网球膝关节损伤特征及生物力学建模综述研究

周静秋，蒋宏伟，刘 君，苏 阳，钱竞光*

近年来，针对网球相关损伤的研究较多，有研究表明，网球运动下肢损伤率高于上肢（Pluim et al.，2006）。网球运动中扭转和急停的动作对膝关节反复施加旋转和剪切方向的载荷（Kibler et al.，2005），使膝关节和其周围组织内部应力增大（Colvin et al.，2016）。此外，膝关节复杂的解剖结构也增加了其受损的风险（Majewski，et al.，2006）。研究表明，每5个网球损伤中就有1例发生在膝关节处（Renström，1995），且以慢性损伤居多（Pluim et al.，2016），其中80%的慢性损伤没有明确的发病机制（Hjelm et al.，2010）。

预防运动损伤的首要目标就是了解造成损伤的因素和机制（Van Mechelen et al.，1992）。由于目前对网球相关损伤的致病机理仍没有准确地认识，因此，还没有发现对此完全有效的预防方法（Pluim et al.，2006）。临床上对网球膝关节损伤采用病理形态学的方法指导治疗（Perkins et al.，2006），并没有结合损伤机理，仅依照组织形态学中的病理特征进行治疗，运动员在接受治疗重返赛场后的损伤状况尚不得知。针对损伤机理的研究，有学者认为，从流行病学研究中获取的损伤特征信息对探寻损伤机制有一定帮助（Brooks et al.，2006；Nirschl，1988）。

从力学观点出发，人体肌骨系统的损伤是由力的作用引起。网球相关的运动损伤有其发生的力学机制（Elliott，2006），引入生物力学模型研究网球膝关节损伤有助于探寻其致病机理（Aritan，2012）。

综上所述，流行病学研究有助于了解损伤特征，生物力学模型有助于发现损伤的力学机制，为探寻损伤的致病机理以及防治与康复提供理论依据。本综述将从网球膝关节损伤流行病学研究、生物力学建模研究两方面进行研究分析。

1 网球膝关节损伤流行病学研究

1.1 膝关节损伤的患病率与发病率

相关文献报道了膝关节损伤的患病率，Pluim等（2016）对73名青少年网球运动员进行了为期32周的跟踪研究，结果显示，膝关节损伤的患病率为0.90/1 000 h（表1），损伤数占比16.81%。Hjelm等（2010）对55名青少年运动员进行了为期2年的跟踪研究，结果显示，膝关节损伤的患病率为0.15/1 000 h，损伤数占比14.00%。此外，还有研究对膝关节损伤的发病率进行了报道，Sell等（2014）统计了16年的美国网球公开赛（以下简称“美网”）损伤数据，结果显示，膝关节损伤的发病率为6.55/1 000场比赛，损伤数占比13.62%。Winge等（1989）对89名运动员的损伤进行研究，发现膝关节损伤的发病率为0.2/1 000 h，损伤数占比6.52%。在上述各项研究中，由于统计对象有所差别，因此所得数据不能进行直接对比，但各项研究结果均表明膝关节处损伤率较高。

表1 膝关节损伤的发病率与患病率Table 1 Incidence Rate and Prevalence Rate of Knee Joint Injury

1.2 膝关节损伤的人口特征

1.2.1 运动等级

相关领域少有研究者将运动员的运动等级与运动损伤相互关联，Abrams等（2012）在英文类文献中仅发现1项研究将网球相关损伤与运动等级相关联。该项研究表明，在业余网球运动员中运动等级与运动损伤之间不存在显著联系（Jayanthi，2005）。流行病学研究中对不同运动等级运动员的损伤统计结果表明，职业运动员的下肢损伤以膝关节处最为普遍（Jayanthi，2005；Mccurdie et al.，2017），青少年精英运动员的慢性损伤多发生于膝关节处（Pluim et al.，2016）。

