不同着地技巧对膝关节负荷及其位置影响研究

林宇峰，李海伟，赵铠泽

（1.龙岩学院体育系，福建 龙岩 364012；2.北京体育大学研究生院，北京 海淀 100842；3.福建省体育科学研究所，福建 福州 351032）

不同着地技巧对膝关节负荷及其位置影响研究

林宇峰1，2，李海伟2，赵铠泽3

（1.龙岩学院体育系，福建 龙岩 364012；2.北京体育大学研究生院，北京 海淀 100842；3.福建省体育科学研究所，福建 福州 351032）

目的：探讨膝关节损伤着地技巧对关节负荷和位置生物力学的影响。方法：选取在校20名女子足球专项学生，来完成两个预料外的任务（侧切和转身），分别运用两种着地技术（前脚和后脚着地）。运用重复测量方差分析法，评定每个不同运动任务着地时运动学和动力学参数的差异。结果：前脚着地技术侧切和转身任务时膝关节内收力矩显著高于后脚着地。在侧步闪躲侧切时，运用后脚着地技术时膝关节外翻显著增加，而转身时，运用前脚着地技术膝关节外翻明显。结论：不同的足部着地技术间的生物力学结果有着固有的区别。前脚着地技术越来越多地影响了膝关节内收力矩的负荷，也潜在性地对ACL产生了更大的张力。

膝关节损伤；关节负荷；ACL；着地技巧

膝关节是人体结构最为复杂的关节之一，前交叉韧带是作为维持膝关节稳定性中核心韧带之一，尤其容易受损伤［1］，交叉韧带的损伤更多是发生在动作的减速阶段，特别是膝关节在屈膝缓冲过程中同时受到矢状面方向的应力作用更容易发生［2］。在过去的十年间针对前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤及预防措施的相关报道很多，神经肌肉的控制和生物力学风险因素的评估也被广泛应用［3］。目前，许多研究学者认为在着地缓冲时踝关节的位置和力矩变化是导致ACL损伤潜在性的生物力学标志［4，5］。也有研究报道ACL损伤通常出现在初与地面接触时踝关节在背屈的位置［6］，Cortes等［7］调查了不同的着地技巧导致ACL损伤的发生规律，分析研究相关因素，不同的着地技巧对于膝关节损伤等风险因素的评估是有显著区别的［8］。调查研究发现采用后脚着地时髋关节和膝关节屈曲时关节活动度增加，是前脚撑着地的1.2-2倍［9］。增加关节活动度是为了适应和减少后脚着地时获得更大的地面反作用力，其中地面反作用力会引发较大的股四头肌力和胫骨近端向前的拉力从而增加前交叉韧带负荷［10］。后脚着地时所有受试者采用了一个更加直立的下肢姿势，地面反作用力可以产生相对于膝关节的力矩，从而使股四头肌收缩产生一个相反方向的力矩以保持人体的平衡，股四头肌的收缩将通过膝韧带使胫骨末端受到向前方向的剪切力。地面的反作用力越大，股四头肌的收缩力就越大，从而使前交叉韧带所受的负荷越大。

本研究尝试在实验中用一个侧步闪躲侧切的运动任务和方向改变180度的转身来复制这个动作。虽然实验设计的动作与观察到的侧切动作并不完全一致，但是我们可以通过类似的实验证明，完成侧切和转身运动任务时要求不同的控制机制。研究证明，不同的生物力学风险因素在这些任务中扮演了不同的角色，对关节负荷和位置产生不同的影响。

1 研究对象及方法

1.1 研究对象

选取北京体育大学女子足球专项学生为研究对象，自愿参加这个研究（年龄=21.02±0.53岁；身高=1.61±0.21CM；体重=55.3±5.37KG）。受试者的筛选包括确认之前没有ACL的损伤或手术，过去的6个月时间内没有髋关节、腰部、膝关节或踝关节严重的损伤，或者过去2年内没有进行过此类手术，排除下肢其它任何伤痛或移动困难等症状，优势腿是以参加者在踢球时用的腿来定义的，分析时对优势腿进行分析。在数据收集之前，实验步骤经过专门审查委员会核准，并与所有受试者签署了知情同意书。

1.2 实验器材和测试要求

实验器材包括：Motion Analysis（美国）数字影像捕捉分析系统，由8台摄像机的高速动作采集系统来完成的，数据采集频率1000Hz；通过Kistler 9281CA（瑞士）三维测力台获得地面反作用力的数据，采集样本频率为120Hz。每个受试者都要生成静态站立实验的运动学模型（骨盆、大腿、小腿和足），按照Harris，G.F模型［11］要求在受试者体表相应位置粘贴反光标志点［12］。这个运动学模型是用来测量髋、膝、踝关节动作轨迹的变化。根据标准逆动力学分析，对各指标动态周期变化曲线进行分析，来推算不同着地技巧对关节负荷和位置的影响，分析运动学参数和地面反作用力的数据，通过整合运算得到关节立体三维的合力和力矩［13］。

