艺术体操运动员脊柱曲度异常与躯干两侧活动度和力量对称性的关系

包 蕾，刘 卉，高维纬

随着艺术体操项目联合难度（UNIT）和特殊艺术性加分（CAP）在评分规则中的出现和跳跃式发展（刘瑞峰 等，2009），教练员和运动员不得不寻找更加高难度的动作以在比赛中取胜，使得该项目对运动员身体素质和技术动作的要求越来越高，与此同时，运动损伤的发生也愈加频繁。调查表明，艺术体操运动员损伤发生率高达73.7%～100%（樊莲香，2002；胡效芳 等，2007；刘瑞峰 等，2009；王煜 等，2002；曾伟，2005；朱娜 等，2004），其中，腰背部损伤最为多见（张景 等，2005）。艺术体操运动员脊柱侧凸检出率远高于普通人群，且平背现象多发，容易造成胸椎或腰椎的曲度减小甚至是反弓。有研究发现，艺术体操运动员脊柱侧凸的发生率为70%（王煜 等，2005），腰椎错位和棘突偏歪的发生率分别为16.7%和18.4%（张景 等，2005）。艺术体操运动员脊柱侧凸除了影响日常生活外，结构改变所带来的疼痛也会严重影响运动员专项动作的完成，制约运动员训练水平的提高（樊莲香，2002）。而运动员带伤训练极有可能破坏轻度脊柱侧凸的自然归直，致使症状加速发展。

目前，脊柱侧凸研究主要针对普通青少年人群，获得了脊柱侧凸人群和正常人群在椎体形态（Ponrartana et al.，2016）、椎旁肌肌梭数量（王洋 等，2001）、步态（游国鹏，2010；Kramersde et al.，2004；Mahaudens et al.，2009）、主要肌群肌电、力量（Anwajler et al.，2006；Skrzek et al.，2003）等方面的差异。也有研究发现，侧凸的脊柱两侧椎旁肌纤维成分（张绍文 等，2009）和肌纤维分布不对称（吴亮 等，2004）。也有研究通过对艺术体操运动员脊柱X光片的三维角度计算，描述艺术体操运动员脊柱曲度异常的特征（张晓亚 等，2016），并对艺术体操运动员的椎旁肌物理状态、肌电活动和躯干肌力量对称性进行了研究（苗欣，2013）。但是，无论对普通青少年脊柱侧凸患者，还是艺术体操运动员，所表现出来的特殊症状究竟是继发性反应还是造成脊柱侧凸的原因还并不清楚。Tanchev等（2000）根据对100名无脊柱家族病史、过往伤病及先天性异常的艺术体操运动员的调查推测，艺术体操运动员脊柱侧凸致病因素主要为不对称的脊柱负荷、发育延迟和关节松弛。也有研究者通过理论分析推测艺术体操运动员的脊柱侧凸与训练负荷的不对称（侯金林 等，1996；王煜 等，2005）、椎体形态不规整（侯金林 等，1996）及腰背部肌力不平衡（张智勇等，1999）有关。

总结已有文献可以看出，虽然艺术体操运动员脊柱曲度异常这一问题的严重性已经被意识到，但对其损伤机制和风险因素的研究并不充分，更缺乏结合专项动作特征或运动员身体能力分析脊柱曲度异常的研究，因此，也就无法制定针对性的预防策略。本研究的目的是测量和分析艺术体操运动员的脊柱曲度、躯干肌肉力量和完成搬腿动作时躯干活动幅度的特征和关系，描述艺术体操运动员在日常状况下和完成专项动作时脊柱异常的表现，着重观察躯干两侧对称性，探讨艺术体操专项训练对脊柱的影响，并进一步分析可能与脊柱曲度异常相关的因素，为分析艺术体操运动员脊柱侧凸病因提供思路和数据上的支持，为艺术体操运动员脊柱侧凸预防策略的制定提供依据。

