基于Anybody的足球运动员大角度侧切下肢生物力学仿真分析

2022-03-21姚军威韦俏丽马勇郑伟涛程阳

中国运动医学杂志 2022年1期

姚军威韦俏丽马勇郑伟涛程阳

1 武汉体育学院国家体育总局体育工程重点实验室（武汉430079）

2 湖北省体育科学研究所（武汉430079）

在许多接触性对抗类运动项目，尤其是以得分为目的的团体项目中，运动员快速改变运动方向（侧切）的能力是影响得分的重要因素[1]。除此之外，还需要灵敏性（即在各种突然变化的条件刺激下，全身快速响应的能力）来防守或者进攻[2]。足球作为全球最流行的体育运动之一，因其趣味性和对抗性等特点备受不同层次人群喜爱。足球运动要求运动员在赛场上运用不同的运动模式与身体姿势来进行高强度的运动，包括身体对抗、加速、减速、快速变换方向等。研究分析显示，足球运动员在足球协会超级联赛中经常使用不同的侧切角度来改变方向[3]。研究表明，侧切水平是区分精英运动员和普通运动员的重要指标之一[4]。

侧切通常与非接触性膝关节损伤相关[5，6]。足球比赛中，运动员平均执行700多次侧切，侧切角度从0°到180°不等，膝关节非接触性损伤的发生率高达3.7%，其中70%的膝关节非接触性损伤发生于侧切过程中[7-9]。膝关节损伤的运动员二次损伤的概率变大，同时罹患膝关节骨关节炎的风险增加[10-12]。运动损伤不仅对个人产生影响，还会对相关机构带来巨大的经济成本压力[13，14]。在高速行进过程中突然改变运动方向，需要瞬间减速并调整身体姿势，然后朝着新方向重新加速，在此过程中较大的膝关节内/外翻力矩以及较小的膝关节屈曲角度被认为是前交叉韧带非接触性损伤的潜在风险因素[6，15-17]。与45°侧切相比，90°侧切膝关节屈曲角更大，180°侧切膝关节最大屈曲角无显著性差异，但伸/屈膝力矩显著减小，内/外翻力矩显著增大[18-20]。110°侧切膝关节内/外翻力矩比45°侧切膝关节内/外翻力矩显著增大[21]。改变方向的角度越大越接近真实的足球比赛[22]，目前侧切研究都集中在110°以内，对高于110°的侧切研究较少。明确大角度侧切下肢生物力学机制对于运动训练、比赛以及伤病防治、康复均具有重要意义。

人体神经肌肉骨骼（neuromusculoskeletal，NMS）系统的建模和仿真研究使运动限制类疾病的诊断和治疗方法得到改进，从简单的日常生活活动（如步行）到复杂的竞技比赛（如体操）等各种场景下的肌肉力量、关节载荷等生物力学相关指标都可以通过NMS模型仿真计算得到[23]。Anybody Modeling System™（ Any⁃body Technology A/S，Aalborg，丹麦）作为肌肉骨骼建模仿真软件之一，能够通过数学建模技术模拟人体运动过程中各种肌肉、韧带以及骨骼，运用逆动力学方法计算动力学等指标[24，25]。

本研究运用Anybody对大角度（135°、180°）侧切时下肢运动学、动力学、肌肉活动度以及肌肉受力进行仿真分析，探讨大角度侧切时下肢膝关节损伤风险；通过比较不同角度侧切，为足球侧切防伤训练方案的制定提供理论依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

研究对象为12名男性足球二级运动员（优势腿均为右腿），年龄20.44 ± 2.18 岁，身高174.89 ± 6.41 cm，体重67.56 ± 8.49 kg。12 名男性运动员1年内均无下肢损伤。实验前告知研究对象实验内容并签署知情同意书。

1.2 研究方法

运用Vicon 三维动作捕捉系统、Kistler 三维测力台同步采集研究对象在135°、180°侧切时下肢运动学、动力学数据，在Anybody 中建立肌骨模型，通过逆动力学计算，获取并分析膝关节力矩以及下肢主要肌群肌肉活动度和肌肉受力；同时采用Noraxon 表面肌电，同步采集运动过程中电生理学数据，以验证模型有效性。实验数据使用SPSS 21.0软件进行统计分析。

