疲劳干预对男子跳远运动员落地动作的ACL动态载荷影响

李三三

在体育运动中，非接触性前交叉韧带（Anterior Cruciate Ligament，ACL）损伤是一种常见的膝关节损伤类型，主要发生在下肢冲击性落地、变向或者扭转中.在跳远运动中，落地动作是最基本的和最重要的功能性活动，致使跳远运动员不可避免地承受高强度的冲击负荷，尤其是男子跳远，运动员将承受更大的冲击负荷，最低程度的冲击负荷是体重的5倍，最高程度的冲击负荷能够达到体重的10倍［1］.因此，在跳远运动中，落地动作与运动员膝关节前交叉韧带（ACL）的非接触性损伤有直接的关联性.

训练中通过大量的跑、跳等运动可能造成跳远运动员神经肌肉疲劳，导致跳远运动员的机体不能维持在正常的水平值，出现暂时性下降，增加落地损伤的概率.进行疲劳干预可以避免跳远运动员机能下降，大大降低ACL损伤的概率［2］.现有研究中涉及疲劳干预与跳远运动员落地动作的ACL动态载荷关系的并不多，周志鹏等［3］对男女跳远运动员ACL损伤概率进行对比研究，结果表明男子跳远运动员ACL损伤概率是女子运动员ACL损伤的5倍，原因主要在于男子跳远运动员与女子跳远运动员ACL的负荷机制存在较大的差异，导致落地动作的冲击存在较大差异，鉴于此他认为应该对男女跳远运动员进行不同程度的疲劳干预.夏锐等［4］认为在落地动作中，人类不能自由地控制落地的姿态，导致承受不同程度的冲击负荷，高频的震动会导致膝关节相应的软组织产生共振，引起中枢神经疲劳，从而导致跳远运动员的ACL损伤.侯莉娟等［5］的研究表明疲劳前后最高程度的冲击力没有发生显著变化，但是疲劳后膝关节外展肌群的做功贡献下降，导致下肢运动模式改变，从而导致ACL损伤，因此他认为进行必要的疲劳干预是十分重要的，能够有效帮助跳远运动员控制落地动作.黄尚军等［6］认为神经肌肉疲劳能够明显降低肌肉产生力量的能力，主要表现为神经肌肉的疲劳会导致中枢神经的兴奋性不断下降，使跳远运动员的反应下降，对落地动作难以进行有效地控制，使膝关节承受较大的冲击力，导致ACL损失.而疲劳干预能够延长跳远运动员的肌力兴奋时长，帮助跳远运动员进行有效地落地控制.现有研究多为理论分析，缺乏必要的实验数据检验，鉴于此，基于逆向动力学算法（ATSF1）探究疲劳干预对男子跳远运动员落地动作的ACL载荷的影响具有较强的理论和现实意义.

1 研究设计

1.1 研究对象

招募了20名上海体育学院国家二级跳远运动员作为研究对象.所有实验者都确认在实验前的24小时没有进行过剧烈的运动，并且对所有实验对象进行全身体检，确认没有下肢、膝盖和足部等重点位置的损伤，每位实验者都具备良好的身体机能，在之前的训练中都已经熟练掌握了落地动作.实验工作者在实验之前对每位实验对象讲解清楚本文的实验意图和实验流程，并与每位实验对象签订知情同意书［7］.20位实验对象的基本情况如表1所示.

表1 20位实验对象基本情况

本文招募的20名男子跳远运动员的年龄在20岁左右，身高在175 cm左右，体重在65.16 kg左右，接受专业的跳远运动训练年限在5年以上，具有丰富的跳远运动经验.

1.2 实验仪器

本文使用的实验仪器主要是运动捕捉系统、测力台、纵跳台、心率表和3D生物力学分析软件.运动捕捉系统有16台Vicon红外高速摄像头，采样频率为240 Hz，可以抓拍到跳远运动员的骨盆、大腿、小腿和脚等部位.测力台与Vicon相连接，同步传输跳远运动员实验数据（图1）.

