半蹲式着陆腰部护具对脊柱- 骨盆夹角及角速度的影响

郑 超，杜俊杰，王林飞，常 祺，覃道远，伍 骥

空军特色医学中心 骨科，北京 100142

空降地面平台训练中，由于地面反作用力及腰椎反复前屈运动，易出现腰背部的急慢性损伤[1-2]。护腰可以防护腰背部损伤，其主要包括弹性护腰和刚性护腰两大类。本文以现役空降兵作为研究对象，在不同腰部防护状态下，模拟半蹲式着陆训练姿势，利用Vicon 动态扑捉系统测定空降兵过程中的脊柱- 骨盆夹角(spine-pelvic angle，S-PA)、脊柱屈曲角速度(spine flexion angular velocity，SFAV) 变化[3-4]。通过对上述指标的测量分析，阐明不同种类护腰在训练中对脊柱屈曲活动动力学参数的作用及影响，为空降部队官兵研制腰部防护装置提供实验参考。

对象和方法

1 对象 招募某部30 名空降兵志愿者，男性，平均年龄(22.79±3.73) 岁，平均身高(176.98±5.42) cm，平均体质量(70.05±7.73) kg，测试前均签署志愿书。纳入标准：健康现役空降兵，年龄＜30 岁，半年内肢体无严重外伤，无肌肉骨骼系统的疾病及手术史。排除标准：年龄＞30 岁，半年内曾发生影响功能的身体外伤，既往有慢性腰背部疼痛及手术史。

2 设备 Vicon 三维动作扑捉系统(200 Hz，Vicon，Oxford Metrics，UK) ：系统控制器、校对框、体表标记点、高速摄像机(Vicon-T40s)、传感器。系统控 制 软 件Nexus 2.1(Vicon，Oxford Metrics，UK)、三维步态体态分析软件Visual 3D(C-Motion Inc.USA)。弹性护腰主要材质为合成橡胶和拉伸锦纶(LP-772，美国)，半钢性护腰主要由八条弹性支撑条和双层强力束带组成(LP-919，美国)。40 cm高度和120 cm 高度跳台。

3 方法 受试者着短裤、07 式伞靴。肢体粘贴Mark 点：双侧髂前上棘和左髂后上棘4 个点确定腰椎- 骨盆，胸骨角、剑突、双侧锁骨肩峰端、第7 颈椎、第10 胸椎、双侧肩胛骨下角8 个点确定胸椎。按照防护状态，每名受试者依次不佩戴护腰、佩戴弹性护腰和半刚性护腰分别从40cm 高度和120 cm 高度的平台跳落，以半蹲式姿势着陆，双足落在测力台白框内，记录运动学数据。每次测试间隔2 min，同一高度及防护状态下重复测试3 次，取有效数据，共计540 跳( 图1A)。

4 数据处理 所得数据资料使用Vicon Nexus 2.1软件进行校对和补充，获得连续完整的运动轨迹。数据补点完整后转换为C3D 文件格式并储存，输入Visual 3D 运动软件进行集成分析，脊柱- 骨盆采用Visual 3D 默认模型。脊柱- 骨盆角位于胸腰段，即胸椎和腰- 骨盆间夹角( 图1B)。

5 统计学分析 使用SPSS16.0(SPSS Inc，Chicago，IL，USA) 统计软件。计量资料以-x±s表示，均为重复观测资料，比较行重复测量方差分析+ 两两配对组间差值t检验。检验水准为双侧α=0.05。

图 1 脊柱-骨盆角测试 A： 40 cm高度跳落(红色角)； B： Nexus软件建模(白色角)Fig. 1 Spine-pelvic angle measurement. A: 40 cm jumpping off (red angle); B: digital model by Nexus Software (white angle)

结 果

1 三种防护方式脊柱- 骨盆夹角比较 S-PA 数据均符合球形检验(P=0.142)，经两因素重复测量方差分析，高度、护腰类型及两者交互作用均有统计学意义(P均＜0.05)。两两精细比较并结合主要数据分析：1) 防护方式维度：40 cm 高度，受试者佩带弹性护腰或半刚性护腰时脊柱- 骨盆夹角大于未佩戴护腰，差异有统计学意义(P＜0.05)，但这两种护腰间S-PA 差异无统计学意义。120 cm 高度，S-PA 在佩戴半刚性护腰、弹性护腰、无护腰组时依次减小，两两比较差异均有统计学意义(P均＜0.05)。2) 高度维度：在不同高度情况下比较，随着高度增加，三组脊柱- 骨盆角均减小，差异有统计学意义(P均＜0.05)。见表1，图2。

2 三种防护方式脊柱屈曲角速度比较 SFAV 数据符合球形检验(P=0.143)，经两因素重复测量方差分析，高度及护腰类型两个维度上整体差异及交互作用均有统计学意义(P均＜0.05)。两两精细比较并结合主要数据分析：1) 防护方式维度：40 cm高度，受试者无论佩带那种护腰，SFAV 差异均无统计学意义(P＞0.05)。120 cm 高度，弹性护腰、aP＜0.05,vs40 cm;bP＜0.05,vsno brace;cP＜0.05,vselastic brace半刚性护腰组SFAV 均高于无护腰组(P＜0.05)，但前两者间差异无统计学意义。2) 高度维度：在不同高度情况下比较，随着高度增加，三组SFAV均增加，差异有统计学意义(P均＜0.05)。见表2，图3。

