乒乓球运动员膝关节损伤机制研究<br/>——对3种常用步法的膝关节负荷特征分析

乒乓球运动员膝关节损伤机制研究
——对3种常用步法的膝关节负荷特征分析

2020-06-23周星栋肖丹丹郭文霞黄习梅张晓栋

中国体育科技 2020年6期

周星栋，肖丹丹，郭文霞，黄习梅，张晓栋

步法技术是乒乓球项目训练与比赛中极其重要的一部分，是优秀乒乓球运动员所必备的技术。乒乓球运动步法要求运动员的膝关节经常于半屈曲位进行起动、移动、制动、扭转和蹬伸等技术动作，而半屈曲位是膝关节生理解剖薄弱的位置。乒乓球运动员在进行训练和比赛时膝关节半月板、周围的韧带经常受到磨损和过度牵拉，因此，乒乓球运动员是膝关节损伤的高危人群。乒乓球的快速运动，要求运动员的步法也要迅速准确，此时膝关节就需要不断调整弯曲角度、内旋外旋角度、内收外展角度，以保证运动员用最快和最准确的动作击球，此时膝关节还要承受来自地面的反作用力。可想而知，步法是造成膝关节损伤的一个重要因素。

尚清华等（2012）的研究报道，国家乒乓球队运动员膝关节损伤人数约占所有在训总人数的20%，李莉（2012）对省队乒乓球运动员膝关节损伤情况的调查结果显示其发病率为22.4%。同时，乒乓球运动员退役后比同龄人更容易患膝关节炎。Rajabi等（2012）对新西兰退役后的乒乓球运动员（年龄：56.64±5.17岁）膝关节炎的研究表明，其发病率达78.3%，高于同年龄段正常人群（36.3%）。乒乓球运动员多发的膝关节损伤包括髌骨、关节软骨、半月板以及韧带的各种急慢性损伤。其中，膝脂肪垫炎和慢性髌腱末端病（跳跃膝）的发病率最高，其次为半月板损伤（尚清华等，2012）。但运动员和教练员对这些慢性损伤的重视程度不足，会在损伤没有完全康复的情况下让受伤运动员继续进行大运动量的训练和比赛，加重伤势使之恶化，同时增加再次罹患运动损伤的危险（周长敬等，2015）。患有慢性膝关节损伤的运动员还易继发半月板、交叉韧带等部位的急性损伤（Feucht et al.，2015）。

乒乓球运动员一旦发生膝关节损伤，后果十分严重。可导致短期的运动训练中断，甚至终止其运动生涯，也可能因罹患膝关节炎等继发性损伤而严重影响退役后的生活质量。例如，当今的大满贯运动员马龙，一直受到膝关节损伤的困扰，始终无法保持系统的训练与参赛。2019年男子世界杯，马龙在康复数月后再次返回赛场，但在比赛中明显表现出了步法的缓慢，连续负于16岁日本运动员张本智和、18岁中国台北运动员林昀儒，未能取得理想成绩。

若想更好地预防乒乓球运动员膝关节损伤，需先了解乒乓球运动中膝关节致伤的根本原因。因此，本研究采用生物力学研究方法，对20名北京体育大学优秀乒乓球运动员完成3种常用步法（并步、跳步、跨步）动作过程中的下肢运动学、动力学数据进行采集，通过分析乒乓球运动员完成不同步法时的运动学特征以及膝关节三维力和力矩峰值等指标，了解乒乓球运动员在完成常用步法时膝关节负荷特征。同时，在一定程度上探究乒乓球运动员膝关节损伤的性别差异与技术差异。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本试验选取北京体育大学优秀乒乓球运动员，男女各10名，均为右手执拍，运动等级在二级及以上（表1）。所有参加测试的运动员均没有膝关节损伤史，并且在测试当天没有任何下肢关节疼痛和运动障碍。所有受试者在数据采集前签署研究知情同意书。

