募的受试者身高均较为一致，因此在测试平台高度上参考以往的研究均选用了30 cm，同时在FVJ动作中均采用了70 cm的距离来进行测试。建议在今后的研究中可根据不同受试者的身高或腿长来进行标准化处理，从而减小因身高或腿长的不同而造成完成动作难度的差异，进而更有利于不同研究之间的比较。此外，由于本研究仅对健康男性受试者进行了比较，因此其结果可能在女性或其他高水平运动员中不能直接应用，建议在后续的研究中可纳入女性及不同运动水平、不同身体状况的受试者；同时也可在今后的研究中加入表面肌电的测试，从而更有利于深入了解下肢肌肉的激活和协同作用，进而为探寻ACL损伤的风险机制及提出有效的预防措施提供参考。

4 小结

3种常见ACL损伤风险评估测试动作在多项运动学和动力学指标之间存在较大的差异，FVJ存在相对更大的ACL损伤风险，其次为DL；较为僵硬的落地方式可增大ACL损伤的风险，在落地时应采用更为柔软的落地策略；为更好地识别与评估ACL损伤的风险因素及理解其损伤的发病机制，建议在今后进行ACL损伤风险评估及伤病预防的相关研究中可优先采用标准化的FVJ测试动作。

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A Comparative Study of Risk Factors Related to ACL Injury among Three Jump Landing Tasks

ZHOU Zhipeng1，2，QU Feng1
（1.College of Sport Science，Beijing Sport University，Beijing 100084，China；2.College of Sport and Health，Shandong Sport University，Jinan 250102，China）

Objective:The purpose was to compare the biomechanics of three jump landing tasks（drop landing，DL；drop vertical jump，DVJ；forward vertical jump，FVJ）used in ACL research.Methods:Eleven healthy male college students were recruited in this study.By using Motion capture system and Kistler force platform，kinematic and kinetic parameters were collected during subjects completed three different jump landing tasks.Results:Significant differences were found in kinematic and kinetic among three different jump landing tasks.The DL had the smallest hip and knee flextion angle at initial contact，smallest peak hip and knee flextion angle，smallest peak dorsal flexion angle，shortest descend distance of center of gravity，largest peak ground reaction force，and largest leg stiffness.The DVJ had the largest peak dorsal flexion angle，smallest peak ground reaction force，and smallest leg stiffness.The FVJ had the largest hip and knee flextion angle at initial contact，largest peak hip and knee flextion angle，and largest hip and knee flextion moment.Conclusions:The results showed significant differences exist in kinematics and kinetics among the three landing tasks.The FVJ had a relatively greatest risk of ACL injury，followed by DL.A stiffer landing strategy could cause higher ACL injury risk，soft landing strategy should be taken during any jump landing task.In order to better identify and assess the risk factors related to ACL injury and to understand the mechanisms of injury，we suggest future research of ACL injury risk assessment and prevention should priority use the standardized FVJ task.

ACL injury；jump landing tasks；biomechanical characteristics

G 804.6

A

1005-0000（2016）05-455-06

10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2016.05.014

2016-05-31；

2016-08-08；录用日期：2016-08-09

山东体育学院院级重点课题（项目编号:131102）

周志鹏（1979-），男，浙江临安人，讲师，在读博士研究生，研究方向为运动损伤生物力学；通信作者:曲峰（1963-），女，山东莱州人，教授，博士生导师，研究方向为运动物生力学。

1.北京体育大学运动人体科学学院，北京100084；2.山东体育学院运动与健康学院，山东济南250102。