疲劳与非预期效应对女子足球运动员侧切动作中膝关节生物力学的影响

邹利民，毛丽娟，伍 勰 ，汤运启，3，黄尚军

0 前言

非接触性前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤是一种高发的膝关节损伤，常见于变向、落地及旋转动作中（Boden et al.，2000）。足球比赛要求运动员具备优秀的变向能力，整场比赛每个运动员平均要完成700次变向动作（Bloom field et al.，2007）。有研究表明，足球运动员是非接触性ACL损伤的高发人群之一（刘卉 等，2008），ACL损伤占男子足球运动员全部损伤的1.3%，占女子足球运动员全部损伤的3.7%（Renstrom et al.，2008），且70%的非接触性ACL损伤发生在变向过程中（Boden et al.，2000；Mcnair et al.，1990）。侧切（sidestep-cutting）是足球运动中常见的变向动作，被认为是导致非接触性ACL损伤发生最主要的风险因素（Mclean et al.，2004b；Sanna et al.，2008）。为此，诸多研究团队对足球运动中侧切动作的生物力学特征及损伤风险因素和机制进行了广泛的研究。

现有关于侧切动作的实验性研究大多是在预期（anticipated）条 件 下 完 成（Besier et al.，2003；SG et al.，2005）。近年来，部分学者对这种实验方法的效度提出了质疑，他们认为，在实际运动中有准备的变向动作较少，大部分变向动作是在非预期（unanticipated）的条件下发生的（Young et al.，2006）。因此，有学者研究了不同预期条件（预期vs.非预期）对完成侧切动作时膝关节生物力学的影响。研究发现，非预期条件下完成侧切动作时，地面反作用力侧向分量，膝关节外翻、内旋角度和内/外翻力矩峰值等指标比预期条件下明显增大，从而导致非接触性ACL损伤风险增加（Besier et al.，2001；Kim et al.，2014，2016）。除“非预期”因素外，在关于ACL损伤发生风险的研究中，“疲劳”是另外一个重要的关键词。数据显示，足球运动中大部分损伤发生在半场比赛的最后15 min或第2个半场的最后30 min（Gabbett，2004），此时的运动员往往处于高度的疲劳状态。实验研究也表明，疲劳会降低肌肉力量和膝关节本体感觉，导致关节稳定性下降（Miura et al.，2004），在完成侧切动作时触地时刻和缓冲阶段膝关节表现出外翻角度、内旋角度和内/外翻力矩增大，进而增加ACL损伤发生的风险（Collins et al.，2016）。

基于上述发现，疲劳因素和非预期因素都会对膝关节生物力学特征产生影响，并增大了非接触性ACL损伤发生的潜在风险。有学者认为，疲劳因素与非预期因素有显著交互作用，即运动员在疲劳状态下完成非预期动作时（与预期动作相比），膝关节稳定性显著降低，ACL损伤发生风险增大（Borotikar et al.，2008；Mclean et al.，2009）。然而，同样有研究认为，疲劳和非预期因素交互作用不显著，并不会增加非接触性ACL损伤发生的风险（Collins et al.，2016；Khalid et al.，2015）。目前，鲜见此类疲劳与非预期双因素混合的实验研究，也尚未形成统一的结论与观点，但这个问题的深入研究对于运动训练与损伤预防都有着重要的现实指导意义。

为进一步验证两者对侧切动作表现是否存在交互作用，本研究拟采用包含非预期指令的疲劳方案以及更接近足球运动实际的非预期变向选择的测试方案，旨在考察疲劳与非预期因素及两者的交互作用对女子足球运动员完成侧切动作过程中膝关节运动学和动力学所产生的影响，并据此评估侧切动作中非接触性ACL损伤的潜在风险。基于前人的研究成果，提出本研究假设：1）疲劳与非预期两因素存在交互作用，双因素交互作用时对膝关节运动学与动力学的影响比单独非预期或疲劳因素下的影响更为显著；2）疲劳因素对侧切动作中的膝关节运动学与动力学存在显著影响；3）非预期因素对侧切动作中的膝关节运动学与动力学存在显著影响。

1 研究对象与方法

1.1 受试者

本研究招募21名大学女子足球运动员（表1）自愿参与该实验。其中，运动水平达国家健将2名，一级16名，二级3名。要求受试者在过去1年中无下肢损伤。在实验开始前，告知所有受试者实验内容，征得其同意后签署知情同意书。

