侧切动作中前交叉韧带损伤机制研究进展

时潇 谢地

山东第一医科大学（山东省医学科学院）运动医学与康复学院（山东泰安271000）

前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤是体育运动中最常见和最严重的损伤之一，往往伴随着明显的中期或长期预后不良[1，2]。调查研究表明，女性运动员ACL损伤发生率远高于男性[3]，超过70%的ACL 损伤是非接触性损伤[1，3，4]，即损伤发生时运动员间并未发生身体接触[5]。ACL 损伤和重建患者后期患有膝骨性关节炎的风险增加[6]。ACL 损伤预防已成为生物力学研究的热点问题。然而关于膝关节运动如何导致韧带损伤的研究结果尚有争议，为了最大限度地预防ACL损伤，需要进一步对损伤机制进行探讨[7]。

在篮球、足球、排球等诸多体育赛事中，常见的非接触性ACL 损伤危险动作包括落地支撑、起跳及侧切等[8，9]。运动中伴随的膝外翻、膝关节伸直、胫骨旋转等也会增加损伤风险[10]。与急停起跳和垂直落地前冲动作相比，女子足球运动员完成侧切动作将受到较高的水平方向地面反作用力（ground-reaction force，GRF），产生较小的膝关节屈曲角和较大的膝关节外展角[11，12]。与急停起跳相比较，篮球运动员完成侧切动作时膝关节伸展力矩增加，这种差异使侧切动作时发生ACL 损伤的可能性增大[13]。Zaslow 等[14]对比侧移和侧切动作，探讨较简单的侧移是否能代替侧切来评估膝关节损伤风险。结果表明，侧移可能对评估膝外翻有帮助，然而评价神经肌肉对髋关节内收、外展、旋转的控制能力还不够充分，必要时应使用侧切动作，最好结合三维运动分析进行后续评估。非接触性侧切动作中ACL 损伤发生率最高[15]，对侧切动作进行分析以探讨ACL的非接触性损伤机制具有重要意义。

相关生物力学指标是判断运动损伤风险的重要参考依据。有研究显示，髋关节屈曲角度过小、髋关节内收、髋关节内旋，膝关节屈曲角度过小，膝外翻、外旋角度过大，膝过伸均是ACL 损伤的风险因素[16]。在ACL损伤风险动态评估中常用到侧切动作[4]。侧切动作所需的减速与变向之前的速度有关，有研究探讨速度和膝关节负荷之间的关系[17，18]，综合考虑完成效果和实际产生的负荷，4 ms-1的侧切速度[19，20]对女性运动员来说最为合适。橄榄球运动员在侧切动作的减速阶段[21]，落地时刻与峰值时刻的髋关节屈曲角度、力矩，膝关节外翻角度、力矩是导致ACL 损伤的重要危险因素[21]。Colby等[22]定量研究了侧切动作减速期肌肉电活动的特点，发现低水平的腘绳肌肌电活动和较小的膝关节屈曲角度可能是ACL损伤的危险因素。侧切动作时有缓冲的触地方式与自然触地相比降低了向后GRF峰值，触地时较大的膝关节屈曲可能会减少侧切时ACL的载荷[23]。很多研究通过运动时表现出的生物力学特点来预测运动损伤风险，评估有前交叉韧带损伤风险的运动生物力学特征，但有关膝关节载荷参数的可靠性存在争议[4]。因此，了解侧切动作中ACL损伤机制的研究进展，提供可以在实验室环境中识别的、损伤风险系数高的动作表现出的证据特点[24]，对于平时运动训练和赛场竞技的指导具有重要意义。

