多目标追踪任务下疲劳对足球运动员前交叉韧带损伤风险的影响

2022-05-30任园园陆阿明王国栋王文镭杨海琪陈一言

中国体育科技 2022年5期

任园园，陆阿明，王国栋，王文镭，杨海琪，陈一言，刘丹，骆乐

近年，关于前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）运动损伤的研究日益增多，运动员ACL损伤后可能无法完全恢复正常的膝关节生物力学性能，甚至容易造成膝关节炎、半月板损伤等后遗症，影响运动能力（Filar‑do et al.，2019；Lien‑Iversen et al.，2019）。在足球运动中，ACL损伤的发生率较高，且有60.8%～69.6%属于非接触性损伤（Kobayashi et al.，2010）。研究表明，随着机体疲劳的产生，中枢神经系统和外周肌肉骨骼系统功能逐渐降低（Benjaminse et al.，2019），造成完成动作时膝关节屈曲角度减小、下肢关节力矩增大以及腿的刚度降低等不利的下肢生物力学变化（Chang et al.，2018；Lehnert et al.，2018；Qu et al.，2018）。因而，疲劳是造成非接触性 ACL损伤的重要因素之一。有研究发现，足球运动员参加日常训练时间远多于比赛时间，但其在比赛中发生ACL损伤的概率仍比训练中高出14.4%（Romeas et al.，2016），说明可能存在其他的机制影响ACL损伤。足球比赛中，运动员在发挥自身技能的同时还要时刻关注球、队员和对手的位置（刘洋等，2018）。将注意力分配到多个运动客体上并对其进行视觉追踪的任务称为多目标追踪范式（multiple‑object tracking，MOT），主要研究内容为动态加工能力，涉及注意力加工、工作记忆及视觉空间记忆等大脑认知过程（Alvarez et al.，2005）。目前的研究认为，运动员下肢损伤与MOT任务下的注意力加工及神经认知能力有关（Alves et al.，2013；Faubert，2012；Mejane et al.，2019；Swanik et al.，2016），该动态加工能力与足球运动员的ACL损伤之间存在的关联尚待进一步探索。因此，本研究以3D‑MOT任务范式为前提，探索足球运动员在疲劳发展过程中下肢生物力学的渐进性变化及其对非接触性ACL损伤的影响，从而更好地揭示运动性疲劳与动作变化及下肢损伤的关系。

1 研究对象与方法

1.1 受试者

受试者均来自某高校高水平足球队，排除各项条件后共有15人自愿参与实验［年龄（20.07±1.53）岁，身高（181.43±7.36）cm，体质量（75.37±10.67）kg］，其中一级运动员6名，二级运动员9名。受试者纳入标准：1）近半年内无下肢关节、神经肌肉等疾病或损伤；2）有比赛经历的足球运动员，体能水平相似且达到较优标准；3）测试前24 h内无剧烈运动。

1.2 仪器设备

1.2.1 Vicon运动捕捉系统

采用由8台红外摄像机组成的三维摄像运动捕捉系统（Vicon Motion Analysis，英国），配套直径14 mm的红外反光球以及 Vicon 系统自带的下肢模型（Plug‑in‑Gait）进行动作捕捉与采集，采样频率为100 Hz。

1.2.2 三维测力台

选用2块Kistler三维测力台（90 cm×60 cm×10 cm，型号：9287B，瑞士），分别对X、Y、Z轴3个方向的力进行检测，采样频率为1 000 Hz，与Vicon红外高速运动捕捉系统实现同步（图1）。

图1 Vicon红外高速运动捕捉系统拍摄区域Figure 1. Shooting Area by Vicon Infrared High Speed Motion Capture System

1.3 实验步骤

准备工作：受试者签署知情同意书并填写个人基本信息，更换统一配备的紧身短裤和运动鞋。由专门的实验人员对受试者进行Mark点贴扎，位置分别为双侧髂前上棘、双侧髂后上棘、双侧膝关节外侧髁、双侧外踝、双侧跟骨、双侧第二趾骨底、左大腿和左小腿上1/3处、右大腿和右小腿下1/3处（图2）。为减小实验误差，所有粘贴工作由一人完成。

图2 下肢模型Mark点贴扎位置Figure 2. Position of Lower Limb Model Mark Points

实验前测：受试者进行静态采集，随后在跑台上以4 km/h的速度进行5～10 min热身，紧接着在测力台上进行连续5次最大纵跳，取最好一次成绩计算受试者最大纵跳高度。采用踢球法对受试者进行下肢优势侧判定（张英媛等，2014），完成测试后对受试者进行落地动作与3D‑MOT任务培训。