表1 受试者基本情况Table 1 Basic Information of the Subjects M±SD

1.2 数据采集

测试时要求受试者在测力台上依次完成并步、跳步和跨步步法。要求受试者根据喂球者发球方向（正手方向不转球）调整步法，并尽全力挥拍击球，与平时训练和比赛的状态保持一致，每名受试者每个动作采集3次有效数据用于研究。

测试时受试者穿乒乓球鞋和紧身衣，进行3 min热身活动后，由试验专人在运动员身体关节部位贴反射标志点，所有运动员标志点的设置均由同一人完成。标志点位置参考Yu等（2006），张美珍等（2015），肖晓飞等（2019）的研究设计，共计23个位置（包括肩、肘、腕、髋、髂后上棘中点、大腿、内外膝、小腿、踝、足跟、足尖等）。

采用6镜头红外光点运动捕捉系统（Qualisys MCU500，瑞典）以200 Hz的采集频率对受试者动作运动学指标进行采集，采集5 s，标定测试空间。应用2台三维测力台（Kistler 9281CA，瑞士）对地面反作用力及相关指标进行采集，采集频率为1 000 Hz。运动学与动力学数据的采集由Motion红外光点运动捕捉系统进行同步触发。

1.3 数据处理

1.3.1 膝关节角度

根据测试和计算的标志点坐标建立大腿坐标系和小腿坐标系。大腿坐标系由股骨内侧髁、股骨外侧髁以及髋关节中心建立。膝关节中心即股骨内外侧髁中点。小腿坐标系由外踝点、内踝点以及膝关节中心建立。踝关节中心即内、外踝中点。

膝关节角度定义为大腿坐标系和小腿坐标系之间的欧拉角，第1次转动围绕冠状轴，获得屈伸角（正角为屈），第2次转动围绕矢状轴，获得内收外展角（正角为内收，负角为外展），第3次转动围绕垂直轴，获得内旋外旋角（正角为内旋，负角为外旋）。

1.3.2 动力学数据

运用Kistler数据分析软件对原始数据进行处理，而后用Microsoft Excel软件进行分析和处理。根据测力台坐标系在实验室坐标系中的位置关系，将所有测力台数据转换到实验室坐标系中进行分析。膝关节三维力矩通过逆动力学方法计算获得（MS3D 7.0版，MotionSoft，Inc.，Chapel Hill，NC 2006）。地面反作用力和膝关节力矩被投影到小腿坐标系（图1）。为了排除体重对地面反作用力、膝关节三维力和膝关节力矩的影响，并使不同受试者的数据结果具有一定的可比性，本研究对地面反作用力值、膝关节三维力和膝关节力矩数据进行标准化处理，地面反作用力和膝关节的三维力标准化为体重的倍数，单位BW；膝关节力矩标准化为身高与体重乘积的倍数，单位BW·BH。

图1 膝关节角度示意图Figure 1. Diagram of the KneeAngle

1.3.3 Motion运动学数据

运用Motion系统中的软件获得各标志点的空间三维坐标。以受试者完成技术动作的准备阶段、引拍阶段、挥拍击球阶段、随挥阶段、还原阶段为一个完整的动作单元。利用Excel、Origin等软件对原始三维坐标数据进行平滑与计算，得到用于分析的运动学数据。数据平滑采用低通滤波方法，截断频率是8 Hz。并根据采集的运动学和动力学数据计算每次动作中下肢关节中心的三维坐标、小腿与地面的三维角度、膝关节三维角度、地面三维反作用力矢量等指标。再根据逆动力学方法计算获得膝关节三维力和力矩。

1.4 数据分析

运用方差分析法比较相同性别运动员在完成不同步法技术时膝关节的运动学与动力学数据差异；运用方差分析法比较完成同种步法技术时，不同性别运动员膝关节的运动学与动力学数据差异；所有统计分析均由SPSS 21.0软件完成，统计分析的显著性标准为P＜0.05。

