半蹲式跳伞着陆髋周肌肉激活度生物力学分析

髋周损伤在我军空降跳伞训练中发生率为13.5%，外军空降训练中髋部骨折发生率为5%[1-2]。半蹲式跳伞着陆过程中髋周肌肉是躯体稳定的基础[3]。髋部损伤不仅直接影响髋关节的功能，也可能间接影响踝膝及脊柱的功能[4]。由于肌肉受力情况无法直接测量，通常利用肌肉激活度来判断受力情况，肌肉激活度是指某块肌肉相对于其最大收缩程度的激活百分比[5]。通过测定上述五组肌肉在不同条件下的肌肉激活度，分析跳伞着陆过程中髋周肌肉活动变化，为研制防护装置及制定科学组训方案提供参考。

1 对象与方法

1.1 对象 2 2名现役空降兵，男性，平均年龄（23.50±4.22）岁，平均身高（178.27±2.45）cm，平均体质量（70.36±5.58）kg，平均伞龄（1.63±0.56）年。纳入标准：男性空降兵，现役，既往无下肢重大外伤及手术史，髋膝踝关节活动范围正常；6个月内保持进行正常伞训。排除标准：既往有下肢外伤史或者手术史，并且仍在康复期内；6个月内体能训练及跳伞训练不规律，不能保证良好的训练状态和体能。

1.2 仪器 ①Vicon三维动作捕捉系统（200 Hz）（Oxford Metrics，英国）：主体为8个运动捕捉摄像机及辅助设备，记录实时动态光学数据。②AMTI三维测力系统（1 600 Hz，SMA-6）（AMTI，美国）：可测定矢状、冠状、水平3个轴向的反作用力。③跳台（40 cm和120 cm）及其他辅助设备。其中40 cm水平距离为0 cm（以40-0 cm表示），120 cm跳台设置水平距离为0 cm和80 cm（分别以120-0 cm、120-80 cm表示）。水平距离既跳台前缘与测力台后缘之间的距离。

图1 120-0 cm跳台及120-80 cm着陆

1.3 方法 收集被试者一般资料，包括身高、体质量、手足厚度及双下肢长度等并记录。试验前着07制式伞靴，躯体粘贴反光Mark点。分别从不同高度的跳台上跳下，按照半蹲式着陆姿势着地，双足落在测力台区域内（图1）。每个高度跳落重复3次，间隔2 min。利用AnyBody人体建模软件，输入被试者身高、体质量及各体节尺寸参数，完成肢体肌骨模型数据模型的建立（图2）。模型包括骨盆、骶骨、股骨、胫骨及足5个刚体及周围主要肌肉，其中髋部有3个可控自由度。采用系统中的最大/最小模型[6-7]：

FiM为第i块肌肉的肌力，Ni为肌肉强度，二者比值为肌肉活动度（AiM），C为矩阵系数，R为地面反作用力，nM为肌肉总数。选择易于测量的髋周5组肌肉，分别为屈髋状态下的髂腰肌、伸膝状态下的股直肌、大腿内收状态下的缝匠肌、伸髋状态下的股二头肌和髋外旋状态下的臀大肌。将C3D文件导入肌骨模型，运行后采集最大肌肉激活度。

图2 加载肌肉后的AnyBody半蹲式跳伞着陆肌骨模型

1.4 统计学处理 应用SPSS 19.0软件对数据进行统计分析，计量资料以±s表示，采用t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 40-0 cm和120-0 cm高度最大肌肉激活度比较 120-0 cm时5组肌肉激活度均显著高于40-0 cm时，差异均具有统计学意义（P＜0.05）（表1）。40-0 cm高度时，髂腰肌、股直肌、缝匠肌、臀大肌4组肌肉存在2个波峰，分别出现在25 ms和250 ms。股二头肌激活度在105 ms时达到峰值并逐渐减弱至基线水平（图3A）。120-0 cm高度时，自足底接触测力台时各肌肉激活度迅速上升至峰值，以髂腰肌、缝匠肌、股直肌最为显著，峰值较40-0 cm高度明显增大且出现早（12 ms）。臀大肌的激活度始终维持在15%，其曲线较为平缓，波动幅度小（图3B）。