1.4 实验方案

1.4.1 落地动作测试方案

受试者双手叉腰，双脚直立站在40 cm的高台上，听到“开始”口令后，优势腿向前迈出，同时身体前倾从台上无初速度垂直落下。落地时双脚同时着地，分别落在2块测力台上，着地方式均采用“足趾-足跟”模式，每个动作测试2～3次（图3）。

图3 落地动作模式示意图Figure 3. Schematic Diagram of Landing Action Mode

1.4.2 MOT任务方案

采用由8个相同球体组成的3D‑MOT任务（Mejane et al.，2019）。每个任务分为4步：1）屏幕上呈现8个随机排列的相同球体；2）3个目标球体改变颜色（变亮）；3）所有球体变回原有颜色，在屏幕内以相同的速度随机运动；4）任务结束时受试者依次指出屏幕上目标球体的位置（图4）。为保证受试者接受的MOT任务负荷相同，目标球体的速度根据受试者自身的临界水平进行标准化。标准化过程：任务以随机速度呈现，若受试者能正确识别目标球体，下一次进行的任务速度则变快；若不能正确识别目标球，下一次执行的任务速度则变慢，球体速度呈阶梯式进行升降调节，直到受试者的临界速度被确定。为保证受试者在完成下落任务时能够顺利执行MOT任务，将其实验中的MOT速度水平调节为受试者临界速度的30%，规定受试者若不能正确识别目标球体则重新开始测试。同时，下落动作与MOT任务保持同步，若受试者完成MOT任务的反应时间超过2 s则重新开始测试。

图4 3D-MOT任务呈现流程示意图Figure 4. Schematic Diagram of 3D-MOT Tasks Process

1.4.3 疲劳方案

由于足球运动员需进行长时间间歇性奔跑，且跳起、下落（头顶球）的动作模式经常出现，故研究采用“跑＋跳”的方案进行疲劳诱导。要求受试者先以自身最大速度进行10×6 m折返跑，完成后迅速跑回到测力台进行5个连续最大纵跳（张希妮等，2017）。参考张强等（2014）和Tsai等（2009）的研究，以纵跳高度的平均衰减率来定义疲劳程度，同时采用自感疲劳分级量表（Rating of Per‑ceived Exertion，RPE）作为辅助的疲劳程度测定，疲劳判定标准根据预实验结果进行了调整。研究将疲劳分为3种水平：1）未疲劳（non‑fatigue，NF）；2）中度疲劳（medi‑um‑fatigue，MF），受试者纵跳高度衰减量达到 30%，且RPE=14～16；3）重度疲劳（serious‑fatigue，SF），受试者纵跳高度衰减量达到50%，且RPE＞17。其中，纵跳高度（H）采用腾空时间计算法，公式为H=0.5g（T/2）2=1.225T2。g表示重力加速度9.8 m/s2，T表示最大纵跳腾空时间（单信海等，2004）。当受试者达到不同疲劳程度时，即刻进行落地动作测试，否则继续执行疲劳方案。要求受试者在每组落地动作之间分别完成5次最大连续纵跳，以维持疲劳程度。

1.5 数据采集与分析

所有数据通过Vicon导入Visual 3D软件，并采用逆向动力学方法进行计算。数据运算与处理在METLAB软件中完成。

由于ACL最大张力常出现于触地后垂直地面反作用力首峰时刻（Cerulli et al.，2003），故研究主要选取垂直地面反作用力首峰时刻受试者优势侧各项运动学和动力学指标进行分析。运动学参数主要选取下肢髋、膝、踝关节在3个平面内的关节角度，各关节角度在身体直立状态下定义为0°。动力学参数主要选取首峰时刻下肢各主要关节力矩、各个方向地面反作用力值以及垂直方向载荷率。时间参数主要选取垂直地面反作用力首峰出现的时间（t1），即触地时刻至首峰时刻的时间差值。其中，VGRF为垂直地面反作用力首峰值；M‑LGRF为水平方向的地面反作用力，MGRF代表向内（身体某结构离人体正中矢状面相对较近）地面反作用力，LGRF代表向外地面反作用力；A‑PGRF为前后方向的地面反作用力，AGRF代表向前地面反作用力，PGRF代表向后地面反作用力。垂直方向的载荷率（loading rate，LR）计算公式为LR=VGRF1/t1。以上各方向的地面反作用力指标统一除以体质量进行标准化。

