屈膝肌疲劳对单腿落地时下肢生物力学指标的影响

2022-04-25芦劼明郑晓丹刘悦刘慧萍王立广徐冬青

中国运动医学杂志 2022年2期

芦劼明郑晓丹刘悦刘慧萍王立广徐冬青

1 天津体育学院社会体育与健康科学学院（天津 301617）

2 天津体育学院科研与研究生处（天津 301617）

跳跃落地是足球、篮球、手球等体育运动中常见的技术动作之一，也是常见的引发膝关节前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤的动作之一[1]。发生ACL损伤不仅严重影响患者的运动能力[2]，还会造成较大的心理和经济负担[3]。ACL 损伤发生时运动者间常无直接的身体接触，即非接触性损伤[4]，其机制是在运动过程中膝关节受到了自身产生的较大力或力矩使ACL 所受力超过其所能承载的极限负荷，其发生时间多在下肢触地后100 ms 内[5]。有研究显示，在跳跃落地等动作中，当下肢触地时，髋、膝关节屈曲角度减小、膝关节外翻角度及膝关节伸展力矩增加等生物力学指标变化均会引起ACL 张力增加，这些生物力学指标的变化在不同学者的研究中均被用来作为评估非接触性ACL 损伤风险的参考依据[6]。由于骨骼肌是人体运动的执行器官，其功能状态直接影响着运动表现，良好的神经肌肉功能是维持运动中关节动态稳定、减少运动损伤的基本保障，因此，在非接触性ACL损伤预防的研究中，多数研究围绕着神经肌肉功能开展，其中腘绳肌力量训练受到了较多关注，其原因在于腘绳肌作为股四头肌的拮抗肌具有稳定膝关节的作用，其收缩时产生向后的剪切力，对于保护ACL具有一定作用；另有研究发现发生ACL损伤的患者腘绳肌力量相对较低[7]，这也支持了上述观点。但也有研究并未发现腘绳肌产生的收缩力能够降低ACL 张力[8]，因此，屈膝肌功能对ACL 损伤的影响仍需进一步深入探讨，以便在未来的研究和实践中更有针对性地建立损伤预防及训练方案。

在体育运动中，由于长时间或高强度对抗，运动性疲劳不可避免，其主要表现为肌肉力量或爆发力下降，从而影响神经肌肉控制并降低运动表现，因此，有学者提出神经肌肉疲劳可能对非接触性ACL损伤风险产生一定影响。有研究发现，受试者疲劳后跳跃落地时髋、膝关节屈曲角度减小，膝关节内旋角度增加[9-10]。然而在Sanna 及Orishimo 等的研究中并未发现疲劳后跳跃落地时下肢运动学及动力学发生显著改变[11-12]。而在流行病学相关研究中也未发现比赛时间的增加即疲劳的累积会影响ACL损伤发生率[13-15]。可见，目前关于神经肌肉疲劳对非接触性ACL损伤相关生物力学指标的影响尚无确切定论。目前的研究结果存在一定差异的原因可能与疲劳模型的建立有关[16-20]，更多研究针对伸膝肌进行疲劳诱导，而较少针对屈膝肌开展；而不同研究对疲劳程度的定义不同[21-24]，这可能影响到不同研究中受试者疲劳程度的标准化。目前研究中疲劳程度多未进行细化分级，对疲劳发展全过程中下肢生物力学变化趋势的探讨相对较少，关于不同程度神经肌肉疲劳与ACL损伤发生相关生物力学指标间关系的研究也不充分[25]，Borune等[26]的研究也指出目前研究中关于神经肌肉疲劳对非接触性ACL损伤风险影响的结果尚不一致，并建议进一步建立合理可行的疲劳模型来探究其影响，以进一步观察不同疲劳程度时ACL 损伤相关生物力学指标的变化，为今后运动训练或比赛中从运动损伤预防的角度选择最佳的疲劳恢复时机或调整运动训练计划提供理论依据。

鉴于上述，本研究通过对女性大学生进行不同程度屈膝肌疲劳诱导，观察不同疲劳程度下单腿落地时下肢生物力学指标的变化，为从运动损伤预防的角度制定训练方案以及在训练或比赛中选择最佳的疲劳恢复时机提供理论依据。本研究假设随着疲劳程度的增加，跳跃后单腿落地后出现髋、膝关节屈曲角度减小、膝关节伸展力矩及外翻角度增加等生物力学指标改变。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取16名天津体育学院女性大学生，要求：（1）年龄18～30 岁；（2）身体质量指数（body mass index，BMI）为18.5～23.9 kg/m2；（3）无专业运动训练背景；（4）身体健康，无下肢损伤及手术史，无视觉及前庭功能障碍；（5）体力活动准备问卷各选项均为否。实验开始前向受试者告知本实验流程及注意事项，并签署知情同意书。受试者基本情况见表1。