1.2.1 研究指标

侧切过程中垂直地面反作用力（vertical ground reaction force，VGRF）≥10 N 为着地，≤10 N 为离地[26]。本研究指标包括：膝关节屈曲IC（initial contact，IC）角、膝关节屈曲最大角、髋关节屈曲/伸展IC 角、髋关节外展/内收IC角、髋关节内旋/外旋IC角、踝关节跖屈/背伸IC 角、完成时间、水平地面反作用力（horizon⁃tal ground reaction force，HGRF）峰值、垂直地面反作用力（VGRF）峰值、膝关节内/外翻力矩峰值、膝关节伸/屈力矩峰值、膝关节内/外旋力矩峰值以及下肢主要肌肉活动度、肌肉受力。其中HGRF、VGRF 和肌肉受力根据受试者体重进行标准化（N/kg），力矩根据受试者体重和身高进行标准化（Nm/kgm）[27]。

1.2.2 模型的建立与验证

本研究运用Anybody 进行仿真建模以及逆动力学计算。基于Anybody模型库中AMMR5.0中的下肢模型（lower_extremity_model）进行修改，其中膝关节与踝关节为铰接体节各具有1 个自由度（degree of freedom，DoF）、髋关节为球铰接体节具有3个DoF[28]。在模型缩放方面，采用Scaling_Length_Mass_Fat 模型缩放方式，参考受试者体重与身高数据对模型进行调整，此缩放方式分别由身体质量与骨骼长度控制模型的质量与尺寸，并充分考虑脂肪比例对人体各骨骼质量的影响，使模型脂肪比例和身高、体重保持协调[29]。研究中肌肉模型使用希尔类型（Hill-type）肌肉模型，该肌肉模型由收缩元、串联弹性元以及并联弹性元组成，以再现运动过程中人体肌肉特性。为模拟真实肌肉收缩方式，肌肉募集方式采用最小/最大肌肉募集（Min/Max mus⁃clerecruitment）的模式。本研究采用真实运动学数据驱动模型（即Mark 点驱动模型），对模型中Mark 点名称、数量进行修改，并调整Mark点以及下肢各体节的初始位置以拟合模型初始位置。选取各肌群中主要发力肌束的发力平均值近似代表该肌群的受力情况[30]。

为验证Anybody 系统中所建立的人体肌骨模型有效性，表明该模型所仿真的结果可以用于进一步分析和研究，对Anybody 逆动力学计算所得的下肢肌肉预测激活曲线和实验过程中同步采集的电生理学数据进行相关性分析。为评估模型的建立是否可模拟运动试验中真实的肌肉激活以及肌肉间协调模式，采用Ma⁃niar等[31]学者的验证方法，对研究结果分别采用定性以及定量分析。采用复相关系数（coefficient of multiple correlation，CMC）用于定量分析，以评价Anybody肌肉力仿真结果与肌肉电信号的拟合程度[32]，其中CMC<0.25 表示无相似性；0.500.75表示高度相似性。

1.2.3 表面肌电测试

使用Noraxon 表面肌电测试系统（美国，采样频率1500 Hz）记录实验对象完成侧切过程中表面肌电信号的变化。测试肌肉为[33]：腓肠肌内侧头、腓肠肌外侧头、胫骨前肌、半腱肌、股二头肌、股外侧肌、股直肌、臀大肌。对原始电生理学数据进行翻正、高通滤波（20 Hz）、低通滤波（10 Hz）、均方根（root mean square，RMS）平滑（50 ms）以及数据归一化处理。

1.2.4 运动数据采集

实验过程中由同一实验人员为12 名实验对象粘贴46个[34]直径为14 mm的Mark点，完成对各节段的定义（图1、表1），采用红外高速摄像头（T40，Vicon 公司，英国，采样频率200 Hz）和Kistler 三维测力台（9260AA6，瑞士，采样频率1 kHz）完成原始运动学数据和动力学数据采集。同时采用两组光栅计时系统（Witty-Manual，Microgate，Italy）获取受试者运动速度。光栅计时系统架设于跑道两侧且距离三维测力台0.5 m 处，两组光栅计时系统间距为2 m，以四肢不影响光栅计时器测速为标准设置计时器的高度。