表1 不同防护方式下受试者的脊柱- 骨盆夹角比较 (°, n=30)Tab.1 Comparison of spine-pelvic angle with different protective measures (°, n=30)

图 2 40 cm (A)和120 cm (B)高度不同防护状态脊柱-骨盆夹角比较Fig. 2 Comparison of spine-pelvic angle between different protections when jumping off from 40 cm (A) and 120 cm (B) height

讨 论

空降兵地面伞训的主体动作就是脊柱的长时间反复屈曲，脊柱暴露于高强度的负荷环境中易出现反射性肌肉痉挛，导致腰背部疼痛[3]。我军一直采取半蹲式跳伞着陆姿势，这种姿势下人体在垂直方向和矢状位方向承受载荷最大[4]。脊柱在冲击力作用下产生角度和角速度的变化，这两个参数是反映脊柱- 骨盆生物力学的重要动态指标[5-6]。腰部护具对普通人的腰部有保护作用，可以缓解腰背部疼痛[7]。但空降训练环境下，其对正常空降兵脊柱的屈曲运动是否产生影响？这种影响是负面的还是积极的？本研究通过脊柱- 骨盆夹角和角速度的测试，分析佩戴腰部护具以及护具种类对脊柱屈曲活动的作用。

表2 不同防护方式下受试者的脊柱屈曲角速度比较(°/s, n=30)Tab. 2 Comparison of spine flexion angular velocity with different protective measures (°/s, n=30)

图 3 40 cm (A)和120 cm (B)高度不同防护状态脊柱屈曲角速度比较Fig. 3 Comparison of spine flexion angular velocity between different protection when jumping off from 40 cm (A) and 120 cm(B) height

脊柱的矢状位屈伸活动是维持身体平衡稳定的重要方式，屈曲运动产生前屈力矩，背部肌肉激活产生的反向拮抗力矩，二者协同维持脊柱稳定[8]。着陆时脊柱周围肌肉和韧带组织张力瞬时增大，不稳定性增加[9]。肌肉疲劳，脊柱拮抗肌力失衡，脊柱稳定性丢失，损伤风险增高[10-11]。腰部持续或重复屈伸可使肌肉发生蠕变，反射减弱，控制能力下降，是导致腰背急慢性损伤的主要因素[12]。随着高度的增加，三种护腰的脊柱- 骨盆夹角均相应减小，提示脊柱屈曲角度增加，即脊柱矢状位运动幅度增大，组织负荷增加。同一高度条件下，弹性护腰和半钢性护腰的脊柱- 骨盆夹角均显著大于无护腰，有助于着陆时对脊柱的控制。佩戴护腰可增大脊柱骨盆角，限制脊柱屈曲活动，使背部肌肉组织负荷降低，脊柱周围拮抗肌间的协调性增加。护腰可使腰屈曲角度减小9° ～ 15°，降低脊柱背伸肌肉的蠕变程度，缓解疼痛，控制损伤的发生[13]。护腰刚度的差异在限制脊柱屈曲活动中表现出的结果不同，40 cm 高度时弹性护腰和半刚性护腰的限制作用大于无护腰，但两种护腰的作用无差异。120 cm 高度时半刚性护腰的限制作用大于弹性护腰。

角速度反映脊柱角位移与力学作用时间的关系[14]。矢状面慢速屈曲运动中，肌肉控制能力强，脊柱稳定性好。相反，快速屈曲运动时，肌肉协调控制能力不足，脊柱稳定性降低[15]。120 cm高度时无护腰、弹性护腰、半钢性护腰的最大屈曲角速度明显高于40 cm 高度。随着平台高度的增加，脊柱最大屈曲角速度明显增大，脊柱不稳定因素增加。跳伞着陆瞬间，在20 ～ 50 ms 内脊柱屈曲角速度达到峰值，最高可达576°/s，此时脊柱的肌肉控制力和协同性均大幅度下降，角速度的快速变化可增加损伤的风险[16-17]。测试结果显示，40 cm 高度着陆，脊柱屈曲角速度较小，脊柱周围肌肉韧带组织可以完全维持脊柱的稳定。弹性护腰较无护腰角速度减小，半钢性护腰与无护腰对比无差异，说明弹性护腰可以保护脊柱，而半钢护腰对脊柱的保护作用不明显。弹性护腰的贴附性良好，可以适应躯干姿态的变化，半钢护腰的作用则不明显。120 cm 高度着陆，脊柱屈曲角速度增大，弹性护腰和半钢性护腰与无护腰对比差异明显，体现出确切的防护作用，但前两种护腰比较没有差异。降低空降兵着陆过程中腰部屈曲角速度对维持脊柱稳定性具有重要意义，高水平跳台中弹性护腰与半刚性护腰之间无差异提示腰部防护作用与护具的刚度无关。护腰不能提高躯干的本体感觉，对脊柱轴向旋转无作用[18]。

综上，不同刚度的护腰对脊柱的屈曲角度有不同程度的限制作用，随着跳台高度的增加，其限制作用更为突出。低水平跳台中护腰控制角速度的作用不明显，高水平跳台则具有显著的控制作用，但与护腰的刚度无关。从这一点来讲，弹性护腰因其轻便、舒适、灵活、经济等特点，要优于半刚性护腰。空降兵跳伞腰部防护的设计既要考虑到其刚性限制效果，又要考虑其灵活性。本实验的结果仅对脊柱屈曲角度及角速度的作用进行初步的探索，目的是为设计符合空降兵跳伞训练的护腰装置提供参考数据。