1 侧切动作中ACL损伤机制的分析

1.1 侧切时神经肌肉控制对ACL的影响

神经肌肉控制是指通过激活关节周围的动态稳定结构来实现关节的动态稳定，当控制能力低下或肌肉力量不足时，容易引起各种损伤的发生[25]。躯干控制能力不足会导致ACL 损伤频发，特别是在一些高损伤风险动作中，比如侧切[26]。对侧切动作进行与ACL 损伤相关的肌电图（electromyogram，EMG）和运动学分析，结果发现在足接地时，腘绳肌激活度低、膝关节屈曲角度小，加上膝关节股四头肌产生的力，易产生显著的胫骨前移，这可能会使ACL损伤[22]。篮球运动员侧切动作中膝关节半屈曲位，经常发生扭转合并快速蹬伸，股后肌群力量弱以及在过小的屈角上快速蹬伸是膝关节损伤的危险因素[27，28]。Weinhandl等[29]研究在侧切动作中腘绳肌肌肉力量对ACL负荷的影响，结果表明较小的腘绳肌力量会显著增加ACL负荷。可以得出结论：增强腘绳肌的肌肉力量可能会减小ACL的损伤风险。

Iguchi等[3]通过积分肌电数据发现疲劳改变了一些肌肉的活动水平，特别是半膜肌，它作为腘绳肌的一部分协同保护ACL，但疲劳后在侧切动作的触地时刻肌肉活性较低。这种神经肌肉激活模式也是导致非接触性ACL 损伤的预测性因素。总的来说，侧切动作时腘绳肌激活程度低、肌肉力量弱会增大ACL 的损伤风险。增加活动时神经肌肉的控制能力，特别是腘绳肌活性，对于降低ACL 损伤风险有重要意义。这些发现有助于更好地了解非接触性ACL损伤的基本机制。

1.2 易损伤阶段

Xie 等[30]将侧切动作分为停止期和侧方移动期，并对这两个时期的生物力学指标进行了对比，结果表明停止期膝关节最大外翻角、股四头肌肌电活动比侧方移动期大，但侧方移动期腘绳肌与股四头肌的肌电活动量比值较停止期小。因此，女性篮球运动员在侧切动作的停止期，其ACL 可能更容易损伤。Krosshaug 等[31]报道ACL 损伤在接地后17 至50 毫秒之间有可能发生。之前有研究报道ACL损伤往往发生在侧切动作减速期的早期阶段[32]。减速期的早期被定义为从接地至脚尖离地过程中膝关节屈曲小于40°的前20%阶段，国内也有研究定义为前30% 阶段[21]。类似研究表明，非接触性ACL损伤经常在侧切动作的单腿支撑阶段发生[10，33，34]。在这个动作的前25%时期，有较大的减速[35]。在减速过程中，女性运动员的关键潜在损伤因素是峰值膝外翻负荷和膝关节接近完全伸展的状态[10，36]。Bencke等[37]发现侧切动作中膝关节伸展肌的肌电活动量峰值在脚尖触地后大约46 ms 出现，而此时膝屈肌肌电活动峰值有最小值。因此，侧切动作减速期的早期被认为是ACL损伤高发阶段[21，37]。

2 侧切动作的影响因素

2.1 侧切角度对侧切动作中ACL的影响

了解不同角度侧切时关节之间的力学关系、关节受力特点对于预防损伤发生以及降低损伤风险非常重要。Havens等[38]研究侧切过程中关节及关节间的变化如何适应增加的减速和转向等运动要求。与45°侧切相比，足球运动员在90°侧切的触地时刻表现出较小的髋关节和膝关节屈曲、较大的踝关节跖屈；较小的峰值髋关节伸展和踝关节跖屈力矩，较大的膝关节伸展力矩。研究结果进一步表明，髋关节在不同角度的侧切动作中可能起不同的作用，大角度变向的运动模式可能会增大损伤风险。研究显示，在进行90°侧切时，女性髋关节内旋和膝关节内旋比45°侧切时大[7]。Havens等[39]发现在90°侧切动作中，膝关节的伸展力矩是膝关节内收力矩的预测性指标；在45°侧切时，重心和足底压力中心之间的水平距离是膝关节内收力矩的预测性指标，这些关系对理解ACL的损伤机制有重要意义。Sheu等[40]对侧切角度大于90°的侧切动作进行了研究，通过对比，建议采用较小角度的侧切方式（侧切角度＜90°），以降低损伤风险。较大角度的侧切动作表现出的生物力学指标特点往往预示着膝关节ACL的损伤风险更大。