1.3 实验步骤

受试者穿弹性短裤、紧身内衣和低帮无反光普通运动鞋，在进行数据收集前，完成5分钟热身和5分钟的自我拉伸练习。每位受试者的身高、体重等一般形态指标均有专门人员负责测量。完成热身运动后，反射标记物贴在身体特定位置上（前后髂嵴、大腿、膝、小腿、脚踝、脚后跟和第五跖骨），这是通过修改后标记物设置来确定［14］。受试者需要在进行侧切和转身任务时使用两种不同的着地技巧（前脚和后脚），允许受试者在测试前进行三次的预练习。经录像查验，每个任务收集3次成功实验。如果受试者不是用优势腿落在测力台上、失去平衡、没有用恰当着地技巧完成任务或者没有按软件提示完成恰当任务，均算失败不进行分析，每次试验要求间歇1分钟以上休息时间以减少疲劳。

应用计时节拍器来控制受试者前进速度，受试者必须在与测力台接触时达到最低3.5m/s的速度，一个红外线光束在测力台前2米并穿过测力台，当红外光束被随机发送的运动任务（转身和侧切）穿过和阻断时，电脑应用程序就会被激发，立即会在受试者前的屏幕上产生投射信号。对于侧切任务，受试者以跑开始，并以优势腿落在测力台上。在完成侧切动作时，优势腿的对侧足接触测力台。跑道有一个约为35度的倾斜角度以提供一个最佳的45度的侧切角度。对于转身任务，受试者以优势腿落入测力台并转身180度后跑回开始的位置。前脚着地包括足尖最初接触测力台然后再为后脚掌接触。后脚着地时足跟受限接触测力台，然后再是前脚掌接触。髋关节伸、膝关节屈（-）；髋关节屈、膝关节伸（+）；膝关节：内翻、内收为（+），外翻、外展为（-）。

1.4 数据分析

所有数据的简化用MATLAB（The MathWorks，Inc.，Natick，MA，USA）使用者设置的程序来输出测量数据进入Excel表格［15］。每个动作需要重复测量3次有效数据，再计算出有效平均值，输出到PASW18.0（IBM Corporation，Somers，NY，USA）进行数据分析。用多重比较调整法来调整水平α角度并设定为0.025，着地技巧作为重复因素进行重复测量独立方差分析来评估运动学和动力学参数，对每个任务参数进行不同瞬间的评估。特别是最初接触时包括：膝关节屈曲、外翻、髋关节屈曲、膝关节屈曲和外展力矩以及后部地面的反作用力；后部地面反作用力峰值包括：膝关节屈曲和后部地面反作用力；站立峰值包括：膝关节屈曲、外翻角度、髋关节屈曲、膝关节屈曲和外展力矩。垂直地面反作用力峰值同样进行测量。支撑相定义为从最初接触到足尖离开测力台，最初接触时垂直地面反作用力超过10N；站立峰值定义为由最初接触和50%站立相间确定的最大值。地面反作用力标准化为体重，关节力矩标准化为体重和身高（Nm/kgm）。

表1 最初接触时、后部地面反作用力峰值（PGRF）和支撑相变化指标（0）

表2 最初接触地面时、PVGRF、PGRF和支撑相峰值变化指标（BW*BH）

2 测试结果

2.1 侧切任务

当进行侧切时，受试者在使用后脚着地技术时摆出直立的姿势。特别是在足部最初接触测力台时用后脚着地技术，膝关节屈曲角度明显减小（-41.9± 10.2，-33.3±7，p〈0.001）；膝关节内部内收力矩减小（0.04±0.05，0.01±0.03，p=0.003），增加膝关节外翻（-0.8±10.4，-3.2±8，p=0.031）和髋关节屈曲（48.7±11.4，53.2±9.6，p=0.033）。后脚着地技巧在最初接触地面时也产生较低的垂直地面反作用力（1.6±0.31，1.3±0.31，p=0.013）和减少的后部地面反作用力（0.25±0.13，0.24±0.12，p〉0.05）（见表2）。站立相峰值时，后脚着地技巧与前脚着地技巧相比，膝关节屈、伸（-51.3±6.8，-55.3±5.7）和髋关节屈曲（49±9.6，56.6±7.5）角度显著增大；由于站立项峰值时膝关节屈曲角度与着地技巧的功能任务相关不大，没有统计意义的显著性变化。