1 研究对象与方法

1.1 受试者

本研究的受试者为9名艺术体操运动员，其中5名为国家艺术体操队队员，4名北京体育大学竞技体校艺术体操队队员，年龄14.2±2.3岁，身高156.0±11.7 cm，体重38.76±7.98 kg。受试者均为右利手，优势侧均为右侧。2人无损伤史，1人4年前左脚骨折已愈合，其余6人均有不同程度腰部、髋部、膝部和足部疼痛史，但测试当天所有受试者无影响动作表现的疼痛。

1.2 数据采集

1.2.1 全脊柱X光片拍摄

运动员进行站立位脊柱正位和侧位的X光片拍摄。X光片由低剂量数字X光机（北京航天中兴医疗系统有限公司）进行拍摄。进行站立位正位片（图1左）拍摄时运动员两肩放松，手臂自然下垂于体侧，两眼平视前方；进行站立位侧位片（图1右）拍摄时运动员肩关节前屈，手臂上抬至水平或偏上位置，身体直立与地面垂直，两眼平视前方。正位片拍摄范围由两耳耳屏水平到腰椎结束，髂嵴须拍摄在内，骶骨可部分拍摄。侧位片拍摄范围由两耳耳屏水平到尾椎结束。

图1 脊柱正位和侧位X光片Figure 1. Anteroposterior and Lateral X-ray of the Spine

1.2.2 躯干活动度测试

应用三维摄像方法定量评价运动员完成腰部过度后伸的后搬腿动作和腰部过度侧屈的侧搬腿动作时的脊柱运动幅度。受试者站在地面标示的固定位置上，面朝固定方向完成侧搬腿和后搬腿动作（图2）。侧搬腿动作时要求一条腿保持直立，另一条腿按训练要求侧搬；后搬腿动作要求运动员一条腿保持直立，另一条腿按训练要求后搬。两台SONY摄像机分别架于受试者斜后方，主光轴夹角约90°，拍摄频率为50 Hz。应用PEAK三维框架对拍摄范围进行标定。分别拍摄运动员两侧腿3次侧搬和后搬动作，取活动幅度最大的1次进行分析。

1.2.3 躯干肌肉力量测试

运用芬兰产DAVID F110胸椎/腰椎后伸肌群测试系统对运动员的坐姿躯干后伸等长收缩力量进行测试（图3左）。正式测试前受试者进行10 min的准备活动。测试时受试者放松端坐于座椅上，调节座椅高度使髂嵴最高点对应于仪器的指定位置，调节足部踏板使得膝关节呈90°屈曲状态，按照系统操作手册上的要求进行相应关节的固定。正式测试的角度分别为躯干屈伸解剖0°位、屈曲15°位和屈曲30°位。不同角度的测试之间需调试背部阻力靠垫的高度，使其上缘均对准受试者起始位置时的肩胛冈处。测试时受试者在不同躯干屈曲角度下尽力完成躯干后伸动作，提示受试者腰背部用力，双手自然下垂。每个角度进行3次稳定测试，记录每次的峰力矩值，结果取3次测试的平均值进行分析。

图2 侧搬腿动作和后搬腿动作Figure 2. Side Kick and Back Kick

运用DAVID F150胸椎/腰椎双侧屈肌群测试系统对运动员的坐姿躯干双侧侧屈力量进行测试（图3右）。受试者放松骑坐于座椅上，按照系统操作手册上的要求调节座椅进行相应关节的固定。测试的起始体位分别为躯干解剖0°位、左侧屈15°位、左侧屈30°位、右侧屈15°位和右侧屈30°位。测试时受试者尽自己最大能力完成躯干侧屈动作，提示受试者躯干用力，双手放松。每个侧屈角度下各测量3次两个方向的侧屈力量，记录每次的峰力矩值，结果取3次稳定测试的平均值进行分析。

图3 躯干后伸和侧屈力量测试Figure 3. Test of Trunk Extension and Lateral Flexion Strength

1.3 数据处理

运用北京航天中兴有限公司自行研制的Worker光片处理软件对正位和侧位脊柱X光片进行脊柱弯曲角度的计算。应用Cobb法测量X线像的脊柱额状面Cobb角和矢状面生理曲度（图4），计算两次取平均值。

