侧切动作与前交叉韧带损伤的生物力学研究综述

张恒瑞 陆阿明

(苏州大学体育学院 江苏苏州 215021)

前交叉韧带（ACL）损伤，是膝关节常见的损毁性创伤。国内外调查显示，我国运动员ACL 损伤率达0.47%；美国每年需要进行ACL重建修复手术的患者高达25万例。并且在ACL损伤后，患者会出现关节不稳情况，从而诱发膝关节其他相关的慢性疾病。

研究指出，侧切动作是导致ACL损伤的主要动作，有研究运用蒙特卡罗，模拟5 种运动项目的运动员与普通大学生的侧切与急停起跳动作中ACL 损伤的概率，结果表明，侧切动作更容易导致ACL损伤。由于在侧切过程中运动员经常需要突然减速和快速改变运动方向，使膝关节处于接近完全伸展状态下，完成伴有胫骨相对于股骨的过度外翻以及下肢角度的变化，同时在完成爆发性的动作时，容易产生巨大的地面反作用力，使膝关节的骨骼和韧带承担了较大的负荷，均会增加ACL 的损伤风险［1］。因此，对侧切动作的相关生物力学特征及其影响因素的分析，有助于了解损伤风险高的动作特征，更好地阐释ACL的损伤机制，为指导训练与竞赛中预防ACL的损伤提供一定的参考。

1 侧切角度对ACL损伤的影响

运动员成功完成侧切动作的主要目的是更好地改变其运动的方向，从而摆脱防守，达成进攻目的。然而，侧切转向的角度不同，会改变人体在完成侧切动作时的运动学特征，这些特征的改变很可能会加重膝关节的负荷，进一步提高了ACL损伤的风险系数。

Havens 等人［2］研究发现，与45°侧切相比，运动员在完成90°侧切时具有更大的髋关节外展和骨盆旋转关节活动度。因为在侧切的加速阶段，运动员为了完成较大角度的侧切，下肢关节会预先产生旋转，从而使运动员的躯干可以转向侧切方向，其目的可能是尽可能减少膝关节在矢状面上的负荷压力。膝关节屈曲角度的减小，则会增加股四头肌对ACL的拉力。与90°侧切相比，45°侧切具有较高的髋伸力矩，而在矢状面上，髋伸力矩的增加是相对有利的，可降低膝关节的外翻力矩［3］。

地面反作用力也是不可忽视的潜在影响因素之一，110°侧切比45°侧切具有更高的地面反作用力［4］，与45°侧切相比，90°侧切在减速和改变方向阶段，会导致更大的地面反作用力。部分实验研究表明，大角度侧切产生的更高地面反作用力，很有可能是由于侧切角度增大时需要更多的力将身体加以快速转向。

以上研究结果表明，侧切角度的增大会影响侧切动作的下肢生物力学特征，产生更大的膝关节外翻力矩，更大的地面反作用力。研究认为，当膝关节处于外旋、外翻状态时，由于胫骨剪切力的存在，会驱使胫骨相对于股骨进行滑动，此时ACL处于收紧的状态，同时地面反作用力的增大会导致胫骨前端产生剪切力，ACL 承受的剪切力的增加是ACL 损伤的机制。因此，侧切角度的增大会增加ACL 损伤的风险，在侧切动作教学训练中应尽量避免过大的侧切角度。

2 侧切时脚的着地方式对ACL损伤的影响

侧切时脚的着地方式不同也会对膝关节的负荷产生影响。根据人体脚部接触地面的不同部位，可以将脚的着地方式分为3 种：前脚掌着地、全脚掌着地、脚后跟着地［5］。有研究指出，相比较于前脚掌着地的情况，脚后跟着地会导致落地后膝关节的屈曲活动度不足［6］，容易导致ACL 承担过大的负荷［7］。而前脚掌着地则可以增加膝关节的屈曲角度，从而避免膝关节出现过度外翻的情况。与前脚掌落地相比，脚后跟落地的运动员具有更大的伸展力矩、外展力矩、外翻力矩和胫骨内旋力矩。动力学方面，脚后跟落地模式的地面反作用力是前脚掌落地的3.4倍。因此，当运动员采取脚后跟落地的方式时，会导致其形成较大的膝关节外翻角度来吸收垂直方向的地面反作用力［8］。

在执行侧切动作任务时，需要迅速改变前进的方向，膝关节的负荷加重，而采用前足落地的模式，可以调整下肢的力线，避免下肢的负荷过大。因此，采用前足着地的模式，可以降低膝关节的外翻程度，降低膝关节承担的负荷，降低膝关节和ACL 损伤的风险。与前足落地相比，在后足落地的情况下，地面反作用力的影响更加显著，在最初接触地面时，膝关节的屈曲角度也会减小，外翻角度、外翻力矩等增加，这些变化可能会导致ACL损伤的风险增加［4］。

不同的着地方式其生物力学特征各不相同，与前足落地相比，后足落地所产生的较大地面反作用力主要是由于胫骨向前的剪切力，当胫骨前端受到向前的剪切力时，ACL 受到的张力在膝关节处于外翻状态下要比膝关节处于非外翻状态下显著增加。建议运动员在执行侧切动作着地时尽量采取前脚掌着地的方式，以在一定程度上降低ACL损伤的风险。

3 不同性别运动员完成侧切动作ACL 损伤的差异

目前大量研究证明了女性运动员的ACL存在受伤风险高的特征，研究人员调查发现，女性运动员发生ACL 损伤的频率远超男性运动员，其中对足球项目中以性别为变量的流行病学研究显示，女性运动员的ACL损伤风险是男性的3倍。

