不同落地方向及运动疲劳对侧切动作中前交叉韧带损伤风险的影响

薛博士，杨晓巍，赵建斌，吴 菁，杨 辰，郑亮亮，周志鹏

前交叉韧带（ACL）损伤是日常活动和体育运动中最常见损伤之一，且将近70%为非接触性损伤［1-2］。ACL 损伤后会导致膝关节前后以及旋转稳定性下降，将近20%的ACL 损伤会发展为膝关节炎［3］。目前ACL重建术已经成为ACL 损伤治疗的主要手段，但手术费用极高，且多数患者由于ACL 重建术后下肢肌力、本体感觉、平衡能力下降仍无法恢复至先前运动水平，同时ACL 再次损伤风险也明显增加［4-5］。Boden 等［6］和Mccarthy 等［7］研究指出，非接触性ACL 损伤往往发生在落地支撑、起跳、侧切等快速变向类动作中，支撑腿在落地侧切的支撑阶段往往存在较大的膝外翻角、较小的膝屈角、躯干前倾角等不良动作模式，这些不良的动作模式会导致机体承受更大的地面反作用力（GRF）、膝伸展和外翻力矩、胫骨前向剪切力，从而导致ACL 损伤风险增大。

落地侧切变向动作是体育运动中最常用的动作技术之一，尤其在各种球类项目（例如篮球、足球、橄榄球等）中频繁使用，然而落地侧切动作也是导致ACL 发生损伤的高风险动作之一。运动员为更快地摆脱对手或获取更有利的位置，在执行快速变向动作时躯体会有更大的额状面和水平面活动幅度，并可增大膝外翻活动及GRF，从而可能增加ACL 所受的负荷及损伤风险［8］。有研究表明，人体在执行侧切动作任务时会承受3 倍自体质量的冲击力，过大的冲击力产生的瞬间加速度峰值，会通过人体下肢生物力线向上传导，可能导致ACL 过度负荷，从而增加ACL 损伤的风险［9］。然而，以往研究［8，10-11］中大多采用单一方向的侧切变向动作（例如前向落地侧切或横向落地侧切）进行研究，但是在实际运动中，运动员往往会因战术需要等因素而采用不同方向起跳落地进行侧切变向，并且根据以往研究［10，12-13］来看，不同的侧切角度，会影响侧切变向过程中支撑腿支撑阶段的动作模式，对ACL损伤风险造成不同程度的影响。例如，有研究指出随着侧切角度的增大，膝关节伸展力矩随之增加而屈曲力矩则有所降低［10，14］。此外，有研究显示，与45°侧切相比，在执行110°侧切动作时机体可能会承受更大的GRF 和膝外翻力矩［15］。可见，不同角度落地侧切动作的下肢生物力学特征差异可能对ACL 有不同的损伤风险，单一方向上的生物力学分析不利于全面地评估不同动作模式中可能存在的不同潜在风险因素。

与此同时，当机体处于神经肌肉疲劳状态时，肌肉力量、关节稳定性及动态姿势控制能力均可能出现不同程度的下降［16-17］，从而可能增大下肢关节和韧带的损伤风险，表明运动性疲劳也可能对人体的动作模式产生较大的影响。相关研究发现，尤其是女性运动员，在神经肌肉疲劳后往往由于关节稳定性和动态姿势控制能力的下降而被迫采用较为僵硬的落地动作姿势着地，引起GRF、膝伸展力矩、膝外翻活动有所增加以及膝关节活动度减小，从而增大ACL损伤风险［18-19］。然而，对于男性在运动疲劳后执行不同角度落地侧切动作是否也会改变动作模式及增大ACL 损伤风险尚不明确。譬如有研究发现，疲劳会导致更差的着地策略而增大损伤风险［20］，也有研究发现疲劳不是ACL 损伤风险增大的危险因素［21-23］。

