力量素质对正脚背踢球动作腘绳肌生物力学特征的影响

雷静民，李翰君*，张力文，

腘绳肌拉伤是足球、橄榄球、田径等项目中最为常见的损伤之一。在足球项目中，职业运动员腘绳肌拉伤占所有损伤的37%，且有12%～33%的复发率（周林 等，2018；Hägglund et al.，2013；Heiderscheit et al.，2010），不仅影响运动员的运动表现，还会给俱乐部带来经济损失。腘绳肌拉伤主要发生在疾跑动作中，其次是踢球动作（Brooks et al.，2006；Gabbe，2005）。踢球动作造成的腘绳肌拉伤更为严重，平均康复时间为14～28 天（Ekstrand et al.，2011）。正脚背踢球动作是足球项目常用的踢球技术，与其他踢球方式相比，正脚背踢球动作需同时屈膝屈髋（部义峰 等，2007b；Nunome et al.，2002），动作幅度较大、角速度大，能获得更高的球速（Katis et al.，2010），但更易造成损伤。目前，踢球动作生物力学研究主要关注动作技术（部义峰 等，2007a，2010；蒋仲君 等，2010）和动作技术对球速和准确性的影响（傅旭波 等，2021；Palucci Vieira et al.，2021），较少关注踢球动作腘绳肌的生物力学特征和拉伤机制。

动物模型研究表明，肌肉应变（肌肉长度相对静息长度的增量与肌肉静息长度的比）过高是肌肉拉伤的首要形成机制，肌肉拉伤与肌肉拉伸速度和肌肉收缩力无关（Yu et al.，2017）。虽然对于人体而言，在体肌肉的静息长度难以测量，但根据肌肉应变的计算方法，肌肉长度和肌肉应变成正比，且当肌肉长度达到峰值时肌肉应变也达到峰值。所以，在以往腘绳肌生物力学研究中常直接分析腘绳肌肌肉-肌腱复合体（muscle-tendon unit，MTU）的长度（Yu et al.，2008），或采用MTU 长度相对直立时MTU长度的形变量来间接反应肌肉应变（Heiderscheit et al.，2005；Thelen et al.，2005）。此外，有研究提出可以用最优长度（肌力最大时的MTU 长度）代替静息长度（Kaufman et al.，1991）计算MTU 应变。在此基础上，许多生物力学研究探讨了疾跑动作腘绳肌拉伤机制（万祥林 等，2019；Thelen et al.，2005；Yu et al.，2008），发现疾跑摆动阶段腘绳肌在激活状态被拉长，进行离心收缩，MTU 长度和应变在摆动末期达到峰值，因此推测疾跑摆动末期更可能是腘绳肌拉伤的危险时相（Kenneally-Dabrowski et al.，2019）。但是踢球动作腘绳肌拉伤的危险时相尚未明确，不利于对腘绳肌拉伤机制的进一步理解。

另一方面，腘绳肌力量（谭恺 等，2019；Opar et al.，2015；Van Dyk et al.，2016）和股四头肌力量（Freckleton et al.，2013）被认为是腘绳肌拉伤的危险因素，但目前仍存在争论（韩经超 等，2015；Zvijac et al.，2013）。从损伤机制角度考虑，腘绳肌和股四头肌力量不足可能会影响腘绳肌易伤动作中的下肢生物力学特征，进而影响腘绳肌MTU 长度，最终增加损伤风险。Opar 等（2012）分析认为，腘绳肌力量较弱（即较低的腘绳肌与股四头肌的力量比）可能导致动作中产生更长的腘绳肌MTU 长度。Wan等（2017a）研究发现，腘绳肌力量和疾跑动作腘绳肌肌肉应变无显著相关，这可能是因为其只考虑了腘绳肌向心力量，忽略了股四头肌力量和腘绳肌离心力量的影响。同时，腘绳肌力量和股四头肌力量对踢球动作腘绳肌MTU 长度的影响也仍然未知。与疾跑动作相比，踢球动作关节活动幅度更大，大腿前后群肌肉力量更可能对腘绳肌MTU 长度和应变产生影响。在踢球动作中，股四头肌向心收缩、屈髋伸膝，而腘绳肌离心收缩，实现腿部的减速。因此，相比腘绳肌向心力量，更应考虑腘绳肌离心力量和股四头肌向心力量对肌肉长度和肌肉应变的影响。有研究认为，以腘绳肌离心峰值力距（Hecc）与股四头肌向心峰值力距（Qcon）的比值（Hecc∶Qcon）评估大腿前后群肌肉力量更具有功能性（曹峰锐 等，2017；Delextrat et al.，2010）。据此，本研究旨在通过测算正脚背踢球动作中腘绳肌3 块双关节肌MTU 长度特征，结合运动学、肌肉激活特征，探讨踢球动作腘绳肌拉伤危险时相，同时探究腘绳肌和股四头肌力量素质对踢球动作下肢和腘绳肌生物力学特征的影响，进一步明确腘绳肌拉伤机制。