图4 脊柱额状面Cobb角和矢状面生理曲度的测量Figure 4. Measurement of Cobb Angle and Sagittal Physiological Curvature of the Spine

运用视讯图像解析系统对两台摄像机的拍摄图像进三维录像解析，获得受试者第七颈椎点、耻骨点、肩关节中心点，髋关节中心点和膝关节中心点（表1）的三维坐标。后搬腿幅度和侧搬腿幅度定义为第七颈椎点与耻骨点连线和髋关节中心点与膝关节中心点连线的夹角，角度越小，幅度越大。躯干扭转角定义为左右肩关节中心点连线与左右髋关节中心点连线之间的夹角，角度越大，幅度越大。

表1 角度计算标志点的位置Table 1 Positions of the Mark Points

躯干等长力量测试时的力矩峰值分别除以受试者体重，标准化为单位体重力矩峰值（Nm/kg）。

1.4 统计处理

采用配对t检验对受试者躯干运动幅度和躯干力矩的左右对称性进行比较。采用置信区间估计检验不同主侧凸方向受试者的搬腿动作躯干特征的差异，采用Pearson积距相关系数表示相关性。显著性水平定为一类误差概率不大于0.05。

2 结果

2.1 X光片脊柱曲度异常情况

9名运动员中8人出现脊柱异常弯曲（表2），其中2人的Cobb角大于10°。脊柱异常运动员中双弯6人，单弯2人，其中7人主侧凸向左，1名向右。根据顶椎位置判断（叶启彬，2002），8名脊柱异常受试者主侧凸发生在胸段、胸腰段和腰段。

9名运动员中8人有不同程度的颈曲反弓现象（表3）。有7人出现平背现象，胸曲被迫下移至胸腰段，此时胸曲的顶椎多位于胸11、胸12。下移的胸曲下端椎往往累及到腰椎，腰曲变短，并有不同程度的弯曲度减小。根据脊柱矢状面弯曲角度的分析，胸曲形态分为两种：1） C形胸曲，胸曲弯曲方向无改变，弯曲度数不同程度改变，甚至减小到出现平背现象；2） S形胸曲，如表3中2号和6号受试者的胸曲形状，脊柱胸段上端平直或微前凸，下端后凸，多伴随腰曲下移。

表2 艺术体操运动员脊柱侧凸情况Table 2 Scoliosis in Rhythmic Gymnastics Athletes

2.2 躯干两侧活动度的左右对称性及其与脊柱特征的关系

运动员完成左腿侧搬和后搬动作时骨盆相对于上躯干向左扭转，反之右侧搬腿时骨盆相对于躯干向右扭转。本研究受试者完成侧搬腿时活动幅度和躯干扭转角在两侧间无显著性差异，但完成后搬腿动作时，后搬左侧腿时的活动幅度角显著小于后搬右侧腿，而后搬左侧腿时躯干向左扭转的幅度显著大于后搬右侧腿时躯干向右扭转幅度（表4）。

侧搬腿时活动幅度角与对应躯干扭转角呈显著负相关关系（左搬腿r=-0.918，P＜0.001；右搬腿r=-0.891，P＜0.01），但后搬活动幅度角与对应躯干扭转角相关不显著（左搬腿r=-0.570，P=0.109；右搬腿r=-0.415，P=0.267）。

本研究中1名主侧凸为右凸的受试者的侧、后搬腿活动幅度角和躯干扭转角均位于主侧凸左凸受试者相应角度的95%置信区间内，未见因主侧凸方向不同而存在的差异（表4）。

将右侧凸受试者的脊柱侧凸情况进行镜像处理，将可计算出主侧凸Cobb角的7名受试者的Cobb角度数与侧搬腿活动幅度角、侧搬腿躯干扭转角、后搬腿活动幅度角、后搬腿躯干扭转角之间进行相关性分析，结果均无显著相关。选取9人矢状面方向向后的胸曲角度和方向向前的腰曲角度分别与侧搬腿活动幅度角、侧搬腿躯干扭转角、后搬腿活动幅度角、后搬腿躯干扭转角之间进行相关性分析，结果显示，胸曲角度与右侧搬腿活动幅度角存在正相关（P＜0.05），与右侧搬腿躯干扭转角之间为显著负相关（P＜0.05），腰曲角度与左侧搬腿活动幅度角之间存在显著正相关（P＜0.05），与右侧搬腿躯干扭转角之间存在显著负相关（P＜0.05，表5）。