因此，本研究旨在对比男性大学生疲劳前后3 个方向（前向、45°斜向、横向）落地侧切动作的下肢生物力学特征差异，探讨运动疲劳对不同落地方向侧切动作ACL 损伤风险的影响，以期为识别不同动作技术的ACL 损伤风险及制定损伤预防策略提供理论参考。对此，本研究假设：1）不同落地方向可对侧切动作下肢动作模式造成影响，侧切变向角度的增大可能导致更大的前交叉韧带损伤风险；2）运动疲劳会改变男子侧切动作过程中下肢生物力学特征，且在不同侧切变向中的前交叉韧带损伤风险也有差异。

1 研究对象与方法

1.1 受试者情况

根据以往研究［24］，参考主要指标膝外翻力矩（η2=0.14，Effect Size f=0.403），使用“G-power”软件按照80%的统计效能，Ⅰ类误差设为0.05，计算所需最小样本量为12 人。因此，招募15 名健康男性大学生［年龄为（25.2±3.1）岁，身高为（1.74±0.03）m，体质量为（67.9±5.9）kg）］作为受试者。所有受试者均为2 年及以上且每周至少运动3 次的球类运动（足球、篮球、排球）爱好者；实验开始前48 h 内无剧烈运动；近1 年内身体无严重损伤史，且近3 个月内无下肢急性损伤；未进行过下肢外科手术。实验开始之前，所有受试者均已清楚实验流程，并熟练掌握测试动作，签署了《知情同意书》。

1.2 实验方案

受试者统一穿着紧身衣、紧身裤、慢跑鞋，先以2.2 m/s 的速度在跑台上进行5 min 的热身跑［17］，再做充分的拉伸运动［10］。热身之后开始练习疲劳诱导动作和各个方向测试动作直至熟练掌握。最后依次进行疲劳干预前测试、疲劳诱导及疲劳干预后测试。

1.2.1 测试动作

受试者在疲劳前和疲劳后均按照随机顺序完成3个不同落地方向的侧切动作，受试者从3 个不同位置的距离地面30 cm 高的跳箱跳落到距离起跳位置70 cm 的测力台上，要求双脚同时起跳，以支撑腿（定义为踢腿时习惯支撑身体重心的腿）单脚落地支撑后立即以最快速度分别完成前向、45°斜向、横向落地侧切［9，14］，跑出2～3 步后结束动作任务。在本次测试的15名受试者中，14 名以左脚落地支撑侧切，1 名受试者以右脚落地支撑侧切。

1.2.2 测试流程

1.2.2.1 疲劳前测试

每名受试者需要按照随机顺序从3 个方向成功完成2 次落地侧切动作，每个动作测试之间休息1～2min，通过佩戴polar 表保证心率恢复至静息心率后再进行下一个测试动作。

1.2.2.2 疲劳诱导

疲劳前测试完成后，要求受试者负重1/3 体质量的杠铃，并跟随50 次/min 频率的电子节拍器进行连续90°屈膝下蹲［25］。通过《polar 表》和《主观疲劳程度量表》（RPE）对疲劳诱导程度进行监测。疲劳诱导成功的标志为满足以下3 条判定标准的任意1 条：1）受试者连续2 次蹲起失败或连续4 次无法跟上节拍器频率［25］；2）受试者主观感受很费力［18］（RPE 达到17 级以上）；3）心率超过当下年龄最大心率85%［26］。

1.2.3 疲劳后测试

疲劳诱导成功过后立即进行与疲劳前测试相同的落地侧切动作测试，各个方向动作测试之间不休息。为了避免疲劳效果的减退，在每进行下一个动作测试前均让受试者进行3 次原地尽力纵跳［16］。若测试中途无法满足疲劳诱导成功的判定标准，则重新进行疲劳诱导，满足条件后再进行测试。在整个测试过程中，记录受试者疲劳诱导及每次测试动作完成后即刻心率和RPE。