表1 受试者基本情况Table 1 Basic Information of the Subjects

1.2 实验方案

本实验方案分两个部分：测试方案和疲劳方案。全部测试分两轮进行：先完成疲劳前的预期、非预期条件下侧切动作的测试，然后依据既定的疲劳方案对受试者进行疲劳的诱导，待受试者达到本研究既定的疲劳判定标准后，立即对受试者进行疲劳后测试，测试内容同疲劳前。所有对象的预期或非预期测试次序事先随机产生。

1.2.1 测试方案

实验前，确定受试者的优势腿（惯用踢球腿）。本研究受试者优势腿均为右腿（Ford et al.，2003），其后要求所有受试者进行10 min的慢跑热身及3 min的拉伸练习，更换实验服饰（背心、短裤、鞋和袜子），之后向受试者说明实验流程、测试动作及注意事项并让测试者熟悉实验。正式实验中要求每名受试者在长度为7 m的场地上全速助跑，完成预期和非预期两种条件下的测试，场地设计如图1所示。预期条件下，按指令只完成90°侧切动作（优势腿触地后，向优势腿对侧方向90°转向）。非预期条件下，受试者助跑后通过基于Arduino自主设计并加工制作红外光栅阻断器后，需根据转向灯屏幕的指示灯方向完成变向动作，要求分别完成随机的侧切90°、横切45°（优势腿触地后，向优势腿同侧方向45°转向）、转身动作180°（优势腿触地后，与助跑方向180°转向），采集5次侧切动作数据。选取预期与非预期下3次有效的侧切动作数据进行分析。

本研究在非预期条件的设计上混杂了侧切为90°，横切为45°，转身为180°，这3个足球比赛中最为常见的变向动作，运动员在跑动过程中需根据转向灯的随机指令完成相应的变向动作，使得随机完成的侧切动作在理论上满足非预期的假设。

图1 本研究实验仪器架设示意图Figure 1. Experimental Set-ups and Instrumentation

1.2.2 疲劳方案

包含非预期指令的疲劳方案来自前期研究（张强 等，2014），并稍作改进。受试者热身后在瑞士Kistler公司生产的Quattor Jump纵跳台（型号：9290BD）上进行3次疲劳前垂直纵跳，记录其中最高一次的垂直纵跳高度。然后实施疲劳诱导方案。本研究利用自行研制的变向跑训练系统建立疲劳模型，该系统由1个中央控制器和6盏灯所组成，可程序化控制亮灯随机出现（非预期）。实验中要求受试者站在一个半径为3 m的圆圈中，6盏控制灯均匀放置在圆圈四周。当中央控制器发出信号时，其中一盏灯亮起，受试者迅速移动到亮灯位置，通过拍击灯罩将其关闭，此时另一盏灯随机亮起，受试者再次移动到位进行关灯动作（图2）（张强 等，2014）。当亮灯次数达到25次时，受试者转为进行一组连续3次的垂直纵跳测试，受试者竭尽全力也无法使3次纵跳中的最大高度超过其初始最高纵跳高度的70%时（Coventry et al.，2006），认为受试者达到疲劳状态，终止变向跑练习，否则再次接受变向跑练习和纵跳测试，直到满足预定的疲劳条件。本研究采用的每轮变向跑的亮灯次数（25次）根据预实验结果而来，其依据为受试者达到疲劳时所经历的运动总时间基本维持在40 min左右。本研究中受试者采用该疲劳方案的总体用时为39.14±5.26 min。

图2 变向跑疲劳方案示意图Figure 2. Aschematic Diagram of a Variable Direction Running Fatigue Protocol

1.3数据采集和处理

采用红外运动捕捉系统（16个T40摄像头，Vicon Motion Analysis，UK），采集粘贴在受试者身上38个反光Marker球（直径14 mm），布置方案如图3所示。在侧切动作中的三维坐标时间序列，采样频率为200 Hz。三维测力台1块（9287C，Kistler Instruments AG Corp.，Switzerland），于同步采集动作过程的地面反作用力，采样频率为1 000 Hz。捕捉得到的膝关节的运动学和动力学原始数据导入Visual 3D（C-Motion，Inc.，USA）分析软件，采用Butterworth四阶低通滤波器对原始运动学和动力学进行滤波平滑，截止频率分别为12 Hz和100 Hz（Sell et al.，2007）。