表1 受试者基本情况

1.2 研究方法

1.2.1 实验前准备

本研究首先在实验室中央搭建长约6 m、宽约3 m的测试区域，在测试场地中央放置一块三维测力台（Kistler），采样频率1000 Hz；在测力台后方放置30 cm高的台阶，台阶与测力台间距离为受试者腿长；另以测力台为中心在四周放置8 台红外摄像机（Qualisys），采样频率100 Hz，如图1。此外在测试区域外放置等速肌力测试设备（Cybex）。本研究全部流程均安排在天津体育学院教学实验实训中心进行。

图1 实验测试场地

对受试者股内侧肌、股外侧肌、半腱肌、股二头肌、腓肠肌、胫骨前肌肌腹处皮肤表面毛发进行剔除，用75%酒精擦拭，将电极粘贴在待测肌肉收缩时肌腹隆起最高处，粘贴方向与肌纤维走形方向一致，两电极片间距2 cm，将电极片与导线相连并连接于肌电盒（Noraxon）。随后将直径为14 mm的反光标志点粘贴于受试者双侧髂前上棘、髂后上棘、股骨内外侧髁、内外踝、第2 跖骨头表面、第1 跖趾关节、第5 跖趾关节、足跟处，并在双侧大小腿处安放标志板。

1.2.2 疲劳模型建立

首先对受试者进行最大屈膝力矩测试，受试者俯卧于等速肌力测试仪测试床上，下肢伸直，膝关节远端置于测试床外，固定躯干及下肢，优势侧大小腿分别固定在测试床和机械臂上，以膝关节中心为转动轴进行测试，角速度设定为180°/s，快速全力完成5 次屈膝测试，取最大力矩，见图2。

图2 最大屈膝力矩测试

根据最大屈膝力矩百分比对受试者进行不同程度疲劳诱导，受试者体位及固定方法同测试时，要求受试者以优势侧下肢在180°/s 的屈曲角速度、300°/s 的伸展角速度下持续、快速、全力地进行屈伸膝抗阻运动，在诱导过程中测试者给予受试者口头鼓励并观察屈膝肌群力矩实时变化。当受试者膝关节屈曲力矩连续三次未能达到最大力矩的75%、50%或25%时视为分别成功建立三种不同程度屈膝肌疲劳模型。

1.2.3 测试流程

受试者首先完成5 min的慢跑及5 min拉伸练习，热身后采集3次、每次持续5秒的膝关节屈曲/伸展、踝关节背屈/跖屈肌群最大随意收缩（maximal voluntary contractions，MVC）时的肌电信号。随后受试者在无疲劳状态下进行跳跃落地测试，并分别在不同程度屈膝肌疲劳诱导后即刻再次完成跳跃落地测试。

跳跃落地测试方案为受试者双腿站立于台阶上，随后自然下落至地面，落地后立即全力跳跃，并以优势侧下肢落至测力台上。测试过程受试者双手放于腰部，整个跳跃动作流畅无停顿，测试者除了给予口头鼓励外，不给予受试者任何形式的反馈来指导测试动作。如果在跳跃过程中受试者失去平衡则视为该次跳跃失败，每次测试直至采集至3 次成功跳跃落地数据视为成功。见图3。

图3 跳跃落地测试

1.3 数据采集与处理

利用表面肌电测试系统同步采集受试者跳跃落地过程中下肢肌肉肌电信号，所得数据导入MR-XP 1.07 Master Edition 软件后进行滤波（信号滤波FIR，高频10 Hz）、平滑过滤（RMS 算法，30 ms 窗口）、整流处理，随后转为slk.文件，并使用Microsoft Excel软件打开，截取受试者初始落地后100 ms 内各肌肉放电数值，计算平均值并利用MVC进行标准化。

利用三维运动捕捉系统及测力台采集受试者跳跃落地过程中运动学及动力学数据，对所得数据使用Qualysis Track Manager 软件进行处理，处理后所得动态模型导入Visual 3D软件进行分析计算，取受试者单腿落地初始时刻（下肢落地后地面反作用力大于10 N的时刻）及地面反作用力峰值时刻对应的髋、膝、踝关节矢状面、冠状面、水平面的角度及力矩。

1.4 数据分析与统计

所有的数据资料均用SPSS22.0 软件进行统计分析，所有参数结果均以平均值± 标准差（±s）表示。使用重复测量方差分析观察疲劳对肌电及生物力学指标的影响，采用LSD 进行事后检验评估不同疲劳程度之间肌电、运动学、动力学指标的差异，P＜0.05 视为差异具有统计学意义。