1.3 数据处理

参考Helen Hayes 模型在受试者身上粘贴19 个红外反光标志点（第4、5 腰椎棘突中点，左/右髂前上棘；左/右大腿前侧，左/ 右股骨外侧髁，左/右股骨内侧髁，左/右胫骨粗隆，左/右内、外踝，左/右足跟，左/右足尖），通过8 镜头红外动作捕捉系统（Motion Analysis Raptor-4，USA，200 Hz）和1 块测力台（Kistler，9287BA，Switzerland，1 000 Hz）同步采集受试者在疲劳前后执行3 个方向落地侧切任务时的运动学和动力学参数，每个方向侧切动作采集2 次成功数据。所有运动学、动力学数据导入到“Visual3D”软件，使用截断频率为10 Hz 和50 Hz 的Butter-worth 低通滤波分别对标志点三维坐标和GRF 数据进行平滑处理［19，27］，依据标志点坐标建立人体环节三维坐标系，分别采用欧拉角和逆动力学方法获得髋、膝、踝的三维角度与关节净力矩［8，28］及基于环节三维坐标系计算的胫骨近端前向（y轴）的合力，即胫骨前向切力［29］。分析的特征时刻包括触地时刻和向后地面反作用力首峰时刻，触地时刻定义为支撑脚着地瞬间垂直GRF 大于10 N［30］，向后地面反作用力首峰时刻为前后方向上（向前为“+”；向后为“-”）GRF 出现第一峰值的时刻［31］（如图2所示），落地缓冲阶段被定义为支撑脚触地时刻至屈膝最大时刻［19］，并计算落地缓冲阶段髋、膝、踝矢状面关节活动度。GRF、关节力矩及胫骨前向切力采用体质量（kg）进行标准化处理，所有指标以均值±标准差（M±SD）的形式表示。

图2 45°斜向落地侧切动作模型及落地支撑阶段地面反作用力标准化曲线

1.4 统计学分析

采用双因素重复测量方差对结果进行统计分析，自变量为疲劳（疲劳前、疲劳后）和侧切动作中落地方向（前向、45°斜向、横向），因变量为下肢各生物力学指标，若疲劳与方向存在交互作用，则采用LSD 法调整的事后检验进行后续两两比较，若无交互作用则分析其主效应，显著性水平α＝0.05，所有统计学处理采用“SPSS 26.0”软件完成。

2 结果

2.1 触地时刻髋膝踝关节运动学分析结果

双因素方差分析结果显示，疲劳状态与落地方向对触地时刻髋屈角无交互作用，落地方向主效应显著，均表现为前向＞45°斜向＞横向（p＜0.001），见表1。触地时刻膝屈角、膝外旋角疲劳状态与落地方向之间存在交互作用，事后检验显示：若不论疲劳，45°斜向和横向侧切膝屈角均显著小于前向侧切（p＜0.001），且仅有疲劳前的横向侧切膝屈角显著小于45°斜向侧切；与疲劳前相比，疲劳后3 个方向落地侧切膝关节屈角均降低，但无显著差异（p＞0.05）；疲劳前的横向侧切膝外旋角显著大于45°斜向侧切（p＜0.05），且疲劳后的横向侧切膝外旋角较疲劳前显著增加（p＜0.05），见表1。双因素方差分析结果也显示，疲劳状态与落地方向对触地时刻踝跖屈角、髋外展角无交互作用，落地方向主效应显著，均表现为前向＜45°斜向＜横向（p＜0.001），3 个动作在疲劳前后均无显著性差异（p＞0.05），见表1。触地时刻髋内旋角、膝外翻角和踝内翻角疲劳前后及动作之间均无显著性差异（p＞0.05），见表1。