2 研究结果

2.1 膝关节三维角度分析

2.1.1 膝关节角度极值分析

乒乓球运动员完成步法技术动作过程中，膝关节始终处于屈的状态，屈角范围约20°～60°，存在较大的内旋角和内收角。在3种步法中，男、女运动员均在完成跳步动作过程中表现出更小的膝关节内旋角（P＜0.05，表2）。

表2 受试者膝关节角度极值Table 2 Extremum of Subject’s KneeAngle °，M±SD

2.1.2 地面垂直反作用力最大时膝关节角度分析

当地面垂直反作用力最大时，膝关节屈角约45°，同时存在一定的外展角和内旋角。与男运动员相比，女运动员在完成3种步法动作时表现出更小的膝关节外展角（P＜0.05）；在3种步法中，男、女运动员均在完成跳步动作过程中表现出更小的膝关节外展角（P＜0.05，表3）。

2.2 地面反作用力极值分析

受试者完成3种步法过程中，受到向上的地面反作用力较大，均值1.41～1.68 BW。同时，相对于并步和跳步，男、女运动员均在完成跨步技术动作过程中表现出更大的向左地面反作用力（P＜0.05）；此外，男运动员还表现出更大的向上地面反作用力（P＜0.05），女运动员还表现出更大的向前地面反作用力（P＜0.05，表4）。

2.3 受试者膝关节受力极值分析

受试者完成3种步法过程中，受到垂直向上的力最大，均值1.46～1.65 BW，其次是水平向后的力和水平向左的力，未表现出显著的性别差异与技术差异（表5）。

2.4 膝关节力矩极值分析

受试者完成步法动作过程中，受到伸膝力矩最大，外展力矩次之，未表现出显著的性别差异。但在3种步法中，运动员在完成跳步技术动作过程中表现出更小的膝关节外展力矩（P＜0.05，表6）。

表3 地面垂直反作用力最大时受试者膝关节角度Table 3 Subject's KneeAngle When the Ground Reaction Force was Maximum °，M±SD

表4 受试者膝关节所受地面反作用力极值Table 4 Extreme Ground Reaction Force of Subject’s Knee Joint BW，M±SD

表5 受试者膝关节受力极值Table 5 Extreme Force of Subject’s Knee Joint BW，M±SD

表6 受试者膝关节力矩极值Table 6 Extreme Moment of Subject’s Knee Joint BH·BW，M±SD

3 讨论

3.1 3种乒乓球步法的技术特点分析

为更加清晰地呈现本研究中受试者步法技术动作的运动特点，以下分析均以右手执拍运动员往正手方向移动的步法为例，与本研究中受试者所做动作一致。

并步技术动作的要领是左脚向着右脚的方向先并半步，在左脚着地的同时，右脚向来球方向移动一步。并步技术动作没有腾空的过程，运动员身体重心起伏相对较小，移动过程相对平稳。

跳步技术动作是以左脚蹬地发力为主，通过左脚蹬地，双脚几乎同时离地，向来球方向跳动，随后左脚先着地，右脚后落地。跳步动作过程中会有短暂的腾空时间，整个过程中身体重心快速转换，跳步前后双脚间距的改变不大，适用于连续来回还击离身体稍远的球。因存在腾空，运动员的身体重心必然起伏，运动员常常需要依靠膝关节的调节来缓解这种重心的起伏。

跨步技术动作要求运动员左脚蹬地，右脚向着来球方向跨一大步，左脚随后跟上一小步。跨步动作相对较快，幅度也相对较大，移动中一般会降低身体重心。

3种步法的动作要领存在差别，但也有共同点，即都是根据来球方向调整重心，蹬地发力，移动步法，然后支撑腿落地，随后支撑腿蹬地发力参与挥拍击球的过程。本研究结果显示，3种步法的运动学特征与动力学特征仅有个别部分的细微差异，在整体上无明显差异。