研究表明，女性运动员在完成突然性的启停、转向等爆发性的动作时，其下肢会表现出一些容易致伤的生物力学特征，主要包括了着地时刻屈膝的角度小、膝关节外展角度大，以及髋关节旋转角度较大［4］。在Sigward、Cesar 和Havens 的研究中，他们通过使用vicon系统分析男性与女性的侧切动作的运动学数据时发现，在以45°侧切时，男性运动员的膝外翻角度要低于女性，并且膝关节外翻力矩也具有显著性差异。目前，膝关节外翻角度、膝关节外翻力矩都被认为是导致ACL损伤的风险因素。

由此可见，女性运动员在侧切时，表现出较小的屈膝角度、较大的膝外翻角度与外翻力矩，股四头肌的活动峰值要高，腘绳肌的活动比例低于男性，导致腘绳肌对大腿四头肌肌电活动量的比率下降。这些特征都有助于胫骨前向移动，而胫骨前端受到的向前的剪切力是决定ACL 张力大小的关键。所以，在侧切动作的教学训练实践中，需要关注女性运动员的后侧链肌群的训练，并提醒女性运动员注意膝关节的屈曲角度不要太小。

4 预期非预期侧切对ACL损伤的影响

研究证明，预期与非预期的动作决策会直接影响侧切动作的损伤风险。Besier研究发现，与预期任务相比，执行非预期任务时，膝关节的内外旋力矩是预期情况下的2 倍。相关运动学与动力学研究发现，非预期的侧切动作膝关节伸展角度相比于预期情况大幅增大，并且非预期侧切的GRF峰值更小，膝关节的力矩增加，尤其是内外翻力矩与内外旋力矩。

当膝关节的屈曲角度较大时，关节力矩的增加可能会增加ACL的损伤风险［9］。预期与非预期任务确实会导致膝关节产生不同的运动模式，并且非预期任务下执行侧切动作确实会增加ACL损伤的风险［10］。在预期情况下，人体预先调整身体姿势，从而最小化膝关节的负荷，而在非预期情况下，因为膝关节力矩增大，从而导致人体实施姿势调整的策略时间不足，可能会导致膝关节的损伤。非预期的侧切动作会产生更大的内外旋力矩、内外翻力矩，同时运动员内收肌群和伸膝肌群没能得到预激活，膝关节得不到肌肉收缩的保护，呈现外翻和外旋的动作模式［9］。

因此，非预期任务下膝关节的运动模式和较高的地面反作用力会使ACL 产生更高的损伤风险。这提示，在侧切动作的教学训练实践中，需要多注意培养运动员的瞬间反应能力和调整能力，加强运动员大腿前后侧肌群的协调发力训练。

5 神经肌肉控制能力对ACL损伤的影响

神经肌肉控制是通过人体的神经肌肉控制系统来激活关节周围肌肉的动态稳定结构，从而实现对关节动态稳定的调节［11］，而神经肌肉控制的差异可以用来解释一些运动员在完成一些动作时的差异。有研究指出，当神经肌肉控制能力低下或者力量不足时，很容易导致运动损伤的产生［12］。通过神经肌肉的控制实现的关节周围的动态稳定性，可以在执行动态任务时，尤其是侧切动作时，起到保护膝关节的作用。

运动员在侧切的过程中，不同的肌肉激活程度会对下肢的生物力学特征产生不同的影响，如果有些肌肉的激活或者肌肉力量减小，则会增加下肢的损伤风险，所以，神经肌肉控制系统的稳定可以保护在执行运动任务中的膝关节。研究发现，股四头肌与腘绳肌的共激活对减少膝关节的负荷，降低ACL 损伤的风险至关重要。较弱的腘绳肌收缩并不足以对抗剧烈收缩的股四头肌和侧切产生的地面反作用力，从而会加剧膝关节的负荷，导致ACL 损伤的风险增加。ACL 的损伤与腘绳肌力量、腘绳肌与股四头肌力量的比值以及双侧腘绳肌的力量比值有关。有研究指出，臀大肌和股后侧肌群的力量对降低ACL 损伤具有重要意义，这是由于臀部肌群可以产生膝关节内翻力矩，以抵抗膝关节的外翻和外展的负荷。

因此，对于侧切动作而言，下肢肌群主动肌与拮抗肌之间的协调发力尤为重要，腘绳肌的激活以及与股四头肌的共同协助是避免ACL损伤的重要前提。在侧切动作的教学训练实践中，需要注意增强腘绳肌的活性以及肌肉力量，要均衡发展大腿前后侧肌群的力量，同时注意强化下肢后侧链肌群的训练。

6 结语

侧切动作造成ACL 损伤的因素是多样的，主要包括内部和外部两大类。外部因素主要有比赛场地、天气类型、地面摩擦系数等，内部因素主要是动作的生物力学特征、人体肌肉的解剖与生理特性等。该文通过梳理侧切动作导致ACL 损伤的内部因素相关研究发现，其研究方法，仍是通过动作捕捉手段等简易分析在侧切动作某个时间节点的生物力学特征，根据侧切时膝屈曲角度、内外翻力矩、肌肉活动的变化情况，结合ACL 损伤的机制来探讨侧切动作对ACL 损伤的影响。这些内部因素导致ACL损伤的共同性在于都表现出了更大的地面反作用力、更大的股四头肌拉力以及更大的内外翻力矩。但对于侧切动作的加速、制动以及减速阶段的生物力学机制研究尚不多见，所以对于整个侧切动作过程中的动态研究是当前值得关注的方向。侧切动作中ACL的损伤是一个多种原因综合的复杂的损伤，其致伤的因素往往多是同时存在的，因此预防侧切动作中ACL 的损伤，除了需要加强不同情况下的动作技术训练外，还需关注膝关节周围肌群的协调发力，尤其是腘绳肌的激活参与。