2.2 转身任务

转身任务获得了相似的结果。矢状面和额状面力矩变化不明显，后脚着地技巧膝关节角度和力矩变化显著，特别是后脚着地技巧代表了减少膝外翻角度（-12.6±8.1，-7.5±6.9，p〈0.001），膝屈曲（-25.7±7.9，-16.9±6，p〈0.001），膝内收力矩（0.10±0.07，0.011±0.03，p〈0.001），和后部地面反作用力（0.02±0.01，-0.001±0.01，p〈0.001），以及最初接触测力台时增加的髋关节屈曲角度（45.4 ±8.1，49.7±6.8，p〈0.001）。最后，站立峰值，后脚相比于前脚着地技巧得到增加的髋屈曲（57.6±11.9，65.8±11.1，p〈0.001）和减少的膝外翻角度（-13.4 ±8.3，-8.5±8.2，p〈0.001）。

3 讨论

3.1 不同的着地技巧对膝关节位置的影响

目前的研究设计是用来评估两种着地技巧对下肢运动学和动力学的影响。按照研究最初的假设，后脚着地技巧在完成侧切任务时膝关节外翻角会增大和膝关节屈曲角会减小。实验结果在转身任务中没有完整观察到，仅有一个相似点是使用后脚着地时膝关节屈曲角减少，使用前脚着地技巧时膝关节外翻角度增大。研究发现，膝关节损伤的受试者膝关节常常会处于外翻位，同时伴有膝关节内收力矩。不同的着地技巧在两个任务完成中观察得到动力学和运动学的区别，不同的着地技巧代表了不同的力学特征，损伤机制可能是由于着地技巧和任务本质综合而得到的。

研究还发现，膝关节损伤所有受试者不考虑使用哪种着地技巧大都采取了膝关节外翻位着地，当完成转身任务时，采用前脚着地技巧时膝关节的外翻角度明显增大，已有研究报道过受试者膝关节处于外翻位时就是受伤的时候，伴随接触地面的时间为足跟接触位［7，16］。膝关节外翻位与垂直于地面直立位相比，膝关节损伤的可能性明显提高。实验结果显示，不少受试者在前脚着地前就出现膝关节外翻位置的变化，发现损伤甚至出现在前脚着地前，这一结果提示我们不论受试者着地技巧的本质，膝关节外翻角增大和内部内收负荷增加是导致ACL损伤的潜在因素。髋关节外展角减少是外展肌离心控制较弱的结果［8］，膝屈时髋关节外展位的增加量可以通过限制股骨内旋得到代偿，使膝关节避免出现外展位，对降低ACL损伤风险有保护性的效果。

当受试者采用后脚着地完成任务时，与地面最初的接触瞬间膝关节处于相对更加伸展的位置。在完成两个不同任务时，当出现峰值时刻膝关节屈曲角度相似，膝关节都会维持在一个相对固定的外翻位。本研究发现采用前脚着地时更大的膝关节屈曲角度可能有助于保护膝关节不至于外翻过度；减少的膝关节屈曲角度和膝关节的外翻位同时伴随内收力矩，综合作用的结果可能会增加膝关节内部韧带的压力，尤其是增加ACL的负担。笔者认为，膝关节的外翻位置变化对于早期了解膝关节损伤程度具有一定的诊断意义，通过减小膝关节外翻位和负荷，加上合适的着地技巧，可降低膝关节损伤的发生风险。

3.2 不同的着地技巧对膝关节负荷的影响

研究结果显示，在进行转身任务时，对于两种不同的着地技巧间并没有产生垂直地面反作用力的显著变化。但也有研究报道前脚着地的垂直地面反作用力可以达到后脚着地的3.4倍［16］，这个结果有一些让人惊讶。比较两个实验中的差异的原因主要是采用了不同的方法练习，前者是采用了从箱子上纵跳，而后者的主要任务是强调水平动量和最小的垂直动作。在目前的研究中，受试者必须与测力台接触并完成减速到快速加速和方向的转变（侧切），或者在一个完整的减速并进行180度的方向变换后再进行加速（转身）。实验结果显示，不同的着地技巧间并没有影响垂直地面反作用力，或者能解释垂直地面反作用力变化是不显著的。