3.2 膝关节屈角对其损伤的影响

膝关节屈角在0°～45°时，股四头肌的收缩力能对前交叉韧带产生较大拉力，当膝关节角度超过60°时，股四头肌的收缩力对前交叉韧带的影响并不明显（刘卉等，2008）。Tatsuo等（2008）的研究进一步明确了随着膝关节屈角的减小，髌腱-胫骨纵轴夹角增大，进而会使髌腱向前剪切力增加，从而使胫骨向前的剪切力和前交叉韧带负荷增加，特别是当膝关节屈角度很小时。Gisela等（2016）研究了爬楼梯运动时机体内前交叉韧带的应力，研究显示，当膝关节屈曲较小时前交叉韧带更容易受损伤。李翰君等（2014）的研究也证明，较小的膝关节屈角是非接触性前交叉韧带损伤的重要因素。从本试验结果可见，运动员完成动作时膝关节屈角约在20°～60°，且地面垂直反作用力最大时刻的膝关节屈角约45°。显然，运动员膝关节屈角是造成乒乓球运动员膝关节损伤的重要因素。乒乓球运动员在平时的训练和比赛中膝关节始终处于弯曲状态，并且需要根据来球的位置不断在半屈状态下快速移动，膝关节负荷巨大，损伤风险相对较高。

3.3 膝关节外展角对其损伤的影响

Hewett等（2016）的研究指出，受试者在做垂直跳跃的动作时，膝关节处于外展状态，容易使膝关节的前交叉韧带受伤，即膝关节在受到较大向前剪切力的同时外展，使前交叉韧带的负荷增加，导致前交叉韧带损伤。乒乓球运动中，运动员的支撑腿调整重心着地后，需紧接着参与蹬地发力、挥拍击球的过程。支撑腿蹬地发力使地面反作用力向上传递，同时身体向左转，由于支撑腿的小腿来不及随着上身转动，故膝关节形成外展的角度。本研究结果显示，当地面反作用力最大时，女运动员在完成3种步法时膝关节外展角小于男性受试者，因此，可以推测出乒乓球女运动员前交叉韧带的损伤率低于男运动员。这一推论与肖丹丹团队在第十三届全运会上的调研结果一致（李亮等，2019；周星栋等，2019）。另外，在3种步法中，跳步技术的膝关节外展角显著小于并步技术和跨步技术，也在一定程度上说明，跳步技术造成前交叉韧带的损伤风险相对小于另两种步法。

3.4 地面反作用力对膝关节损伤的影响

乒乓球运动所受的地面垂直反作用力是自身体重的1～2倍。Terada等（2014）研究发现，地面反作用力是前交叉韧带损伤的重要机制。Yu等（2006）研究发现，在完成急停起跳的过程中，垂直地面反作用力的增加与前交叉韧带损伤负荷的增加有关，地面垂直反作用力越大，股四头肌的收缩力就越大，从而使前交叉韧带所受的负荷越大。张美珍等（2015）的研究结果也显示，地面垂直反作用力是膝关节损伤的重要因素。综上可以证明，乒乓球运动员在完成步法技术动作时，膝关节所受的地面垂直反作用力对膝关节损伤有重要影响。这与本研究假设中的膝关节所受地面垂直反作用力是乒乓球运动员膝关节损伤的重要因素相一致。