图1 Mark点标定位置

表1 Mark点英文缩写注释

受试者穿着统一运动鞋以及紧身短裤进行标准的热身活动：3 min 慢跑、10 个弓箭步、5 个蹲跳、次最大速度完成侧切3次，最后全速完成侧切3次。正式测试在国家体育总局体育工程重点实验室进行：受试者在距离力台7 m 处以5 ± 5%m/s 速度[21]垂直跑向力台，所有受试者均以右侧足接触力台，按规定方向向其左后侧进行侧切，其中侧切角度分别为135°以及180°（图2、图3）。每次实验间隔3 min，避免疲劳对实验结果产生影响。每个实验对象至少成功采集3 次实验数据，对于未满足速度要求的数据不进行收集。

图2 实验场地示意图

图3 侧切仿真图

1.2.5 数据分析与统计

数据使用SPSS 21.0 软件进行统计分析，以均值± 标准差（±s）表示。采用配对样本t检验比较135°和180°侧切下肢生物力学数据，置信区间为95%，显著性水平α=0.05。

2 结果

2.1 仿真验证结果

表2显示，肌肉CMC均大于0.75，提示下肢肌肉力仿真结果与电生理学数据高度相似。这表明在Any⁃body 系统中建立人体肌骨模型的有效性，该模型的仿真结果可用于进一步分析和研究。

表2 表面肌电信号与肌肉力的相关性分析（n=12）

2.2 运动学指标

180°侧切与135°侧切相比，膝关节屈曲IC角变大，膝关节屈曲最大角变大（P<0.05）；髋关节屈曲/伸展IC角、内旋/外旋IC 角变小（P<0.05）；髋关节外展/内收IC角无显著性差异（P>0.05）。180°和135°侧切踝关节跖屈/背伸IC 角无显著性差异（P>0.05）。180°侧切比135°侧切用时长（P<0.05）。见表3。

表3 髋、膝、踝关节触地角度与膝关节最大角度（n=12）

2.3 动力学指标

随着侧切角度增大，在完成180°侧切过程中，HGRF 峰值变大（P<0.05），VGRF 峰值无显著性差异。触地过程中，膝关节内/外翻力矩峰值和伸/屈膝力矩峰值无显著性差异；与180°侧切相比，135°侧切内/外旋力矩峰值较大（P<0.05），见表4。

表4 地面反作用力峰值与膝关节力矩峰值（n=12）

2.4 下肢肌肉活动度和肌肉受力仿真结果

在进行135°与180°侧切时，腓肠肌外侧头、胫骨前肌、腓骨短肌、股外侧肌、半腱肌、阔筋膜张肌肌肉活动度均超过1。与135°侧切相比，180°侧切腓骨短肌、梨状肌肌肉活动度降低，且梨状肌肌肉活动度小于1（P<0.05）；缝匠肌、长收肌肌肉活动度增加，但并未超过1。见表5。180°和135°侧切时，下肢相关肌肉除股二头肌长头和大收肌受力有显著性差异外，其他肌肉受力无显著差异，见表6。

表5 下肢肌肉活动度（n=12）

表6 下肢肌肉受力仿真结果（N/kg）（n=12）

3 讨论

本研究结果显示，135°和180°侧切触地瞬间膝关节屈曲角度随着侧切角度的增大而增大，但屈曲角度均未超过31°。研究表明，在膝关节小角度（0～30°）屈曲的情况下，股四头肌会产生较大的伸膝力矩，前交叉韧带应力会随着伸膝力矩的增大而增大，膝关节触地瞬间较小的屈曲角度是前交叉韧带损伤的重要风险因素[35，36]。180°侧切所用时间比135°侧切长，膝关节最大屈曲角度比135°侧切大，该结果与前人研究结果相一致[1]，表明侧切角度越大越需要更长时间来调整身体姿势和缓冲，以减少应力对身体的作用。触地瞬间髋关节屈曲和外旋角度随侧切角度变大而减小，由于侧切角度变大，膝关节触地瞬间的屈曲角度增大。为了保持身体重心控制身体姿势，需要髋关节和膝关节相互协作，侧切过程中瞬间制动，大屈曲角度膝关节对应小屈曲角度髋关节有利于控制身体重心，防止向前倾倒。髋关节外旋角度减小可能是为了减小触地瞬间髋、膝关节前侧肌肉发力，增大髋、膝关节外侧肌肉发力，以此来降低膝关节伸膝力矩，减轻前交叉韧带的负荷。本研究中，受试者侧切均采取踝关节跖屈的方式着地缓冲，若采取踝关节背伸着地方式，膝关节将吸收大部分的冲击，导致膝关节外展力矩增大[37]；采取前脚掌着地方式即踝关节跖屈着地有利于减少膝关节和前交叉韧带的负荷[37-39]，同时踝关节跖屈着地有助于调整下肢力线，减少额状面地面反作用力力臂[38]。