表3 艺术体操运动员脊柱矢状面曲度Table 3 Sagittal Curvature of the Spine in Rhythmic Gymnastics Athletes

表4 艺术体操运动员搬腿动作躯干运动特征Table 4 Trunk Movement Characteristics during Side Kick and Back Kick in Rhythmic Gymnastics AthleTes /°

表5 艺术体操运动员脊柱弯曲角度与躯干活动角度间的相关系数Table 5 The Correlation Coefficient between the Curvature of the Spine and the Movement Angle of the Trunk in Rhythmic Gymnastics Athletes

2.3 躯干等长力量左右对称性及其与脊柱特征的关系

运动员脊柱主侧凸Cobb角度、脊柱矢状面胸曲角度、腰曲角度分别与在3个位置躯干后伸单位力矩峰值的相关分析表明，胸曲角度与3个位置躯干后伸单位力矩峰值均存在非常显著的负相关关系，但主侧凸Cobb角、腰曲角度与躯干后伸单位力矩之间的相关关系不显著（表6）。

对躯干侧屈力量的测试结果显示，运动员右屈力量显著大于左屈力量。躯干位于中立位时（0°位）向右屈的单位力矩峰值（1.51±0.61 Nm/kg）显著大于向左屈（1.31±0.77 Nm/kg）（P＜0.05）；躯干从右屈15°位置向右屈的单位力矩峰值（1.94±0.71 Nm/kg）显著大于躯干位于左屈15°时向左屈的单位力矩峰值（1.43±0.59 Nm/kg）（P＜0.001）；躯干位于左屈15°时向右屈的单位力矩峰值（1.73±0.81 Nm/kg）也显著大于躯干位于右屈15°时向左屈的单位力矩峰值（1.28±0.62 Nm/kg）（P＜0.05）。右屈30°位置向右屈的单位力矩峰值（1.63±0.56 Nm/kg）与左屈30°时向左屈的单位力矩峰值（1.35±0.60 Nm/kg）之间不具有显著性差异（P=0.051），起始体位为左屈30°位置时的躯干右屈单位力矩峰值（1.94±0.89 Nm/kg）显著大于右屈30°时的左屈单位力矩峰值（1.50±0.74 Nm/kg）（P＜0.05）。

将主侧凸为右凸的1名受试者与其他主侧凸为左凸的7名受试者在搬腿动作躯干发力特征上进行对比，未见因主侧凸方向不同而存在的差异（表7）。

表6 艺术体操运动员脊柱弯曲角度与躯干后伸单位力矩峰值之间的相关性Table 6 The Correlation between the Curvature of the Spine and the Peak Extension Torque of the Trunk in Rhythmic Gymnastics Athletes

表7 不同主侧凸方向受试者躯干侧屈力矩的比较Table 7 Comparison of the Peak Trunk Lateral Flexion Torque with Different Main Scoliosis Direction Nm/kg

侧凸相关分析结果表明，胸曲角度、腰曲角度分别与不同躯干侧屈角度下右屈单位力矩峰值存在显著或非常显著性负相关。而胸曲角度与左屈力矩不存在显著相关。腰曲角度与左屈0°、15°、30°和右屈15°位置的躯干左屈单位力矩峰值存在显著负相关，其余角度未见显著相关。主侧凸Cobb角与侧屈力矩之间未发现显著相关（表8）。

表8 艺术体操运动员脊柱弯曲角度与躯干侧屈力矩峰值间的相关系数Table 8 The Correlation Coefficient between the Curvature of the Spine and the Peak Lateral Flexion Moment of the Trunk