2.2 性别对侧切动作中ACL的影响

Iguchi 等[3]报道，疲劳时，与男性相比，女性运动员在侧切动作触地前50 ms 显示了更大的GRF 冲量、更小的触地时髋关节屈曲角度以及侧切动作过程中较小的髋关节屈曲峰值。结果表明较小的髋关节角度和增大的GRF冲量形成的运动模式使女性运动员更易发生非接触性ACL 损伤，且常伴随运动疲劳。类似的运动学和动力学研究表明，长时间活动后进行侧切动作测试，男性和女性髋关节和膝关节屈曲角度都变小，且女性髋和膝的屈曲角度比男性小[4]。女子足球运动员侧切动作时的膝关节屈曲角较小，足底压力中心更靠近脚尖[11]。Sheu 等[40]在矢状面分析男性和女性足球运动员的运动学指标，发现这两个群体在侧切动作中膝关节屈曲有显著性差异，在触地时刻和峰值时刻女性膝关节屈曲角度均显著小于男性。这项研究的目的是培养女性运动员对伤害的认识，并指导今后开发和实施降低女性非接触性ACL损伤率的方法。Sigward等[41]对年龄在9～23岁之间的156名足球运动员（76名男性，80名女性）实施45°侧切实验，结果表明女性运动员表现出更大的膝关节外展角和内收力矩。在运动任务过程中下肢生物力学的性别差异被认为是导致男性和女性ACL 损伤率不同的一个因素[41]。运动中膝关节的外翻负荷被认为是非接触性ACL 损伤的重要预测性因素，特别是女性[42]。和男性相比，女性标准化后的膝关节外翻力矩值更大。膝关节峰值外翻力矩往往与髋关节内收角、膝外翻角相关。男性和女性在长时间训练干预后膝关节内收角均增大。在这种状态下，男性和女性的损伤风险都增加。

Landry 等[17]比较了男性和女性优秀青少年足球运动员之间神经肌肉和下肢生物力学上的差异。研究发现，女运动员腓肠肌活动性更高且内外侧肌电活动不平衡；而对男运动员来说，从侧切动作的初期至中期，腓肠肌内外侧肌电活动的不平衡不明显。女性运动员在运动初期表现出更大的股直肌肌电活动。研究结果表明，腓肠肌肌电活动量的增加和内外侧肌力不平衡，联合股直肌肌电活动量增加、髋关节屈曲角和屈曲力矩减小、外旋角增大，可能是导致女运动员非接触性ACL 损伤率较高的重要原因。但也有相反的观点，有学者报道男性和女性受试者膝关节运动学和动力学指标没有明显差异，男性和女性受试者做侧切动作时膝关节有相似的运动模式[43]。从大多数研究来看，女性运动员和男性相比，侧切动作中髋、膝关节屈曲角度更小，外翻力矩更大，这可能是造成女性ACL损伤发生率更高的主要原因[41]。

2.3 预判对侧切动作中ACL的影响

Besier 等[44]研究预判对侧切动作中膝关节外部负荷的影响。结果表明无预判组在侧切动作中膝关节内外旋力矩几乎是有预判组的两倍，这可能增大了非接触性ACL损伤的风险。作者把结果的产生归因于受试者在侧切动作之前有太少的时间去做出合适的姿势调整，比如与身体重心相关的脚的位置[44]，从而增大了非接触性ACL损伤的风险。在运动学和动力学方面，Brown等[45]报道无预判的侧切动作中膝关节伸展角度大幅增加，膝屈曲、外展力矩小幅增加；有预判的侧切动作中膝外展、内旋角小幅增加，内旋力矩中等程度地增加。膝关节运动模式在这两种运动条件下存在差异。Kim等[46]发现在没有预判的侧切动作中接地至最大GRF的时间更长，GRF峰值更小，膝关节的屈曲、外翻、内翻角以及屈曲、外翻力矩更大，股外侧肌和股内侧肌的肌电活动量更小，腓肠肌外侧头的肌电活动量更大。该研究表明较大的膝关节外翻角、外翻力矩和腓肠肌外侧头肌电活动量与侧切运动中ACL损伤相关性较强[46]。