3.5 膝关节受力对其损伤的影响

从膝关节受力的角度看，完成3种步法技术动作时，膝关节三维力主要在Z轴，即垂直方向的力。乒乓球运动员在做技术动作时，膝关节所受垂直方向的力约为1倍自身体重，有的可达1.5倍。膝关节垂直受力是胫骨和股骨之间的压力问题，垂直方向的压力在正常情况下都不足以导致膝关节损伤，但压力很大加之侧向和来回地内收外展与内旋外旋，就会对膝关节内部不利。张美珍等（2015）的研究也证实了此结论，膝关节内收外展和内旋外旋的力能够单独对膝关节的损伤产生影响。在乒乓球运动员完成3种步法技术动作时，膝关节受到垂直压力的同时伴有左右和前后方向的力，使膝关节做出拧转和侧向滑移的动作，这一动作过程对软骨和半月板损伤有严重影响。半月板在胫骨和股骨中间，膝关节半屈位挤压和旋转是致使半月板损伤的必要条件。乒乓球运动员在完成步法动作时，膝关节始终保持在半屈位置，并且膝关节的内旋外旋和内收外展运动普遍存在，尤其是在步法运动支撑发力腿着地瞬间和技术动作支撑发力腿蹬伸发力瞬间，膝关节的内收外展和内旋外旋角度达到最大值，此时对于膝关节的损伤最为严重。须晓东（2004）的调查结果同样提到，乒乓球运动员的半月板损伤发病率为17.6%，是所有损伤中的第2位。

本研究结果显示，乒乓球运动员的支撑发力腿膝关节主要受垂直方向的力，所受的左右方向和前后方向的力较小。单次完成各种步法技术动作时，膝关节所承受的左右方向和前后方向的力对于膝关节的影响不大。但乒乓球运动员在常年的训练和比赛过程中，常处于半屈膝状态。加之膝关节解剖结构的特殊性，不能主动做内收外展和内旋外旋，只有在膝关节保持半屈位时才能做。在乒乓球运动中，运动员需要在半屈膝状态下不断移动和调整身体重心，膝关节长期在半屈位被动做拧转，膝关节的髌骨和半月板不断摩擦，长期积累对于膝关节的损伤影响不容忽视。这也是造成部分调查研究中发现乒乓球运动员膝关节的损伤主要以慢性损伤为主的原因。

3.6 膝关节力矩对其损伤的影响

虽有研究表明，在跳跃落地时伸展力矩大容易导致前交叉韧带损伤，其原因为跳跃落地时胫骨有前移趋势，前交叉韧带易被拉扯致伤。不过在乒乓球运动中膝关节始终保持在屈膝状态，其前交叉韧带相对较松。一般情况下，伸展力矩变大对于乒乓球运动员膝关节前交叉韧带影响不大，但肌肉力的增加会导致股骨关节和髌骨关节的接触面碾磨增加，导致髌骨软化症。另外，伸膝力矩过大，使髌腱下缘位置常被拉扯，可能导致髌腱末端病。这与尚清华等（2012）对乒乓球运动员膝关节损伤的调查结果一致，髌腱末端病和髌骨软化的发病率最高。

周志鹏等（2017）的研究报道显示，运动员在疲劳后膝关节的损伤风险将会增大。邹利民等（2019a，2019b）通过诱导疲劳和非预期变向测试验证了疲劳因素和非预期因素对膝关节损伤的影响确实存在。中国优秀乒乓球运动员刘国正曾经在比赛过程中髌骨骨折，这在一定程度与上述因素有关。激烈的比赛过程中，运动员在疲劳状态下，始终进行着大强度的非预期性运动，造成某一瞬间伸膝力矩过大。加之内收外展和内旋外旋力矩对膝关节进行拧转、碾磨，膝关节内部接触面摩擦，如果还伴随着翻、收等动作，那么髌骨正常的上下移动就被动变成旋转移动状态，以致发生髌骨骨折。

4 结论与建议

4.1 结论

不同性别乒乓球运动员在完成不同步法动作时，膝关节负荷特征大致相似，较清晰地表现出了损伤的机制：1）膝关节受到较大地面垂直反作用力，同时存在外展角，易导致运动员前交叉韧带损伤，女运动员前交叉韧带损伤风险小于男运动员，跳步技术的损伤风险小于其他两种技术；2）膝关节垂直方向受力的同时，还伴随有一定的水平向后和向左的力，易造成运动员软骨和半月板损伤，但水平向后和向左的力不大，表现为一种慢性病；3）过大的伸膝力矩是导致运动员髌腱末端病和髌骨软化的主要原因，严重时可导致髌骨骨折。