膝关节内/外翻力矩越大，前交叉韧带张力越大，损伤风险越高[40]。侧切角超过90°时膝关节内/外翻力矩并不会随着侧切角度增大而增大，内/外翻力矩会保持稳定，这是运动员自我保护的一种机制[1]。躯干姿势的改变会导致膝关节负荷产生相应变化[41]，膝关节朝向与运动方向的角度同样会影响膝关节负荷的变化，膝关节朝向与运动方向垂直时，膝关节容易发生过度内/外翻，内/外翻力矩会显著增大[42]。本研究中，膝关节内/外旋力矩峰值随侧切角度增大而减小，但膝关节内/外翻力矩峰值、伸/屈力矩峰值并无显著性差异，这可能与躯干控制、重心调节和自我保护机制相关。本研究中侧切角超过90°，为了降低损伤概率，在侧切过程中身体朝向与侧切方向的角度减小，因此膝关节内/外旋力矩峰值减小。既往研究表明，在执行较大角度侧切时，充分的制动有利于姿势控制，减少转向过程中姿势障碍，从而完成行进方向的改变，而小角度侧切时对身体稳定性的要求相对较低[43]。本研究中，随着侧切角度增大，HGRF 逐渐增大，这是由于大角度侧切时受试者需要尽可能地倾斜身体，使重心偏向与运动方向相反，同时需要更长的时间缓冲制动。

由于人体肌肉受力的最大值无法确定，仿真的肌肉受力值无法与最大值进行比较。为了确定仿真过程中肌肉受力是否超出极限造成损伤，AnyBody引入了肌肉活动度的概念，肌肉活动度是某块肌肉相对于其长度的使用情况[44]。通过分析不同角度侧切时主要肌肉活动度可以了解足球运动员侧切时肌肉的激活程度与肌肉疲劳或损伤情况。肌肉活动度的变化范围为0～1，当肌肉活动度大于1 时，肌肉处于容易疲劳或容易损伤状态[45，46]。本研究中，135°和180°侧切，腓肠肌外侧头、胫骨前肌、腓骨短肌、股外侧肌、半腱肌、阔筋膜张肌肌肉活动度均超过1，表明上述肌肉在侧切时处于容易疲劳或损伤的状态，相比于其他肌肉具有较高的损伤风险。侧切以踝关节跖屈、髋膝关节屈曲为触地姿势，最终以踝关节背伸、髋膝关节进一步屈曲为制动结束，在这个过程中吸收冲击达到缓冲的目的。此过程中，腓肠肌外侧头离心收缩控制踝关节背伸速度，胫骨前肌、腓骨短肌收缩抵抗惯性防止踝关节跖屈和内翻，达到稳定支撑的作用；股四头肌外侧头离心收缩控制膝关节，半腱肌抵抗股四头肌伸膝力矩，减小前交叉韧带张力；阔筋膜张肌协同臀部肌肉外展髋关节。表面肌电研究表明，当侧切角度增大时，腘绳肌RMS显著增大[47，48]，这与本研究中的半腱肌活动度增加相似，腘绳肌由于活动度较高易产生疲劳或者损伤，从而在高速转向过程中无法抵抗向前的剪切力导致膝关节非接触性损伤的发生。同时相关研究也指出，腘绳肌拉伤与前交叉韧带损伤具有一定关联[49，50]。为了在侧切时防止运动损伤的发生，需要着重加强这些肌肉的训练。