1 研究对象与方法

1.1 受试者

15 名国家一级男性足球运动员自愿参加本研究，年龄（19.79±1.19）岁，身高（179.33±6.44） cm，体质量（70.19±6.96） kg，实验前48 h 内无剧烈活动，半年内无下肢损伤。

1.2 数据采集

实验流程为：1）15 min 国际足球联合会（Fédération Internationale de Football Association，FIFA）足球专项 热身（FIFA11＋）；2）腘绳肌和股四头肌等速力量测试；3）正脚背踢球生物力学测试，采集下肢和腘绳肌生物力学特征参数；4）成功完成3 次正脚背踢球测试后，进行最大自主等长收缩（maximal voluntary isometric contraction，MVIC）测试，期间同步采集肌电信号。

等速力量测试时，要求受试者在Isomed 2000 等速测试仪（D&R Ferstl GmbH，德国）上保持坐姿，屈髋90°，踢球腿完成180 （°）/s、0°～90°的等速向心屈膝、离心屈膝、向心伸膝力量测试，每个动作做1 组，5 次/组。该方法常用于评估足球运动员大腿前后侧肌肉力量和力量均衡性（Delextrat et al.，2010；Sangnier et al.，2007）。

踢球生物力学测试时，要求受试者穿着统一的紧身裤和碎钉足球鞋，依据体表解剖标志，在受试者身上粘贴21 个反光标志点（第4、5 腰椎棘突中点，左右侧的髂前上棘，股骨大转子，股骨外侧髁，股骨内侧髁，胫骨粗隆，腓骨外踝，胫骨内踝，足跟，第1、5 跖骨；图1）。在足球正中粘贴1 个反光片，用于确定脚与足球的接触时刻。股二头肌、半腱肌中间肌腹位置处放置电极片，用Trigno Mobile无线肌电测试仪（Delsys，2 000 Hz，美国）进行肌电采集。测试场地正前方为足球标准球门（图2），场地四周有8 个镜头红外高速运动捕捉系统（Motion Analysis，200 Hz，美国），在动作平面右侧有1 台主光轴垂直于运动平面的高速摄像机（50 Hz）。测试时，要求受试者在足球斜后方准备，从45°助跑2～4 步，用最大力量进行正脚背踢球，将足球踢到球门中央方形标志框内。

图1 反光标志点粘贴位置示意图Figure 1.Pasting Location of Reflective Marks

图2 踢球测试场地示意图Figure 2.Diagram of Kicking Test Site

1.3 数据处理

反光标志点三维坐标通过Butterworth 低通滤波法进行平滑，截断频率为13.3 Hz（Yu et al.，1999），根据标志点坐标建立骨盆、大腿、小腿和足的环节坐标系。根据股二头肌长头、半腱肌、半膜肌起止点相对于髋关节和膝关节中心的相对位置，确定肌肉起止点在环节坐标系中的坐标，通过左、右髂前上棘的距离对肌肉在骨盆的起点坐标进行标准化，通过膝关节中心到踝关节中心的距离对肌肉在小腿上的止点坐标进行标准化（Wan et al.，2017b；Yu et al.，2008）。获得腘绳肌3 块双关节肌起止点在环节坐标系中的坐标后，转化为大地坐标系坐标。MTU 长度为大地坐标系中肌肉起止点连线的直线距离，MTU 拉伸速度为MTU 长度相对于时间的一阶导数。踢球动作周期中的标准化MTU 长度（LN）被定义为：这一时刻MTU 长度（Lt）相对于站立标定时刻MTU 长度（L0）的增量与站立标定时刻MTU 长度（L0）的比，即LN=（Lt-L0）/L0（Thelen et al.，2005）。采用欧拉角方法计算髋、膝的三维角度。肌电信号采用10～800 Hz 带通滤波平滑，然后进行全波整流，再经过20 Hz 低通滤波处理，获得肌电线性包络线，通过3 s MVIC 肌电信号的平均值对整个踢球动作过程肌电进行标准化。

将正脚背踢球动作划分为4 个动作阶段（图3）：主动后摆阶段（踢球腿脚尖离地到髋关节伸展角最大）、大腿前摆阶段（髋关节伸角最大到膝关节屈角最大）、小腿前摆阶段（膝关节屈角最大到足-球接触）和触球随摆阶段（足-球接触到髋关节屈角最大），采用3 次样条插值法对各指标按踢球动作周期阶段进行归一化处理。