1.6 统计学分析

采用SPSS 20.0对数据进行正态分布检验，以单因素重复测量方差分析法（One‑way Repeated Measures Anova）进行统计学分析，并运用最小显著性差异法（Least‑Signif‑icant Difference，LSD）法进行两两比较，观察运动员在MOT任务下进行不同程度疲劳（NF、MF、SF）对下肢生物力学参数的影响。显著性水平定义为ɑ=0.05。

2 结果

2.1 疲劳干预情况

受试者平均执行了（5.93±1.62）组疲劳方案达到研究规定的SF标准，数据均符合正态分布，说明运动员从NF至SF的水平相差不大。此时，受试者的腾空高度较MF时平均减少了12.44 cm，较NF时平均减少了20.06 cm（表1），达到研究规定的疲劳衰减标准。

表1 受试者执行疲劳干预情况Table 1 Fatigue Intervention of Subjects

2.2 下肢关节角度变化

MOT任务下不同疲劳程度对下肢各关节角度有显著的影响。受试者达到MF时，与NF相比膝关节屈曲角度与踝关节跖屈角度增大（图5b、5d），而膝关节内旋角度减小（图5e，P＜0.05）。受试者达到SF时，与NF相比，髋关节屈曲角度与膝关节外翻角度增大（图5a、5c，P＜0.05）；与MF相比，髋关节屈曲角与膝关节屈角度减小（图5a、5b），膝关节外翻角增大（图5c，P＜0.05）。

图5 下肢各关节角度Figure 5. Angle of Lower Limb Hip Joint

2.3 下肢关节力矩变化

在MOT任务下，受试者达到MF时踝关节背屈力矩较NF时明显增加（图6e，P＜0.05）。达到SF时，髋关节伸力矩与内收力矩较NF时增加（图6a、6c，P＜0.05），膝关节伸力矩较MF时减小，膝关节内收力矩较MF时增大（图6b、6c，P＜0.05）。

图6 下肢关节力矩值Figure 6. Moment of Lower Limb

2.4 地面反作用力、载荷率及首峰出现时间变化

受试者从NF状态达到MF状态时，垂直地面反作用力首峰出现的时间缩短（P＜0.05，表2）。受试者达到SF时，垂直方向、水平方向以及前后方向地面反作用力值较NF时均明显增大（P＜0.05）。

表2 首峰时刻优势侧下肢地面反作用力、载荷率及首峰出现时间比较Table 2 Comparison of Ground Reaction Force，Load Rate and Occurrence Time of the First Peak on the Dominant Side

3 讨论与分析

研究表明，随着疲劳的发展，运动员的最大纵跳高度明显下降，说明采用的疲劳诱导方案能够成功引起中枢神经系统与外周肌肉系统产生疲劳，具有一定的合理性。刘洋等（2019）也认为，“跑＋跳”的疲劳诱导方式来研究膝关节ACL损伤比较切实、准确。

3.1 MF水平下的“软”着地

研究发现，与NF相比，受试者达到MF水平时，膝关节屈曲角度与踝关节跖屈角度增大。通常在高冲击力的情况下，着地时较大的矢状面关节位移被认为是主要的减震机制（Yom et al.，2019）。研究中膝关节和踝关节在矢状面内的角度增大，表明在下落着地后，下肢采用更积极的缓冲策略，使膝、踝关节周围的肌肉吸收外力作用的时间延长，一定程度上起到了减震保护作用。这与Cortes等（2013）的研究相符，受试者在触地时刻与峰值时刻均采取更大的膝关节屈曲角度，以更好地保护膝关节结构。当MF发生时，运动员进入一个更灵活的姿势，仍以一种保护性的“软着陆”姿势落地。有研究认为，此结果可能是由于研究涉及的疲劳诱导方案与运动员平时在练习和比赛中进行的活动相似，易导致运动员的中枢神经系统与骨骼肌肉系统对于出现的疲劳表现出一定的适应性（Cortes et al.，2013），使机体依然能够调整躯干与下肢关节做出保护性的着地姿势。研究还发现，膝关节内旋角度以及垂直地面反作用力首峰出现的时间减小。此时膝关节内旋角度减少可能带来的消极影响是引起膝关节在着地过程后续阶段内的膝关节内旋角度增加（Schmitz et al.，2013），且垂直地面反作用力首峰出现的时间缩短也不利于下肢缓冲，甚至会增大下肢刚度，这也是导致ACL损伤的重要危险因素之一。