Weinhandl等[47]使用肌肉骨骼建模方法探讨预判对ACL 负荷的影响，发现在没有预判的侧切动作中ACL的负荷显著增加，特别是矢状面上的负荷。来自于腘绳肌和股四头肌的肌力及胫骨的剪切力在矢状面上相互作用共同对ACL形成拉力。为了探讨在有无预判的条件下侧切时下肢生物力学的差异，Cortes等[48]开发了一个可视化软件，该软件可以在实验室环境中重新创建一个足球比赛场景。结果发现无预判时膝关节内收角、内旋角显著增大。

Meta 分析结果也表明[45]，在有无预判的侧切动作中，膝关节的运动机制确实存在差异。在没有预判的情况下，ACL 的损伤风险会增加。如果在侧切动作中表现出合适的肌肉激活策略，身体会用相应地缓冲来应对这种状况[49]。在无预判的侧切动作中，运动员的膝关节角度和力矩更大，这和ACL 的损伤状况很类似。因此在无预判的条件下进行侧切动作时非接触性ACL的损伤风险更大。

2.4 下肢偏侧性对侧切动作中ACL的影响

Greska 等[50]研究下肢偏侧性对女大学生足球运动员侧切动作的影响，结果显示触地前、初触地，膝关节内收力矩峰值时刻髋、膝关节角度和力矩，GRF、股四头肌和腘绳肌EMG 振幅及冲刺速度在两侧下肢之间没有统计学差异。该研究结果表明女大学生足球运动员在做侧切动作时优势腿和非优势腿有相似的运动模式，即双侧下肢不存在偏侧性。机器人生物力学模拟研究也显示，在进行生物力学模拟时，肢体可以互换使用[51]。Bencke 等[15]分析比较了青年手球运动员侧切动作中优势侧、非优势侧足触地后30～40 毫秒时膝关节屈曲力矩、外旋和外翻角度、髋关节外展力矩、外翻和内旋角度，结果没有发现两侧下肢的差异。

但也有矛盾的观点，国内有学者报道了侧切动作中男子足球运动员优势侧和非优势侧的差异，结果表明优势侧髋关节屈曲角度显著小于非优势侧；优势侧踝关节跖屈角度显著大于非优势侧；优势侧踝关节呈现外旋力矩而非优势侧踝关节呈现内旋力矩。综合考虑，优势侧损伤风险更大[52]。有研究通过体外模拟试验分析比较了侧切动作中两侧下肢生物力学指标的差异，结果显示男性右侧下肢内收力矩峰值大于左侧，有显著性差异[51]。

从当前研究来看，下肢损伤风险的偏侧性还存在争议。Dai等[53]认为对于侧切动作，两侧膝关节动力学的偏侧性与峰值垂直GRF 和峰值垂直GRF 冲量有关，而垂直GRF 冲量的偏侧性又和膝关节峰值力矩、膝关节平均力矩、膝关节做功相关。垂直GRF 值的大小可以帮助判断膝关节动力学偏侧性，从而协助优化康复结果并减少再次损伤。关于下肢优势侧和非优势侧ACL易损伤机制还需进一步研究。对于不同运动项目的运动员下肢损伤的偏侧性研究较少，目前还不清楚在经验丰富的运动员中是否存在神经肌肉控制方面的不对称性。

2.5 接地技术对侧切动作中ACL的影响

不同接地技术对膝关节负荷也有影响，有研究表明：男性足球运动员进行侧切动作时更倾向于采用足尖接地方式，所受GRF 较小，膝关节屈曲角度、外翻力矩、伸展力矩以及腘绳肌肌电活动量则较大。与男性相比，女性足球运动员落地时倾向于足跟接地，这可能是女性足球运动员ACL负荷增大的原因[11]。有研究报道采用足尖接地技术时较大的膝关节屈曲角度可能有助于保护膝关节，使其不致过度外翻，而采用足跟接地技术时膝关节外翻角度显著增加[28，54]。该研究结果表明，不同的足部接地技术之间存在生物力学差别。侧切时足跟接地使膝关节处于相对外展和更加伸展的状态，增大了膝关节内收力矩峰值。但国外也有研究报道前足接地技术增加了内收力矩负荷，这可能会给ACL 带来更大负荷[54]。当侧切时跨步距离减小并处于膝外翻角度较小的状态且脚尖先触地时，膝关节的外展负荷较低[55]。这些结果可以用来指导ACL 损伤预防。我们建议运动员在侧切动作中应尽量采用足尖接地方式，以减小ACL损伤风险。