图3 正脚背踢球动作阶段Figure 3.Instep Kicking Action Phases

1.4 数据分析

采用配对样本t检验分析小腿前摆阶段和触球随摆阶段腘绳肌最大MTU 拉伸速度、最大标准化MTU 长度的差异。采用Pearson 相关分析检验腘绳肌3 块双关节肌最大标准化MTU 长度、踢球腿下肢运动学特征、腘绳股四力量素质指标（Qcon、Hcon、Hecc、Hcon∶Qcon、Hecc∶Qcon）之间的相关性，相关系数小于0.10 为几乎不相关，0.10～0.39 为弱相关，0.40～0.69 为中度相关，0.70～0.89 为强相关，大于0.90 为非常强相关（Schober et al.，2018）。所有统计学分析采用SPSS 16.0 软件完成，P＜0.05 表示差异显著。

2 研究结果

2.1 等速力量测试结果

等速力量测试结果显示，Qcon为（151.73±26.86）N·m，Hcon为（88.73±18.13）N·m，Hecc为（171.20±28.24）N·m。Hcon∶Qcon为0.59±0.12，Hecc∶Qcon为1.14±0.16。

2.2 生物力学测试结果

正脚背踢球动作最大球速为（19.87±2.09）m/s；正脚背踢球动作中，主动后摆阶段占23.48%±5.77%，大腿前摆阶段占18.11%±4.65%，小腿前摆阶段占14.18%±3.12%，触球随摆阶段占44.21%±6.47%，踢球腿运动学参数见表1。

表1 踢球腿运动学参数Table 1 Kinematic Parameters of Kicking Leg

正脚背踢球动作中，腘绳肌3 块双关节肌标准化MTU 长度从足尖离地开始逐渐减小，在踢球动作周期的41%左右开始增加，在踢球动作周期的80%左右达到峰值，之后缓慢减小直到动作结束（图4，表2）；MTU 拉伸速度在主动后摆阶段和大腿前摆阶段为负值，在小腿前摆阶段和触球随摆阶段为正值，在动作周期的55%左右达到峰值，之后逐渐减小，接近于0（图4）。结合肌电线性包络线（图5）发现，小腿前摆和触球随摆阶段腘绳肌在激活状态下被拉长，进行离心收缩。

表2 两离心动作阶段最大MTU拉伸速度、最大标准化MTU长度出现时刻（%踢球动作周期）Table 2 Occurrence Time of Maximum MTU Elongation Velocity and Maximum Normalized MTU Length in Two Eccentric Action Phases （% Kicking Action Cycle）

图4 腘绳肌MTU拉伸速度和标准化MTU长度Figure 4.MTU Elongation Velocity and Normalized MTU Length of Hamstring Muscle

触球随摆阶段，腘绳肌3 块双关节肌最大标准化MTU长度显著大于小腿前摆阶段（P＜0.001）；半腱肌、半膜肌最大MTU 拉伸速度与小腿前摆阶段无显著差异（P=0.306，P=0.214）；股二头肌长头MTU 拉伸速度显著大于小腿前摆阶段（P＜0.001；表3）。

表3 两离心动作阶段最大MTU拉伸速度和最大标准化MTU长度Table 3 Maximum Elongation Velocity and Maximum Normalized MTU Length in Two Eccentric Action Phases

根据腘绳肌肌电线性包络线结果，半腱肌和股二头肌长头在大腿前摆阶段和小腿前摆阶段激活程度低，在主动后摆阶段肌激活程度适中，在触球随摆阶段激活程度最高（图5）。

图5 踢球动作周期肌电线性包络线Figure 5.EMG Linear Envelop in Kicking Action Cycle

2.3 相关性分析结果

2.3.1 最大标准化MTU长度与下肢运动学参数

腘绳肌3 块双关节肌最大标准化MTU 长度与膝关节最大伸角、膝关节活动范围无显著相关（P＞0.05），与髋关节最大屈角（半腱肌：r=-0.713，P=0.003；半膜肌：r=-0.664，P=0.007；股二头肌长头：r=-0.688，P=0.005）、髋关节活动范围（半腱肌：r=0.618，P=0.014；半膜肌：r=0.596，P=0.019；股二头肌长头：r=0.592，P=0.020）显著相关（表4）。

表4 最大标准化MTU长度与下肢运动学参数的相关性Table 4 Relationship between Maximum Normalized MTU Length and Kinematic Parameters of Lower Limbs

2.3.2 肌肉力量素质与下肢运动学参数

Hcon、Hecc、Hcon∶Qcon和Hecc∶Qcon与 踢球腿下 肢运动 学参数无显著相关（P＞0.05），Qcon与髋关节最大屈曲角（r=0.538，P=0.038）、髋关节活动范围显著相关（r=-0.599，P=0.018；表5）。

表5 肌肉力量素质与下肢运动参数的相关性Table 5 Relationship between Strength Ability and Kinematic Parameters of Lower Limbs