3 分析与讨论

3.1 躯干两侧活动度对称性与脊柱曲度的关系

本研究结果显示，后搬腿时躯干活动幅度在两侧存在显著差异的同时，躯干扭转角也出现显著性差异，侧搬腿时躯干活动幅度越大时对应的躯干扭转角度越大，这表示完成大幅度搬腿动作不仅是髋关节的活动，还需要躯干部分弯曲和旋的运动。

艺术体操侧搬腿动作和后搬腿动作对脊柱存在矢状面、额状面和水平面的共同作用。躯干后伸幅度上左侧后搬腿时显著大于右侧，后搬左侧腿时躯干扭转角度显著大于右侧相应角度。表明，本研究艺术体操运动员在完成专项动作后搬腿时，躯干两侧活动度呈现显著不对称，左侧活动幅度大于右侧。8名存在脊柱曲度异常的受试运动员中7名运动员脊柱主侧凸方向为左凸，1名为右凸，而在不同主侧凸方向的两组人之间，躯干在完成搬腿动作时表现出的一些角度特征无显著性差异，因此，躯干两侧活动度不对称，但未见与主侧凸方向上的关系。

研究结果显示，主侧凸Cobb角度数与搬腿动作躯干特征之间无显著相关。矢状面胸曲角度越小，右侧搬腿活动幅度越大，右侧搬腿躯干扭转幅度越大，矢状面腰曲角度越小，左侧搬腿活动幅度越大，右侧搬腿躯干扭转幅度越大。由此可见，躯干两侧不对称的活动度与主侧凸Cobb角度数之间未见相关，而脊柱矢状面弯曲角度与躯干活动之间存在关系，胸曲角度的减小有利于右侧搬腿动作躯干的弯曲和扭转，腰曲角度的减少对于双侧侧搬腿动作躯干的弯曲和扭转均有利。

3.2 躯干肌肉力矩与脊柱曲度的关系

3.2.1 躯干后伸力矩与脊柱曲度的关系

本研究受试运动员均有不同大小的脊柱侧凸角度，且不同躯干前屈位置下的躯干后伸力矩峰值为0°位 74.17±30.44 Nm、15°位 90.69±42.08 Nm 和 30°位101.22±44.36 Nm。但对35名年龄为14.69±2.26岁的波兰普通女性脊柱侧凸青少年进行躯干后伸肌力测试表明，60°/s等速躯干后伸力矩峰值为140.78±37.72 Nm（Skrzek et al.，2003）。依据每组数据的样本量、平均数和标准差，进行独立样本t检验结果显示，本研究艺术体操运动员躯干0°位（P＜0.001）、15°位（P＜0.01）后伸力矩峰值显著小于波兰脊柱侧凸普通青少年。而该研究中普通无脊柱侧凸青少年躯干后伸力矩大于脊柱侧凸青少年（Skrzek et al.，2003）。将本研究艺术体操运动员躯干后伸单位力矩峰值与另一研究（王海群 等，1997）中平均年龄为12.3±0.4岁、身高为134.8±0.2 cm、体重为28.4±0.4 kg的16名女子体操运动员躯干后伸单位力矩峰值3.16±0.33 Nm/kg进行独立样本t检验，结果显示，在艺术体操运动员年龄、身高和体重均显著大于体操运动员的情况下，艺术体操运动员躯干后伸0°位（P＜0.001）、15°位（P＜0.01）单位力矩峰值显著小于体操运动员。

本文结果与文献对比表明，艺术体操运动员躯干后伸力量小于普通脊柱侧凸青少年，小于普通无脊柱侧凸青少年，小于较低年龄的体操运动员。前人对躯干肌等动测试研究结果也显示，特发性脊柱侧凸患者的背部肌肉力量明显低于正常人，但肌肉收缩速度与正常人没有显著性差异（Anwajler et al.，2006；Skrzek et al.，2003）。