2 结果

肌电活动方面，主效应显示，屈膝肌疲劳对跳跃初始落地后100 ms内半腱肌、股二头肌、腓肠肌肌电活动有显著影响（P=0.000，P=0.006，P=0.017）。事后检验显示当最大屈膝力矩下降至50%时半腱肌平均振幅较疲劳前及下降至75%时显著降低（P=0.001，P=0.016），当下降至25%时半腱肌平均振幅较疲劳前、下降至75%及下降至50%时显著降低（P=0.000，P=0.001，P=0.006）。当最大屈膝力矩下降至50%时股二头肌平均振幅较下降至75%时显著降低（P=0.000），而当下降至25%时股二头肌平均振幅较疲劳前、下降至75%及下降至50%时显著降低（P=0.008，P=0.000，P=0.033）。腓肠肌平均振幅在最大屈膝力矩下降至25%时较疲劳前及下降至75%时显著降低（P=0.024，P=0.018）。见表2。

表2 不同疲劳程度跳跃落地时下肢肌肉肌电平均振幅（%）（n=16）

运动学方面，主效应显示，在跳跃后初始落地时刻屈膝肌疲劳对髋、膝关节屈曲角度具有显著影响（P=0.010，P=0.044），在地面反作用力峰值时刻，屈膝肌疲劳对二者亦具有显著影响（P=0.010，P=0.005）。事后检验显示，在初始落地时刻，当最大屈膝力矩下降至50%和25%时，髋关节屈曲角度较疲劳前显著降低（P=0.012，P=0.021），膝关节屈曲角度亦较疲劳前显著降低（P=0.029，P=0.024）；在地面反作用力峰值时刻，最大屈膝力矩下降至50%和25%时髋关节屈曲角度较疲劳前显著降低（P=0.011，P=0.026），膝关节屈曲角度较疲劳前显著降低（P=0.005，P=0.006）。见表3。

表3 不同疲劳程度时下肢关节角度变化（°）（n=16）

在动力学方面，主效应显示，屈膝肌疲劳对初始落地时刻膝关节伸展力矩具有显著影响（P=0.011）。事后检验显示，最大屈膝力矩下降至50%和25%时膝关节伸展力矩显著高于疲劳前（P=0.033，P=0.013）。见表4。

表4 不同疲劳程度时下肢关节力矩变化（Nm/kg）（n=16）

3 讨论

由于非接触性ACL 损伤多发生在下肢触地后100 ms内[5]，本研究结合前人研究[27]亦观察了不同疲劳程度跳跃落地后100 ms内下肢肌肉肌电变化，以分析下肢生物力学指标变化的潜在原因。本研究假设随着疲劳程度的加深，落地时屈膝肌活动水平逐渐降低。肌电结果与研究假设相符，即随着屈膝肌群疲劳诱导程度加深，跳跃落地时股二头肌、半腱肌、腓肠肌平均振幅值显著下降，肌肉募集程度降低。但值得关注的是，最大屈膝力矩下降至50%时股二头肌肌肉活动水平较下降至75%时显著降低，这可能与最大屈膝力矩下降至75%时股二头肌活动水平略较疲劳前上升有关，其出现的原因可能在于股二头肌所含运动单位更多，受试者在完成第一阶段疲劳诱导后，由于外界负荷相对较低，暂未产生疲劳累积，而引起神经肌肉兴奋性增高，募集更多运动单位，这一疲劳后肌电活动变化也与Orishimo等[12]的研究结果相似。

从疲劳诱导全过程来看，当最大屈膝力矩下降至50%及25%时，由于等速屈膝抗阻运动诱导疲劳后肌肉局部内环境发生改变，会引起肌细胞内K＋向细胞外液流动，进而降低动作电位幅度，使得兴奋传导减少，表现为半腱肌、股二头肌、腓肠肌平均振幅较疲劳前均显著下降，表明落地时肌肉活动水平下降。