2.6 训练干预对侧切动作中ACL的影响

Staynor 等[56]通过侧切动作评估9 周的训练方案是否能减小普通女性运动员ACL损伤风险。该训练方案主要包括增强式训练、抗阻训练、平衡训练等；训练频率为每周两次、每次15～20 分钟。结果显示实验组膝关节峰值外翻、内旋力矩在训练干预后无改变，而参与普通训练的对照组相应指标值增大，表明该训练干预可能能减轻不利影响。Zebis等[57]采用随机对照实验探讨预防训练对青春期女运动员运动生物力学风险因素的影响。实验组在日常训练前进行每周3 次、共12 周的损伤预防训练；对照组进行常规热身训练。实验前后分别指导受试者以尽可能快的速度做侧切动作来模拟比赛场景，同时采集腘绳肌和股四头肌的肌电活动作为评判标准。结果表明该预防训练方案改变了侧切动作中膝关节主动肌-拮抗肌的运动模式，这对ACL可能是一种保护性运动策略。Wilderman等[58]研究6周的敏捷性训练对股四头肌和腘绳肌肌肉激活、膝关节屈曲角度和垂直GRF的影响。结果显示参与训练的受试者在侧切动作触地过程中半腱肌活动性增强，但膝关节屈曲角度和垂直GRF无改变。该训练方案增加了腘绳肌活性，这可能会减少侧切动作时ACL 的损伤风险。Zebis等[59]研究神经肌肉训练对膝关节运动控制的影响，在12个月的干预后，触地前活动阶段和侧切过程中半腱肌肌电活动增强，而股四头肌的活性保持不变。

但也有训练干预效果不明显，Donnelly等[60]研究对足球运动员实施28 周的平衡训练是否能减少侧切动作时作用在膝关节的额外负荷，结果表明在真实的比赛环境中，该训练没有改变运动员膝关节的生物力学指标。同时作者建议可采用侧切动作来评估训练方案的有效性。关于训练干预对侧切动作的影响，建议今后的研究探讨超过一个季度的干预期对降低损伤风险的作用。腘绳肌离心训练结合增强式训练、平衡训练、阻力训练、敏捷性和灵活性训练等多种模式对已确定的ACL 损伤风险有积极预防作用，同时加强侧切技术反馈也是损伤预防方案的重要组成部分[61]。

3 小结

造成ACL损伤的风险因素多而复杂，现实生活中，多项因素往往同时存在、相互联系、共同影响。增强膝关节周围肌肉，特别是腘绳肌力量，加强预判训练对于降低ACL 损伤风险具有重要意义。此外，训练运动员采用足尖接地、较小侧切角度的运动方式等都会对膝关节ACL起到保护作用。

有研究[62]用建模的方式探讨运动变量从而确定侧切时生物力学数据预测损伤的可靠性，主要是分析在完成相关任务时一些特定时间点的运动特点。在所有的运动平面中，尤其是早期阶段，较大的膝关节力矩变化值表明对ACL 损伤的力学机制应做进一步深入研究，目前对侧切动作的动态研究尚不透彻。另外，正如先前从不同的研究角度报道的那样，有学者将变量本身作为ACL 损伤风险的预测因子，但其准确性需要进一步探讨。作为人体最重要的关节之一，膝关节组织结构的损伤与人体运动能力密切相关。侧切动作前进时突然减速、变向会使膝关节承受较高的地面冲击力，增加膝关节ACL张力[15]。通过现有的研究结果探索各种因素之间的内在联系并建立损伤机制模型，从而为更好地设计ACL 损伤预防方案，降低ACL 损伤发病率提供理论依据。