表1 触地时刻支撑腿的髋、膝关节角度指标统计结果单位：（°）

2.2 向后地面反作用力首峰时刻髋膝关节运动学、动力学分析结果

向后地面反作用力首峰时刻垂直GRF、髋关节内旋角、膝关节外翻角疲劳前后及动作之间均无任何显著性差异（p＞0.05），见表2。双因素方差分析结果显示，疲劳状态与落地方向对向后地面反作用力首峰时刻髋屈角、膝屈角和髋外展角无交互作用，落地方向主效应显著，髋屈角和膝屈角前向＞45°斜向＞横向（p＜0.001），而髋外展角前向＜45°斜向＜横向（p＜0.001），见表2。膝关节外旋角疲劳状态与落地方向之间存在交互作用，事后检验显示：与疲劳前相比，疲劳后的横向侧切膝外旋角显著降低（p＜0.05），前向及45°斜向侧切在疲劳前后均无显著差异（p＞0.05）；疲劳前的前向侧切（p＜0.05）和横向侧切（p＜0.05）膝外旋角均显著大于45°斜向侧切，而疲劳后的3 个方向侧切之间均无显著差异（p＞0.05），见表2。双因素方差分析结果也显示，疲劳状态与落地方向对膝关节伸展力矩、外翻力矩和外旋力矩无交互作用，落地方向主效应显著，45°侧切及横向侧切膝伸展和外翻力矩均显著大于前向侧切（p＜0.05），膝外旋力矩仅有45°斜向侧切显著大于前向侧切（p＜0.05），但是3 个方向侧切疲劳前后均无任何显著差异（p＞0.05），见表2。

表2 向后地面反作用力首峰时刻支撑腿地面反作用力、关节角度、力矩指标情况单位：（°）

2.3 缓冲阶段地面反作用力、胫骨前向剪切力及髋膝踝关节活动度结果

双因素方差分析结果显示，疲劳状态与落地方向对落地缓冲阶段最大地面垂直反作用力和向后地面反作用力首峰时刻胫骨前向剪切力无交互作用，落地方向主效应显著，前向、45°斜向、横向侧切最大地面垂直反作用力逐渐增大，且横向侧切显著大于前向侧切（p＜0.05），如图3 所示；45°斜向（p＜0.05）及横向（p＜0.05）侧切胫骨前向切力均显著大于前向侧切，而疲劳前后均无显著差异（p＞0.05），如图4 所示。双因素方差分析结果也显示，疲劳状态与落地方向对缓冲阶段髋、膝关节屈曲活动度有交互作用：3 个方向侧切髋屈活动度疲劳后较疲劳前均显著减小（p＜0.05），无论疲劳前或疲劳后，横向侧切髋屈曲活动度均显著大于45°方向侧切（p＜0.05），如图5 所示；无论疲劳前或疲劳后，45°斜向与横向侧切膝屈活动度都显著大于前向侧切（p＜0.001），且疲劳后均有减小的趋势，但是仅有横向侧切显著降低（p＜0.05），如图5 所示；疲劳状态与落地方向对缓冲阶段踝跖屈角无交互作用，落地方向主效应显著，且前向＜45°斜向＜横向（p＜0.05），虽然3 个方向侧切踝跖屈角疲劳后有所降低，但无显著差异（p＞0.05），如图5 所示。

图3 3 个方向落地侧切动作缓冲阶段支撑腿最大垂直地面反作用力

图4 3 个方向落地侧切动作向后地面反作用力首峰时刻支撑腿胫骨前向切力

图5 3 个方向落地侧切动作缓冲阶段支撑腿髋、膝、踝关节活动度

3 讨论

在本研究的疲劳诱导和疲劳后测试过程中，受试者心率均达到预期最大心率的85%以上，主观疲劳程度也均达到17 级以上。以往研究普遍认为，在短时的疲劳诱导过程中，心率超过最大心率的85%或RPE达到17 级以上时，中枢神经和外周肌肉则会处于疲劳状态［18，26］。因此，本研究认为测试中所有受试者均成功完成疲劳诱导。