关于这两种着地技巧，与前脚着地相比，后脚着地技巧的特征为后部地面反作用力增加显著，在最初接触地面瞬间膝关节屈曲角度也会相应减小，这些变化都可能会导致ACL损伤风险提高，这个结果是有意义的。后脚着地会增加后部地面反作用力，理论上是会通过增加近前端胫骨剪切力来增加膝关节韧带结构的张力，张力增大会导致胫骨向前的移位，同时导致膝关节ACL的张力增加。由于减小的膝关节屈曲角度与最初接触地面时膝损伤部位重叠和峰值后部地面反作用力相同方向，研究发现在完成转身任务时，减少膝关节屈曲角度和增大地面反作用力，这个力足以导致对膝关节内部结构产生了负面的影响，还会不断刺激下肢股四头肌的活性，其中地面反作用力引发较大的股四头肌力和胫骨近端向前的拉力从而增加前交叉韧带负荷。这一结果也可以通过进行转身任务时后脚着地技巧，受试者膝关节仅有20度的屈曲角度来证实［16］。较小的膝关节屈曲角度会影响髌韧带的发力，同时胫骨夹角和前交叉韧带倾斜角变小都会导致周围韧带负荷增大。笔者认为，当直立落地时髋关节伸展和膝关节屈曲速度的不一致，髋关节的运动趋向于伸展时，而膝关节因紧张而屈曲，交叉韧带并不是承受膝关节内、外翻和内旋力矩的主要结构。这个综合因素会导致膝关节损伤的发生率提高。

在支撑相前50%的时间内较小的膝关节屈曲角度，维持膝关节的稳定主要靠股四头肌的长头腱，膝关节损伤，预示着ACL损伤的几率就会大幅提升［8］，甚至会导致ACL的断裂。虽然两种不同的着地技巧在膝关节屈曲的整个过程中有些变化，但最大峰值时刻关节屈曲角度是相似的；实验结果显示，最初接触地面时，峰值后部和垂直地面反作用力，会由于受试者膝关节的屈曲角度的减小，而导致膝关节内部所承受的压力增大，瞬间所表现出ACL张力增加，这些结果与已有的报道一致，证明了进行跳深练习在垂直地面反作用力峰值时，后脚着地技巧的膝关节屈曲角度明显小于前脚着地技巧时膝关节屈曲的角度［17］。

膝关节损伤不同的着地技巧对下肢关节负荷和位置均会产生不同的影响，在完成侧切任务时，后脚着地技巧使运动员处于一个更加伸展和外展的膝关节位置，同时膝关节内收力矩也会增加；当使用后脚着地技巧完成侧切任务时，膝关节屈曲角度减少、内收力矩增大，可潜在地对ACL造成更大的压力和张力；膝关节屈曲角度减小不利于股四头肌长头肌腱的工作，容易造成胫骨前后方向的移位，同时也会减少ACL张力作用。通过增大的躯干屈曲从而增加髋关节和膝关节的屈曲，可能是一个ACL的保护性机制。不同的着地技巧对膝关节损伤患者自我保护和ACL损伤的预防是相当重要的。

4 结论

（1）不同的着地技巧可改变落地机制，运动学和动力学参数的差异明显。膝关节仅受内外翻和内外旋力矩不大可能引起临床所见前交叉韧带单独的损伤。

（2）完成转身任务时，使用前脚着地技巧与后脚着地相比潜在的损伤风险性会更大。

（3）完成侧切任务时，后脚着地技巧导致了膝关节处于相对外展和更加伸展的状态，使膝关节内收力矩的峰值增大。

（4）干预手段应该重视下肢力学的着地技巧与任务间的相互作用。

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Influence of Different Landing Techniques on the Knee Joints′load and Position

LIN Yu - feng,et al
（Longyan Institute，Longyan Fujian，364012）

Purpose：This paper aims to discuss the influence of knee injuries on joint load and position biomechanics after changing landing techniques.Method：In the research，twenty female studentsmajoring in football are chosen to finish two unexpected tasks（side dodging and cutting，and turnaround），using front feet touchdown and hind feet touchdown respectively.Repetitive measurement deviation analysis is performed to assess the differences of kinematic and dynamic parameters in every landing technique.Result：when the front feet touch down，adduction torque of the knee joint ismarkedly higher than thatwhen the hind feet touch down（p〈0.001）.In side dodging and cuttingmovement，eversion of knee joint is increasingwhen landed on hind feet.While in turnaround，eversion of knee joint is obvious only when landed on front feet（p〈0.05.Conclusion：there are inherent differences between biomechanical results of different feet touchdown skills.Moreover，front feet touchdown exerts not only an increasing influence on the load of knee adduction torque，but also greater potential tension on the ACL.

knee joint injury；joint load；ACL；landing technique

G804.53

A

1001-9154（2014）01-0074-04

G804.53

A

：1001-9154（2014）01-0074-04

林宇峰（1963-），男，福建龙岩人，副教授，研究方向为运动医学。

2013-10-02