图3 受试者红外反光标志球的放置Figure 3. The Set-up of Marker Position

1.4 数据分析与统计

与其他下肢冲击性动作类似，侧切动作的着地初期也通常被认为是膝关节损伤的易感阶段（Boden et al.，2000）。此外，有研究认为，ACL负荷峰值时刻出现在地面反作用力第一峰值时刻（刘卉 等，2011）。为此，本研究根据三维测力台数据确定触地时刻（initial contact，IC）、侧向地面反作用力第一峰值时刻。IC定义为地面反作用力垂直分量GRFz≥10 N的阈值时刻；侧向地面反作用力（lateral ground reaction force，LGRF）定义为与侧切方向相同的地面反作用力分量；垂直地面反作用力（vertical ground reaction force ，VGRF）定义为与垂直方向相同的地面反作用力分量；地面水平向后反作用力（posterior horizontal ground reaction force，PHGRF）定义与水平向后方向相同的地面反作用力分量。

选取指标包括：助跑速度以着地瞬间的重心水平速度代表（approach velocity，AV）、侧向地面反作用力第一峰值、垂直地面反作用力第一峰值、地面水平向后反作用力第一峰值；IC时刻所对应的膝关节三维角度值、LGRF第一峰值时刻下所对应的膝关节三维角度值（屈/伸角、内/外翻角、内/外旋角）和三维力矩值（屈/伸力矩、内/外翻力矩、内/外旋力矩）。其中，本研究依据前人研究做出如下定义：膝关节屈、外翻及外旋为负（－），伸、内翻及内旋定义为正（+）。所有指标的计算均通过Visual 3D完成并导出，数据结果以均值±标准差（M±SD）表示，统计学采用重复测量的双因素方差（Two-Way ANOVA with Repeated Measures）分析，考察疲劳与非预期两个因素对上述变量的主效应及其交互作用，若存在交互作用，则对主效应进行简单效应检验。统计软件采用SPSS 19.0（SPSS，In.，Chicago，IL），显著性水平α设为0.05。

2 研究结果

2.1 运动学指标

本研究运动学研究结果发现，受试者在疲劳前预期和非预期两种条件下的IC时刻，膝关节处于不同的运动状态（内翻、外翻），与预期条件相比，受试者在非预期条件IC时刻表现出较大的膝屈角和内旋角（P＜0.01），外翻角未见显著差异（P＞0.05），但受试者在LGRF第一峰值时刻下外翻角、屈角及内旋角均存在显著性差异（P＜0.05）。非预期效应和疲劳效应对受试者的助跑速度产生不同程度的影响（P＜0.05），除助跑速度外，疲劳效应对其他的运动学指标均无显著性影响（P＞0.05）。疲劳与非预期效应的交互作用对运动学指标影响不具有显著性（P＞0.05）（表2、表3）。

表2 受试者助跑速度Table 2 Approach Velocity of the Subjects / （m·s-1）

表3 不同时刻下膝关节在3个运动平面内的角度Table 3 Angles of Knee Joint in Sagittal，Frontal， Transverse Plane at The Different Moments /°

2.2 动力学指标

本研究动力学研究结果发现，三维地面反作用力第一峰值时刻出现在整个支撑期的前12%左右，与预期条件相比，非预期条件下受试者膝关节额状面和水平面的力矩性质发生根本变化，由内翻和内旋力矩作用迅速向外翻和外旋力矩转换，且在LGRF第一峰值及其峰值时刻下所对应的膝屈力矩、外翻力矩和内旋力矩指标均存在显著性差异（P＜0.05），但垂直和前后方向地面反作用力却无显著性差异（P＞0.05）（图4、5、表4）。疲劳因素仅对LGRF第一峰值时刻下所对应的额状面力矩指标影响具有显著性（P＜0.05）；疲劳与非预期效应的交互作用对动力学指标影响不具有显著性（P＞0.05）。

图4 侧切过程中三维地面反作用力曲线Figure 4. The Ground Reaction Force Curve during Sidestep-cutting

图5 支撑期矢状面、额状面、水平面膝关节力矩变化图Figure 5. Knee Joint Moments in Sagittal，Frontal，Transverse Plane during the Stance Phase

3 讨论

本研究结果显示，疲劳和非预期因素分别对侧切动作中膝关节运动学和动力学指标产生了不同程度的影响，而疲劳和非预期因素并不存在交互作用。以下讨论将围绕疲劳与非预期交互作用、疲劳效应和非预期效应3个方面展开。

表4 地面反作用力第一峰值和侧向地面反作用力第一峰值下膝关节力矩Table 4 The First Peak Value of the Ground Reaction Force and Knee Joint Moments at the First Peak Value of the Ground Reaction Force