3.1 不同落地角度对侧切动作前交叉韧带损伤风险的影响

本研究结果显示，在触地时刻和向后地面反作用力首峰时刻3 个方向落地侧切动作中髋关节、膝关节屈曲角前向＞45°斜向＞横向，且两时刻的膝关节屈曲角均小于30°。以往研究认为，以较小的髋、膝关节屈曲角完成着地减速制动时，伸髋屈膝肌群的耗散功能被弱化，导致膝关节承受更大的载荷，从而增加ACL损伤的风险［32-33］。在侧切落地减速阶段，较小的躯干前倾角和髋关节屈曲角在降低臀大、臀中、臀小肌及腘绳肌的激活水平的同时，提高了股四头肌的激活水平，这种激活模式的改变不仅增大了胫骨的前向切力，也削弱了伸髋肌群对关节载荷及GRF 的吸收缓冲作用，最终导致ACL 损伤风险增大［34］。而在着地的早期阶段，较小的膝关节屈曲角（＜30°）会限制腘绳肌的激活水平，导致胫骨前向位移增大，使得ACL 受到的张力明显增大［35-37］。此外，Gerritsen 等发现着地早期的膝关节屈曲角度与GRF 呈负相关——膝屈角每减小1°，GRF 大约增加68 N［38］。而较大的膝关节屈曲角能更充分地激活股后肌群，使机体在运动中能更有效地对抗股四头肌对胫骨的前向剪切力，有利于维持胫骨矢状面的稳定性，进而降低ACL 损伤风险［39-41］。同时，相关研究认为如果在触地制动早期阶段增大髋、膝关节屈曲角度，则有助于机体在落地支撑阶段充分吸收能量和减少ACL 所受负荷［39，41］。在本研究中，3 个方向落地侧切动作中，触地时刻膝屈角均小于30°，说明3个动作均具有一定ACL 损伤风险［39］，而触地时刻髋、膝关节屈曲角前向＜45°斜向＜横向，又说明前向、45°斜向、横向落地侧切动作ACL 损伤风险依次增加。

如前所述，在执行侧切任务时，人体在触地阶段将承受自体重量3 倍的冲击力，这些冲击力沿下肢骨骼肌肉向上传导，使下肢关节韧带过度负荷，从而会增大损伤风险［9，42］。为了降低地面冲击对关节的过度载荷，人体会通过髋、膝、踝关节的屈伸对其进行缓冲吸收，在侧切动作中，将近2/3 的冲击力在膝、踝关节处被耗散［28，43］。有研究发现，随着侧切角度的增加，减速制动和重新定向的难度会有所增大，膝关节负荷亦随之增大［44］。本研究中的前向、45°斜向、横向落地侧切由于落地变向角度依次增大（45°、90°、135°），而3 个方向侧切动作向后地面反作用力首峰时刻垂直GRF和最大地面垂直反作用力也均有增大趋势，且胫骨剪切力也依次增大，这与先前研究［15，45］结果一致。值得注意的是，前向、45°斜向、横向侧切触地时刻踝关节跖屈角度依次增大，与Havens［10］在比较45°与90°平地跑侧切时的发现极为相似——在触地时刻，90°侧切比45°侧切表现出更大的踝关节跖屈角度。分析其原因可能与触地时刻髋、膝关节屈曲角度变化有关，随着侧切角度的增大，触地时刻髋、膝关节屈曲角度减小，髋、膝关节对能量的吸收作用降低，机体为了更好地缓冲地面冲击和降低膝关节载荷，而采用增大触地时刻的踝跖屈角的方式，将缓解地面冲击的重心由膝关节转移至踝关节，但是结合胫骨前向剪切力和GRF依次增大来看，说明通过增大踝跖屈角度产生的缓冲作用还不足以减轻髋、膝关节角度减小产生的危害。综上所述，前向、45°斜向、横向落地侧切动作ACL 损伤风险仍然依次增加。

相关研究表明，侧切动作的触地早期阶段是ACL损伤的高发阶段［46-47］，Krosshaug 等认为落地后50 ms内易发生损伤，向后地面反作用力首次峰值也出现在此阶段，此时可能出现膝关节伸展力矩峰值［48］。又有研究表明，在支撑阶段较大的膝伸展、外翻力矩和较小的膝屈曲角等会增加ACL 应力，尤其是当膝关节角度小于30°时，较大的膝外展角和外展力矩会显著增大ACL 的负荷［49］。Chaudhari 等在研究中提出，落地时膝关节额状面角度由0°增加到10°时，ACL 损伤的阈值会由垂直GRF 的5.1 倍体重下降至2.2 倍［50］。此外，当膝关节外展角度为5°时，ACL 受到的牵拉负荷将增大6 倍［51］，而当外翻角度增加到8°时，就可能导致ACL 韧带损伤［52］。但Lohmander 等却发现，单独膝关节额状面上的角度不会增大ACL 损伤风险，只有在具有较大膝伸展力矩的同时具有较大的膝外展角才会明显增加ACL 负荷，从而增大其损伤风险［53］。本研究结果显示，前向、45°斜向和横向侧切动作，向后地面反作用力首峰时刻膝关节伸展力矩和膝外翻力矩均依次增大，说明随着侧切角度的增大，ACL 损伤的风险也随之越大。因此，以上结果部分验证了本研究的第1 个假设。