表1 不同高度最大肌肉激活度比较（%）

图3 不同高度和水平距离肌肉激活度时间变化曲线

2.2 120-0cm和120-80cm水平距离最大肌肉激活度比较 120-0 cm为垂直下落，没有水平速度，120-80 cm水平距离的速度为6.5 m/s。120-80 cm时5组肌肉激活度明显高于120-0 cm，差异均具有统计学意义（P＜0.05）（表2）。不同水平距离时髋周肌肉激活度曲线中5组肌肉都具有2个波峰，第一个位于触地后不久（15 ms），第二个波峰邻近关节角度峰值时刻（190 ms）。其中髂腰肌、缝匠肌的波峰最大。120-80 cm臀大肌幅度波动较大，在190 ms出现第2个峰值，而在120-0 cm并未出现（图3B、C）。

表2 不同水平距离髋关节最大肌肉激活度比较（%）

3 讨论

随着跳台高度的增加，各块肌肉的激活度均不同程度的增加。髂腰肌在屈曲过程中激活度最大（增加24.22%），其次是缝匠肌激活度（增加17.55%）。臀大肌激活度增幅较小（7.66%），这与着陆过程中髋关节的运动情况相符合。足底接触力台后，髋关节以屈曲活动为主，外展、外旋幅度小，提示着陆屈髋时髂腰肌受力最大，损伤风险高。垂直高度对髋关节肌肉的激活度有着显著的影响，随着高度增加，髋关节肌肉激活度增加，肌肉负荷增大。有研究表明，单腿落地时，臀大肌收缩引起髋关节外旋，适当的髋部外旋可稳定着陆姿势，并分散地面冲击力以减小髋关节集中应力，降低髋关节脱位及膝前交叉韧带损伤的发生率[8-9]。臀中肌收缩引起髋关节外展，良好的外展肌神经肌肉控制可避免下肢损伤[10-11]。当双腿着陆时，臀中肌、臀大肌、股直肌、股二头肌、股内收肌的激活度增加，而髂肌无变化[12]。本试验测试中，髂腰肌、缝匠肌、股直肌、臀大肌激活度明显增加，股二头肌的激活度较低。分析原因，半蹲式跳伞着陆，双下肢夹紧，以髂腰肌、股直肌、内收肌收缩为主，激活度增加，而外旋外展肌激活维持平衡及稳定，深蹲状态下膝关节屈曲角度增大，股二头肌激活度较小。普通人单腿着陆时，髋部外旋外展以维持躯干稳定，因此外旋外展肌力增加。双腿着陆时，双下肢分开，保持适度的髋关节外展外旋，同时上臂摆动以维持平衡，摆动的双上肢使髋关节屈曲幅度减小，髂腰肌激活度弱，而膝关节屈曲角度小使股二头肌保持一定的张力。对于空降平台训练，重复的高强度着陆冲击力可致屈髋肌肉疲劳，而髋关节的外展外旋肌力会代偿性增加，出现双腿分离或者骨盆偏斜现象，最终躯体不稳诱发损伤，主要是髂腰肌等屈髋肌的损伤[13-14]。在加载水平速度条件下，5组肌肉的激活度均有增加，提示水平速度对髋周肌肉的受力产生影响。臀大肌出现第二次峰值说明在髋关节屈曲角度增大时（深蹲状态），臀大肌二次收缩，使脊柱重心后移，减小身体前倾角度及速度，避免躯体失稳摔倒。

髂腰肌、股直肌是髋部受力缓冲的主要肌肉，缝匠肌、股二头肌、臀大肌维持髋部稳定。外旋外展肌肉在维持冠状位的髋稳定中起着重要作用[15]，日常训练中往往忽视了这2组肌肉的训练。吊环训练加载了水平速度，使髋部屈曲角度增大，损伤的风险增加，臀大肌、臀中肌的稳定作用尤为突出。因此，空降兵地面训练时应增强臀大肌、臀中肌等外旋外展肌群的训练，降低髂腰肌等屈肌群的负荷，可以避免因过度屈曲造成的腰骶部、臀部软组织损伤及骨折的发生。