3.1 疲劳和非预期的交互作用

本研究结果显示，疲劳与非预期两个因素不存在交互作用，未支持第1个研究假设。Khalid等（2015）和Collin等（2016）分析受试者在疲劳后完成非预期条件下侧切动作时，发现膝关节负荷并没有增加，研究认为，疲劳与非预期两因素共同作用不会额外增加ACL的损伤风险，与本研究结果一致。然而，Mclean等（2009）和Borotikar等（2008）的研究表明，受试者在完成疲劳方案后非预期条件下的侧前方单足落地时（左、右），膝关节外翻角度峰值显著增加，即存在疲劳与非预期的交互效应，研究认为，与单独非预期或疲劳因素相比，ACL在这两因素交互作用的情况下更容易发生损伤。本研究认为，这些研究结果出现差异可能有以下两方面原因：1）研究采用了不同的疲劳诱导方案，而导致了不同的研究结果（Whyte et al.，2018），Mclean等（2009）和Borotikar等（2008）主要采用短时间连续快速的蹲起和跳跃动作交替来进行疲劳诱导，而Collin等（2016）和Khalid等（2015）是利用长时间的间歇折返跑进行疲劳干预，时间上更加接近足球运动的体能专项特征；2）研究动作形式的不同，本研究和Khalid等（2015）的研究针对的是助跑与侧切动作，考察的是人体在额状面内的运动，而Mclean等（2009）的研究采用的跳跃与落地动作则主要表现在矢状面内的运动。

本研究认为，疲劳与非预期两个因素不存在交互作用可以从动作策略的选择角度进行解释：疲劳造成了动作结构及相应动力学的不利变化，非预期亦如此。当两个不利因素组合在一起时，人体对动作失效或损伤风险的感知可能导致即时的动作策略更改，从而在动作任务的完成与自身能力的变化之间寻求平衡。虽然，本研究所假设的交互作用并没有得到支持，但疲劳与非预期的主效应仍对侧切动作的表现有着明显的影响。

3.2 疲劳效应

本研究结果部分支持了第2个研究假设，研究结果显示，在预期条件下，疲劳后膝关节内翻力矩显著下降，在非预期条件下则表现为疲劳后外翻力矩显著增加，未发现疲劳效应对矢状面和水平面上的膝关节运动学和动力学指标产生显著性影响，也没有产生地面反作用力各分量的显著变化。在实验条件下考察疲劳对动作的生物力学影响，疲劳方案的制定十分重要，目前，在侧切动作研究中涉及的疲劳模型主要分为短时间疲劳模型和长时间疲劳模型（Lucci et al.，2011）。短时间疲劳模型一般采用连续爆发性的动作对受试者进行疲劳诱导，比如，连续纵跳、短距离冲刺（Cortes et al.，2013）、单脚蹲跳（Mclean et al.，2009）等。而长时间疲劳方案通常采用一些综合性任务，比如，走、跑、跳等动作组合（Collins et al.，2016；Sanna et al.，2008），使受试者达到预定疲劳目标。本研究的疲劳方案所引入的变向跑练习（约40 min）体现了足球专项体能的特征，与Khalid等（2015）和Collin等（2016）所采用的长时间（60 min）间歇折返跑的疲劳诱导方案有类似之处，时间上都满足了一场足球比赛的生理需要，并可能诱发受试者达到中枢疲劳和外周疲劳（Welsh et al.，2002）。为了使疲劳方案更接近足球比赛的实际情况，本研究在疲劳过程中加入了非预期成分，即通过随机灯光指令引导受试者完成高强度、长时间的变向运动，以达到预设的疲劳目标（纵跳高度下降30%）（Coventry et al.，2006）。通过实施本研究所的疲劳方案，受试者表现为预期条件下疲劳后膝关节内翻力矩显著下降，在非预期条件下则表现为疲劳后外翻力矩显著增加，总体上膝关节额状面的力矩随疲劳有向外翻增加的趋势。有研究认为，在疲劳状态下膝关节外翻力矩的增加，表明了肌-骨系统维持关节稳定性的能力下降（Gillian et al.，2012；Roger，2012）。