3.2 运动疲劳对落地侧切动作前交叉韧带损伤风险的影响

有研究者认为，落地变向侧切相较于平地跑侧切，可能会通过增大膝、踝关节活动度增大对地面冲击力的缓冲［32］，但是当机体处于运动疲劳状态时，神经肌肉控制能力下降［54］，人体往往会采用较为僵硬的动作模式着地，导致关节周围肌肉韧带被动地吸收过多的能量，从而使关节韧带的损伤风险增加［55-56］。Mornieux 等发现，随着侧切角度的增大，膝关节将承受更大的载荷，ACL 损伤风险会增大［44］。本研究中的45°斜向和横向侧切动作，落地缓冲阶段的膝关节屈曲幅度和踝关节跖屈幅度都显著大于前向侧切，并且3 个方向侧切依次呈增大趋势，这可能是人体在执行高风险动作时的一种自我保护策略。但对比疲劳前后，除前向侧切膝关节屈曲幅度外，3 个方向落地侧切动作髋、膝、踝关节活动幅度在疲劳后均出现减小趋势，且3 个方向侧切髋关节屈曲幅度和横向侧切膝关节屈曲幅度均显著小于疲劳前，说明疲劳后采用了更为僵硬的动作模式。而本研究中的疲劳后3 个方向落地侧切膝关节外翻力矩均有所增大，说明与疲劳前相比，疲劳后可能具有更大的ACL 损伤风险。此外，值得注意的是，3 个方向侧切中的横向侧切髋屈活动度在疲劳后减小幅度最大，并且只有横向侧切膝屈活动度疲劳后显著减小。造成这一结果的原因可能是，本研究使用的连续负重深蹲疲劳诱导方案对横向落地侧切产生了特异性影响。首先，在下蹲过程中随着屈膝、屈髋角度的增大，伸髋、伸膝肌群被拉长，会产生更大的收缩力［57-58］。但伸膝、伸髋肌群的高强度离心收缩，引起了该2 组肌群的疲劳，使其离心收缩能力下降，导致支撑腿在侧切落地缓冲阶段屈膝屈髋活动范围减小。其次，横向落地侧切相较于前向、45°斜向侧切需要先进行横向的移动，落地后身体存在更大的冠状面上的不稳定，机体可能需要更多冠状面上的肌肉活动去维持稳定，而矢状面上的控制能力减弱。上述2 方面原因使得横向落地侧切髋屈活动范围降低幅度最大以及膝屈活动范围显著减小。这可能说明疲劳在更大角度的落地侧切中产生的影响更明显。由此认为，疲劳在大角度侧切中对ACL 损伤风险的影响可能更加明显。因此，以上结果部分验证了本研究的第2 个假设。

本研究也具有一定局限性。首先，受试者为普通男性大学生，因此，得出的结论对不同运动水平、不同训练年限以及不同专项的运动员缺乏一定的普适性。其次，本研究仅从运动学和动力学特征方面进行分析，缺少肌肉表面肌电数据的收集，未能对肌肉激活特征和协调作用在ACL 损伤中的影响进行探讨。此外，本研究未对以不同着地方式、侧切速度完成侧切动作时的生物力学特征进行比较，后续可以开展不同着地方式或侧切速度对侧切动作中ACL 损伤风险的影响。

4 结论

前向、45°斜向、横向落地侧切随着侧切变向角度的增大，在落地侧切动作中出现落地支撑阶段髋、膝关节屈曲角减小，以及膝伸展、外翻力矩增加等动作模式的改变，存在的前交叉韧带损伤风险可能依次增加。运动疲劳主要通过减小下肢关节活动度、增大膝外翻力矩等改变男性受试者侧切动作过程中的生物力学特征，可能增大了前交叉韧带损伤风险，并且这种影响在大角度侧切变向动作中更加明显。