本研究中运动员胸曲角度与不同躯干前屈位置下的躯干后伸力矩之间均有非常显著的负相关关系，表明胸曲角度越小的运动员，躯干后伸力矩越大。因此可以推测，艺术体操专项施加于躯干的训练负荷使躯干后伸力量增大，可能随之出现脊柱胸曲角度减小。

3.2.2 躯干侧屈力矩与脊柱曲度的关系

在0°～30°区间内，运动员躯干右屈力矩大于左屈，表明运动员躯干两侧肌肉力量显著不对称，右侧肌肉的发力水平大于左侧。关于躯干肌肉力量不对称与主侧凸方向的关系，近期有研究采用高频超声检查成人脊柱侧凸患者竖脊肌声像图，发现脊柱凸向侧竖脊肌横截面积明显小于对侧（吕媛媛 等，2011），而另有对于青少年特发性脊柱侧凸患者躯干侧屈肌群力量分析的研究中，测量了在0°位和30°位侧屈时躯干两侧肌肉的力量表现，得出特发性脊柱侧凸的青少年患者躯干侧屈肌群力量强弱与侧凸方向无关（游国鹏 等，2016）。本研究测得艺术体操运动员躯干肌肉力量右侧大于左侧，虽然8位存在脊柱曲度异常的受试者中，主侧凸为左凸的为7人，右凸仅为1人，但不同凸向下两侧躯干肌力量大小分布未发现差异，因此认为躯干肌肉力量的不对称与主侧凸方向无关。

本研究受试者胸曲角度、腰曲角度与躯干侧屈力矩均表现出显著的相关关系：胸曲和腰曲角度越小的运动员，躯干右侧侧屈肌肉力矩峰值越大。腰曲角度越小的运动员，其在左屈0°、15°、30°和右屈15°位置的躯干左屈力矩越大。可以由此推测，专项训练使得肌肉力量增大，而经常性使用右侧动作使得躯干右侧（优势侧）肌肉的力量得到较大发展，从而造成躯干两侧肌肉的不对称。随着训练水平的提高，躯干肌肉力量增大，尤其右侧肌肉力矩峰值增大，伴随出现了脊柱矢状面胸曲和腰曲角度的变小。

综上所述，搬腿动作躯干弯曲扭转幅度和躯干肌肉力量大小与脊柱额状面异常弯曲无关；右侧搬腿动作躯干的弯曲和扭转幅度、躯干后伸力量、躯干右侧屈肌力量较大的运动员，脊柱矢状面胸曲角度越小；左侧搬腿躯干弯曲幅度和右侧搬腿躯干扭转幅度、两侧躯干肌肉力量较大的运动员，脊柱矢状面腰曲角度较小。由此分析，躯干活动度和肌肉力量的不对称与脊柱额状面曲度异常无关，但与脊柱矢状面上胸曲角度和腰曲角度的变化有关。专项训练的目的是增大躯干的弯曲扭转幅度以及肌肉力量，而这并不会对脊柱额状面产生直接影响，但随着训练，运动员躯干活动幅度增大，肌肉力量提高，脊柱胸曲、腰曲曲度减小，而运动员胸曲角度变小可能与集中于躯干右侧和躯干后伸动作的训练有关。

本研究只截取了艺术体操运动员一段时期的身体状况、躯干力量情况和完成技术的状态，以分析造成脊柱曲度异常的原因。因此，今后还应对艺术体操运动员进行长时间跟踪的前瞻性病例对照研究，以更确切的找出导致艺术体操运动员脊柱侧凸的原因。

4 结论与建议

艺术体操运动员躯干两侧活动度和肌肉力量存在不对称，后伸幅度左侧大于右侧，侧屈肌力右侧大于左侧，但这种不对称与脊柱额状面上异常弯曲无明显关系。艺术体操运动员专项动作负荷与脊柱矢状面曲度异常有关，集中于躯干右侧和躯干后伸动作的训练，可能是导致胸曲变直的原因。

建议在预防艺术体操运动员脊柱曲度异常时，应增加训练和比赛动作设计的对称性，注重躯干后伸力量和两侧肌肉力量训练的对称性，在高强度训练后注意躯干部肌肉的放松和疲劳恢复。