图1 运动员动作

1.3 研究方法

基于现有研究，在每位实验者完成5次垂直纵跳之后，使用其中最大的值作为最大垂直纵跳高度，然后进行疲劳干预.即要求每位实验者进行10米*6的往返跑，完成之后尽最大能力连续5次垂直纵跳，随后再次重复往返跑+垂直纵跳，直到进行垂直纵跳的高度低于最大高度的70%后，停止实验.

使用纵跳台监控和测量实验者的疲劳干预前最大垂直纵跳高度，以及疲劳方案诱导过程中的即时垂直纵跳高度.利用3D生物力学分析软件，基于逆向动力学算法（ATSF1）进行疲劳程度的测算.通过实验前后20名跳远运动员的落地动作ACL动态载荷的不同水平，使用此软件测算关节角度、角速度和地面反作用力［8-9］，通过跳远运动员的下肢三关节矢状面角速度特征，主要包含髋关节矢状面角速度、膝关节矢状面角速度、踝关节矢状面角速度三个指标；下肢三关节额状面角速度特征，主要包含髋关节额状面角速度、膝关节额状面角速度、踝关节额状面角速度三个指标；跳远运动员落地的冲击力和负载率，判断疲劳干预对跳远运动员落地动作ACL动态载荷的影响.

1.4 实验步骤

首先，让20名实验对象填写基本信息，告知其具体的实验流程，并签知情同意书.

其次，实施疲劳干预方案，即要求每位实验者进行10米*6的往返跑，完成之后尽最大能力连续5次垂直纵跳，随后再次重复往返跑+垂直纵跳，直到进行垂直纵跳的高度低于最大高度的70%后，停止实验.如图2.

图2 疲劳干预方案

再次，采用运动捕捉系统分别测算疲劳干预前后跳远运动员下肢三关节矢状面角速度特征的髋关节矢状面角速度、膝关节矢状面角速度、踝关节矢状面角速度的最大值ωmax及出现时间tωmax.

随后，分析测算跳远运动员的髋关节额状面角速度、膝关节额状面角速度、踝关节额状面角速度的初始值ω0、最大值ωmax、最小值ωmin，以判断疲劳干预对跳远运动员下肢三关节额状面角速度特征的影响.

最后，测算跳远运动员的落地冲击力Fzmax和负载率Gz最大值及其出现的时间TF、TG.基于上述指标的变化，综合判断疲劳干预对男子跳远运动员落地动作的ACL动态载荷影响.

2 实验结果分析

2.1 下肢三关节矢状面角速度特征

跳远运动员落地动作ACL动态载荷的主要表现是下肢三关节矢状面角速度特征和下肢三关节额状面角速度特征，以及冲击力和负载率［10］，本文首先探究的是疲劳干预对跳远运动员的下肢三关节矢状面角速度特征的影响，实验结果如表2所示.

表2 运动员下肢三关节矢状面角速度特征的影响

疲劳干预前，跳远运动员髋关节的最大角速度是（449.2±47.1）rad/s，出现最大角速度的时间为（39.4±8.9）ms，采用疲劳方案进行疲劳干预后，跳远运动员髋关节的最大角速度是（469.6±64.1）rad/s，出现最大角速度的时间为（35.3±14.3）ms，说明疲劳干预能够增加跳远运动员的髋关节角速度，使其提前达到最大角速度，从而降低落地动作对髋关节冲击.疲劳干预前跳远运动员膝关节的最大角速度是（759.4±72.6）rad/s，出现最大角速度的时间为（35.8±8.0）ms，采用疲劳干预方案进行疲劳干预后，跳远运动员膝关节的最大角速度是（760.2±75.1）rad/s，出现最大角速度的时间为（34.3±10.9）ms，说明疲劳干预能够增加跳远运动员的膝关节角速度，使其提前达到最大角速度，从而降低落地动作对膝关节的冲击.疲劳干预前跳远运动员踝关节的最大角速度是（576.9±165.7）rad/s，出现最大角速度的时间为（23.0±4.0）ms，采用疲劳干预方案进行疲劳干预后，跳远运动员踝关节的最大角速度是（585.8±197.0）rad/s，出现最大角速度的时间为（22.3±5.2）ms，说明疲劳干预能够增加跳远运动员的踝关节角速度，使其提前达到最大角速度，从而降低落地动作对踝关节冲击.人体自身受落地冲击时会产生一种保护机制，主要通过改变下肢的运动学特征，帮助肌肉吸收来自地面的反作用力，疲劳干预后落地过程中关节矢状面角速度增大，从一定程度上有利于减小ACL损伤的风险.