2.3.3 肌肉力量素质与最大标准化MTU长度

腘绳肌3 块双关节肌最大标准化MTU 长度与Qcon、Hcon、Hecc、Hcon∶Qcon无显著相关（P＞0.05），与Hecc∶Qcon显著相关（半腱肌：r=0.679，P=0.005；半膜肌：r=0.724，P=0.002；股二头肌长头：r=0.657，P=0.008；表6）。

表6 肌肉力量与最大标准化MTU长度的相关性Table 6 Relationship between Muscle Strength and Maximum Normalized MTU Length

3 讨论

本研究发现，小腿前摆阶段和触球随摆阶段腘绳肌3 块双关节肌均在激活状态下被拉长，进行离心收缩，但触球随摆阶段MTU 长度、激活程度均大于小腿前摆阶段。MTU 长度在触球随摆阶段中期达到峰值，根据MTU长度和MTU 应变的关系，推断此时MTU 应变也达到峰值，触球随摆阶段可能是踢球动作中腘绳肌拉伤的危险时相，与前人研究结果一致（万祥林 等，2019；Kenneally-Dabrowski et al.，2019；Yu et al.，2008）。

本研究结果表明，正脚背踢球动作中腘绳肌MTU 长度为站立长度的1.12～1.16 倍，腘绳肌最大MTU 拉伸速度为1.71～2.47 m/s。前人研究发现，疾跑动作中腘绳肌MTU最大长度为站立标定时MTU 长度的1.074～1.095 倍（Thelen et al.，2005），腘绳肌最大肌肉拉伸速度为1.31～1.34 m/s（万祥林，2017），股二头肌长头MTU 长度达到站立时的1.12 倍时会造成拉伤（Heiderschei et al.，2005）。据此推测，正脚背踢球动作中腘绳肌MTU最大长度和最大拉伸速度大于疾跑动作，这可能是造成更严重腘绳肌拉伤的原因之一。

本研究表明，腘绳肌3 块双关节肌最大标准化MTU长度只与Hecc∶Qcon显著相关。有研究认为，腘绳肌力量较弱可能会增大疾跑摆动阶段膝伸的速度，从而增大小腿的惯性负荷，使腘绳肌被拉得更长（Opar et al.，2012），与本研究结果不一致。本研究显示，Hecc∶Qcon与腘绳肌最大标准化MTU 长度呈正相关，表明运动员Hecc∶Qcon越大，腘绳肌最大MTU 长度越大。值得注意的是，这并不代表Hecc∶Qcon越大的运动员腘绳损伤风险越大。肌肉应变是腘绳肌拉伤风险的敏感指标（Yu et al.，2017），而运动员腘绳肌MTU 长度大并不等同于其腘绳肌肌肉应变更大。肌肉应变为肌肉长度相对静息长度（肌肉未产生被动张力时的长度）的增量与静息长度的比，在体肌肉的静息长度很难测量，有研究建议用最优长度（肌力最大时的肌肉长度）代替静息长度（Kaufman et al.，1991），但因测算复杂（万祥林 等，2020），本研究未涉及。虽然本研究通过站立时MTU 长度对腘绳肌MTU 长度进行了标准化，但前人研究指出站立时腘绳肌MTU 长度与腘绳肌最优长度呈弱相关（Wan et al.，2017b）。因此，在未知最优长度的情况下，本研究中较大的MTU 长度并不等同于较大的MTU 应变，所以并不能认为Hecc∶Qcon越大，损伤风险越大。

本研究发现，Hecc∶Qcon与髋关节最大屈角呈负相关，髋关节最大屈角与腘绳肌最大标准化MTU 长度呈负相关，提示较大的股四头肌力量（较小的Hecc∶Qcon）可能会造成踢球动作中髋关节屈角变小，从而使腘绳肌最大标准化MTU 长度变小。Pinniger 等（2000）同样发现，当疲劳使腘绳肌力量下降，即Hecc∶Qcon变小后，疾跑动作髋屈角减小，并将这种现象解释为减小腘绳肌负荷的保护机制。综上，推测Hecc∶Qcon与腘绳肌长度的正相关关系也可能是身体的一种保护机制，以此减小腘绳肌制动下肢的负荷。但这一观点缺乏进一步证据，需后续探究Hecc∶Qcon与腘绳肌最优长度、腘绳肌肌肉应变的关系，进一步明确腘绳肌拉伤的危险因素。

4 结论

1）正脚背踢球动作中，腘绳肌在触球随摆阶段进行离心收缩，被拉长到最大，在该阶段更易拉伤；2）腘绳肌最大标准化MTU 长度与Hecc∶Qcon呈正相关，可能反应了身体的一种保护机制；3）相比于Hcon、Hecc、Hcon∶Qcon等力量素质指标，腘绳肌拉伤更可能与Hecc∶Qcon有关。