3.2 SF水平下的“硬”着地

随着疲劳程度的进一步增加，运动员达到SF水平，此时与NF相比，SF状态下的髋关节屈曲角度、膝关节外翻角度、髋关节伸力矩及膝关节内收力矩均有所增加。与MF相比，运动员达到SF时髋关节屈曲角度、膝关节屈曲角度及膝关节伸力矩呈下降趋势，而膝关节外翻角度与膝关节内收力矩较MF时呈增大趋势。这提示在SF状态下，运动员的下肢着地模式发生了变化，与MF相比呈现出变“硬”的趋势。与此同时，运动员达到SF时首峰时刻的垂直方向、水平方向以及前后方向地面反作用力均明显增加，表明此种较“硬”的着地模式会导致更多的负荷直接作用于关节周围的骨和韧带。运动员在下落过程中受到各个方向的冲击力变大，若髋关节和膝关节屈曲角度较小就无法抵消较大的冲击力，不利于关节能量吸收及落地动作缓冲，还会导致较大的冲击力沿着跟骨、距骨传递到小腿及其他下肢关节（Nawoczenski et al.，1995），进一步增大胫骨前端的剪切力以及膝关节周围韧带的负荷（Schilaty et al.，2019；Wang et al.，2010），甚至导致膝关节内部结构发生过度应变和应力（Brown et al.，2009）。Cortes等（2013）的研究与之相似，机体达到最大疲劳时会对下肢关节产生十分不利的影响。研究认为，关于SF引起着地模式发生较“硬”的变化机制，主要有以下两点原因：1）随着机体疲劳不断发展，中枢神经系统功能下降明显，引起高位中枢对脊髓运动神经元的支配能力与工作效率降低（Rattey et al.，2006）；2）随着疲劳的加剧，外周肌肉系统感知运动的敏感性也急剧衰退，造成下肢肌肉力量合成能力下降以及关节松弛（Proske et al.，2012），进一步抑制周围肌肉对这些极端负荷状态的稳定（Boucher et al.，2012），致使机体无法调整躯干与下肢到恰当的位置以产生适当的动量用于着地缓冲（Cortes et al.，2013；Frank et al.，2013）。

3.3 MOT任务下的影响机制

研究发现，运动员在MF与SF时均可能导致其ACL损伤风险增加。此结论符合Mejane等（2019）的研究，受试者在疲劳状态下完成MOT任务时膝关节负荷明显增大。Dietrich（2003）提出的暂时性额叶衰退理论与注意资源分配理论可以解释这一现象。其构建了一个意识层次结构，人体基本的生物功能（如心率、说话等功能）位于此意识层次中的底层，前额叶背外侧皮层的执行功能（如认知功能）位于顶层。该理论认为，运动会导致与前额叶皮层相关的顶层意识水平发生短暂放松，即一个人的前额叶皮层受到其他刺激时，相关功能会暂时性受损。Di‑etrich（2006）还指出，由于大脑的代谢资源在运动过程中是固定不变的，若身体要进行动态运动，就需要以牺牲其他区域为代价来增加大脑的激活量。根据这一理论，前额叶皮层受资源重新分配的影响最大，在机体受到运动等刺激时，会产生一种暂时性的放松调节，在行为上表现为运动期间认知功能的暂时性减退。在本研究中，MOT任务作为一项高水平的感知认知任务，能够刺激大量的大脑神经网络，使其在运动过程中须完成运动整合、持续和分散的注意力处理以及工作记忆等工作（Romeas et al.，2016）。由于这种有效的认知在控制运动中起重要作用，故疲劳引起认知功能的短暂衰退可能会损害运动员在动态环境中的运动能力，容易造成次优肌肉行为和关节不稳的情况出现（Agel et al.，2016），从而导致下肢着地模式发生不利的变化。Lochner等（2014）的研究也支持这一结论，在驾驶的同时执行MOT任务，会影响受试者驾驭前行与停车等驾驶技能的执行，说明当受试者受到运动刺激时仍要保持对多个目标的追踪任务，就很难处理和调节两种信息冲突，容易出现视觉-空间定向能力减弱，干扰正常运动路线的执行（Swanik et al.，2016）。因此，足球运动员在MOT任务下完成落地动作，可能存在更高的损伤风险。