2.2 下肢三关节额状面角速度特征

疲劳干预对跳远运动员下肢三关节额状面角速度特征的影响，实验结果如表3所示.

表3 跳远运动员下肢三关节额状面角速度特征的影响

采用疲劳干预后，跳远运动员髋、膝、踝的触地角速度、最大角速度和最小角速度均有增加，说明疲劳干预方案能对跳远运动员的髋关节、膝关节及踝关节额状面的触地角速度、最大角速度及最小角速度产生显著性影响.

疲劳干预后髋关节及膝关节在额状面上发生的角速度变化，即短时间功能性疲劳方案诱导为多种方向上的运动，会招募更多的肌肉群（屈伸、内收外展），从而降低落地冲击对跳远运动员落地动作ACL的影响.

2.3 冲击力和负载率

基于逆向动力学算法（ATSF1），探究疲劳干预前后落地动作对跳远运动员下肢关节的冲击力和关节负载率的变化，实验结果如表4所示.

表4 疲劳干预对冲击力和负载率的影响

疲劳干预前跳远运动员落地动作的冲击力是自身体重的（5.8±0.9）BW，负载率是（1 037.6±225.7）BW/s，进行疲劳干预后，跳远运动员落地动作的冲击力是自身体重的（4.8±1.0）BW，负载率（1 013.7±209.0）BW/s，出现了小幅下降，说明疲劳干预可以有效降低跳远运动员落地动作的冲击力和负载率.

冲击力及负载率是反映肌肉骨骼系统载荷能力的常用指标.由于在跑步或落地过程中，冲击力峰值在2～10倍体重之间，人体需要积极控制与地面碰撞以减少其可能产生的不利影响，疲劳干预后跳远运动员的下肢三关节矢状面角速度增大、下肢三关节额状面角速度加快，可以有效降低与地面的碰撞，减弱冲击力和负载率.

3 结语

基于上述分析得出：跳远运动员落地动作ACL动态载荷的主要表现是下肢三关节矢状面角速度特征和下肢三关节额状面角速度特征，以及冲击力和负载率.疲劳干预能够增加跳远运动员髋、膝、踝关节的角速度，使其提前达到最大角速度，从而降低落地动作对髋、膝、踝关节的冲击.疲劳干预方案后，跳远运动员髋、膝、踝的触地角速度、最大角速度和最小角速度均有所增加，说明疲劳干预方案能对跳远运动员髋关节、膝关节及踝关节额状面的触地角速度、最大角速度及最小角速度产生显著性影响.疲劳干预后落地时对跳远运动员下肢三关节的逆向冲击力和负载率明显下降.

基于逆向动力学算法（ATSF1）探究疲劳干预对男子跳远运动员落地动作的ACL动态载荷的影响，研究中最大的限制是落地动作中其他肌肉肌电数据的缺乏，CMC动态优化方法虽然可以计算其他肌肉的兴奋-激活，但是没有采集肌电数据的肌肉在运动过程中也可能发挥着比较重要的作用.此外，本文仅招募了20名男子专业跳远运动员进行实验，实验样本较少，可能对结果准确性造成一定的影响，后续学者们可以基于此进行更加深入的研究.