在生物力学方面，本研究假设随着疲劳程度加深，肌肉活动减弱，跳跃落地时下肢运动学、动力学指标随之发生负面变化。本研究结果支持了部分研究假设，无论是在初始落地时刻或是在地面反作用力峰值时刻均表现出在最大屈膝力矩下降至50%和25%时髋、膝关节屈曲角度较疲劳前显著降低，且在初始落地时膝关节表现出更高的伸膝力矩，这表明在最大屈膝力矩下降至50%和25%的疲劳时刻受试者出现了更为僵硬的落地姿势，缓冲减少，这一结果与前人部分研究结果相近[24，28-29]。落地时较小的髋、膝关节屈曲角度会引起ACL 所承受张力相对增加，增加ACL 断裂的风险。而较大的伸膝力矩可能是由屈膝肌活动减弱引起股四头肌收缩力相对增加导致的，在屈膝角度较小时，较大的伸膝力矩会提高ACL张力[30]。但本研究与Osrishimo等[12]的研究结果相反，其研究发现疲劳后受试者在跳跃落地时膝关节屈曲角度显著增加，而膝关节伸展力矩呈下降趋势。出现这一结果的原因可能与疲劳模型不同有关，Osrishimo 等的研究中受试者以每组50次的台阶踏步的方式进行疲劳诱导，直至最大跳跃距离下降至疲劳前的80%，这一疲劳模型以诱导伸膝肌疲劳为主且未对疲劳程度进行分级，无法与本研究中疲劳诱导后受试者实际疲劳水平相比较。此外，有学者提出额状面上出现异常运动模式也会引起非接触性ACL损伤风险增加[6]。但本研究并未发现疲劳对膝关节外翻角度或力矩的显著影响，这可能与本研究所选取的测试动作有关，本研究选取的跳跃落地动作更多地需要下肢各关节在矢状面完成，可能不足以诱发额状面上各关节的变化。

本研究中，当最大屈膝力矩下降至50%时下肢生物力学指标较疲劳前即发生显著改变，而Noh 等的研究结果则略有不同。Noh 等[28]的研究通过等速肌力测试系统诱导伸膝疲劳，当伸膝力矩下降至最大伸膝力矩的50%时未发现受试者跳跃落地时膝关节屈曲角度出现显著改变，直至当最大伸膝力矩下降至30%时才发生落地时膝关节屈曲角度显著降低。与本研究结果相近的是其研究中同样未发现受试者跳跃落地时下肢生物力学指标的变化趋势与疲劳程度的变化趋势相似；不同的是，在膝关节运动学变化方面，本研究中膝关节屈曲角度显著降低出现得更早，而在Noh 等的研究中出现得相对较晚，这可能也与两研究针对不同的肌群进行疲劳诱导有关。结合本研究生物力学和肌电整体变化趋势来看，下肢生物力学指标出现显著性改变时屈膝肌肌肉活动水平亦显著减弱，因此结合疲劳模型可以推断腘绳肌等屈膝肌疲劳引起了下肢异常的运动模式。其潜在机制为腘绳肌等屈膝肌作为股四头肌的拮抗肌，其收缩时可以使胫骨产生向后的剪切力，股四头肌收缩引起的ACL张力的提高会随着屈膝肌的收缩而下降，Pinto 等[31]的研究也支持腘绳肌在减少ACL 张力方面的作用，可见在非接触性ACL 损伤预防训练方面应充分考虑腘绳肌的重要作用。

此外，本研究发现，当最大屈膝力矩下降至50%时较疲劳前下肢生物力学发生显著改变，这提示当疲劳发展到中后期时发生非接触性ACL 损伤风险可能上升，这一变化趋势与Cortes 及McLean 等的部分研究结果相近[23，32-33]。与肌电结果相对应，当最大屈膝力矩下降至75%时生物力学指标较疲劳前亦未发生显著性改变，但与肌电变化趋势略有不同的是，当下降至50%及25%时，下肢生物力学相关指标之间并未出现显著性差异，一方面这可能与受试者在最大屈膝力矩下降至25%时出现了主观自我保护来避免产生异常运动模式有关；另一方面也有可能与本研究尚未纳入除疲劳外的其他影响神经肌肉功能的因素有关。Bourne 及Barber 等的研究支持了这一推断[26，34]，本研究仅探讨屈膝肌群疲劳对下肢生物力学指标的影响，尚未纳入神经认知等相关因素，可能也是引起这一现象的原因，未来研究中应结合这一因素进行深入探讨。

本研究发现屈膝肌疲劳对跳跃落地时下肢生物力学指标的影响，因此在非接触性ACL 损伤预防方案的制定中更应关注腘绳肌等屈膝肌群，如通过离心训练等方法提高腘绳肌肌力或肌耐力以帮助延缓疲劳的发生，降低运动过程中ACL产生张力。此外，运动中疲劳产生具有必然性，但在实际训练或比赛中实时精准评价肌肉力量尚存在一定难度。目前体育运动中最为简易的疲劳评价方法往往是通过衡量与训练或比赛时间相关的运动工作量，即在一定负荷下运动时间越长，运动量越大，疲劳程度更高。虽然这并不是一个真正的疲劳指数，但有观点认为与比赛或训练时间较短的运动员相比，完成了更多时间训练或比赛的运动员工作量更大，疲劳程度更高。基于这一观点和本研究结果，建议在训练或比赛的中后期有针对性地进行疲劳恢复，如在足球比赛中利用中场休息、下半场补水暂停或伤停时采用按摩等方式快速进行疲劳恢复以改善局部血流等，以促进神经肌肉功能恢复，降低因疲劳引起运动损伤发生的可能性。