从目前的研究文献看，疲劳效应对于侧切过程中的膝关节生物力学影响比较复杂，结果不一。在运动学方面，有研究表明，疲劳会增加膝关节外翻角度（Borotikar et al.，2008；Collins et al.，2016）或内旋角度（Borotikar et al.，2008；Sanna et al.，2008），而对膝关节屈角没有显著影响（Borotikar et al.，2008；Collins et al.，2016；Sanna et al.，2008）；也有研究发现，疲劳后减少了膝关节的屈曲角度（Cortes et al.，2013；Lucci et al.，2011；Mclean et al.，2009）和内旋角度（Lucci et al.，2011）。在动力学方面，前人研究显示，疲劳后会减少膝屈力矩和增加膝关节外翻力矩（Mclean et al.，2009），但有研究表明，疲劳后增加了膝关节的内翻力矩（Geiser et al.，2010）。本研究认为，不同的疲劳方案和选取指标的阶段不同，很可能是造成这些研究结果之间差异的原因。虽然不同的疲劳方案对侧切动作膝关节的运动学和动力学的影响结果不同，但总体上疲劳效应或多或少都得到了体现，这可能归因于疲劳后人体对身体姿势的控制能力下降，从而影响了膝关节的稳定性（Skinner et al.，1986）。

3.3 非预期效应

本研究结果支持第3个研究假设，研究发现，与预期条件下的侧切动作相比，两者的地面反作用力在垂直与前后方向上的第一峰值并不存在统计学差异，但侧向分量第一峰值则差异具有显著性。这是由于在非预期条件下，受试者接收视觉变向指令后，须在极短的时间内通过姿势调整完成侧切动作，相对“仓促”的支撑动作导致不充分缓冲，并显著表现在额状面侧移方向上的冲击力增大（Houck et al.，2006）。

膝关节的运动学与动力学结果表明，在触地时刻和侧向地面反作用力第一峰值下，与预期条件相比，非预期条件下的膝关节表现出更大的屈曲、外翻和内旋角度，以及更大的膝关节外翻、屈曲力矩，这些研究结果与前人研究结果基本一致（Besier et al.，2001；Kim et al.，2014，2016）。有研究认为，在非预期条件下，可能只有利用支撑足外翻着地以及身体向外倾斜才能达到后续的侧切要求（Patla et al.，1999），这也增加了膝关节着地时的外翻角度和内旋角度，这种变化可能会增加非接触性ACL损伤的发生风险。因为过大的膝关节外翻角度会导致韧带对膝关节的约束限制减弱，进而增加膝关节的负荷（Ford et al.，2003），而膝关节内旋角度越大，ACL也越容易断裂（Kim et al.，2014）。

在本研究中，预期与非预期条件下的膝关节力矩曲线（图5）差异显著，特别是在额状面和水平面上的力矩分量。在整个支撑阶段，非预期条件下膝关节主要受外翻力矩和外旋力矩的作用，而预期条件下则主要受内翻力矩和内旋力矩的作用，这是因为整个着地支撑阶段的膝关节姿态差异性所导致的关节载荷不同。值得注意的是，在侧向力第一峰值时刻，非预期条件下的额状面与水平面力矩正处于内翻向外翻，内旋向外旋的转变点，虽然相应的数值较小，但可能预示着此处存在关节运动不稳定的风险。

在矢状面上，非预期条件下整个侧切动作过程中的膝关节屈曲角度增加，这与很多相关研究结果一致（Kim et al.，2014，2016）。膝关节屈曲角度增大可能是由于非预期的条件导致受试者在动作过程中采用一种相对安全的屈膝策略。但Mclean等（2004a）认为，单独的膝关节屈曲角度增大尚不能说明其降低了发生非接触性ACL损伤的风险。如果损伤风险没有因为膝屈增大而下降，那么在非预期条件下侧切动作的ACL损伤有可能是由于膝关节在额状面上的载荷变化所引起的，尤其是对于女性运动员。

4 结论与建议

1）疲劳与非预期因素在侧切动作中交互作用不显著，与单独的疲劳因素或非预期因素相比，两因素同时作用时可能不会额外增加非接触性ACL损伤的风险。

2）疲劳因素导致侧切动作中膝关节额状面力矩产生外翻趋向，这可能是由于肌骨系统维持膝关节稳定性的能力下降所引起的。

3）与疲劳因素作用相比，非预期因素使得侧切动作中膝关节的载荷模式发生根本性变化，可能会导致非接触性ACL损伤的风险增大。

4）建议在设计有效的非接触性ACL损伤风险的筛查方法和预防损伤的训练方案时，可以将疲劳和非预期条件作为两个独立的风险因素加以考虑。