在其他运动项目中，运动等级与运动损伤之间的关系亦不明确（Tandogan et al.，2004；Tran et al.，2016）。不同运动等级的运动员在体能和技术方面存在差异，这可能会影响膝关节损伤的发生。在体能方面，职业网球运动员长期进行综合体能训练，包括肌肉阻力训练、平衡能力训练、本体感觉训练等（Chandler，1995；Reid et al.，2008）。这些训练有助于提升职业运动员神经肌肉的控制能力（Aagaard et al.，2002；Holm et al.，2004；Zech et al.，2010），他们对身体的控制比青少年运动员和业余爱好者更为精确（Rampinini et al.，2009）。因而职业运动员在日常训练中几乎不会做出超越自己身体能力极限的动作，发生急性损伤的概率较低，而在重大赛事上为了赢得胜利才有可能会做出超越身体能力的动作。有研究显示，在美网期间急性膝关节损伤的发生率高于慢性损伤（Sell et al.，2014）。在技术方面，职业运动员的技术动作与业余爱好者相比有较大差异（Dellal et al.，2011；Ibáñez et al.，2009），这种差异会给人体组织带来不同的力学效应，从而对损伤产生影响。借助生物力学设备三维红外动作捕捉系统（Bailey et al.，2012）可以精确捕捉到技术动作的时空参数，用于分析研究不同技术动作对损伤的影响。

1.2.2 性别

有学者研究了性别因素与膝关节损伤之间的关系，如Sallis等（2001）对美国大学校队进行了损伤调查，发现性别与膝关节损伤之间不存在显著关联。Hjelm等（2010）对青少年运动员进行了为期2年的跟踪研究，得出了相同的结论。此外，McCurdie等（2017）通过统计连续10年的温布尔顿网球公开赛（以下简称“温网”）损伤数据发现，女性运动员膝关节处的损伤率最高，为12%；男性运动员损伤率最高的部位是肩关节，损伤率为14%，而膝关节的损伤率略低于肩关节，为13%。其他研究同样发现，膝关节处的损伤在不同性别中均较为普遍（Gescheit et al.，2017；Sell et al.，2014）。上述研究虽然表明，网球膝关节损伤与性别因素不存在显著相关性，但男性与女性在生理结构与体能方面的确存在差异，这些差异可能会给膝关节损伤带来影响：1）体能差异。女性的基本体能素质低于男性，研究发现，没有达到某一体能水平的运动员受伤风险会增大（Hutch-inson et al.，1995）。网球运动对运动员的爆发力、耐力要求都很高（Chandler，1995），所以女性可能比男性更容易受伤；2）解剖结构差异。与男性相比，女性生理组织较为松弛（Hutchinson et al.，1995），松弛的韧带可能导致女性运动员髌骨半脱位和韧带扭伤的概率增大（Powers，1979）。有研究证实，女性运动员确实比男性运动员有更多的髌股关节问题（Hutchinson et al.，1995）。此外，女性前交叉韧带的尺寸比男性小，承受前向位移力的能力较差，增大了受损的风险（Zillmer et al.，1992）。

1.2.3 年龄

研究表明，膝关节损伤的发病率在不同年龄段中均较为普遍，Pluim等（2016）发现，11～14岁的青少年运动员膝关节损伤较多，Hjelm等（2010）对12～18岁的青少年进行了2年的跟踪研究，得出了同样的结论；Gescheit等（2017）、Sell等（2014）、McCurdie等（2017）分别统计了澳大利亚网球公开赛（以下简称“澳网”）、美网、温网中成年运动员的损伤病例，结果均发现膝关节损伤总数最高。

网球相关的膝关节损伤在各年龄段均较为普遍的原因可能与网球运动特征有关。网球运动需要运动员根据预判，高速奔跑到网球的落点位置，急停站稳后再将球击打给对方，从预判到挥拍结束大约持续1.5 s。这不仅让网球运动员反复使用膝关节的屈伸功能，同时还伴有膝关节的扭转，给起稳固膝关节作用的肌腱和韧带等组织造成特有的伤害（Colvin et al.，2016）。有研究表明，不同方向上的奔跑均会给膝关节及其周围组织施加1.5～2.7倍个人体重的载荷（Kibler et al.，2000）。人体功能解剖研究的相关成果（Neumann，2014；Nordin et al.，2013），使研究者能够更加准确地认识人体肌骨系统内各种组织结构的功能，有助于他们探寻网球运动对人体组织的影响，发现损伤机制。

1.3 膝关节损伤特征

1.3.1 损伤位置

不同研究对膝关节损伤位置的报道不一。有学者发现，髌股关节疼痛综合征（Gecha et al.，1988）、髌腱炎（Gecha et al.，1988；Sell et al.，2014）、半月板损伤（Gecha et al.，1988；Majewski et al.，2006）、滑囊炎（Gecha et al.，1988；Sell et al.，2014）较为常见，膝关节周围韧带扭伤也较多（Hutchinson et al.，1995）。还有学者报道，奥斯古德-舒拉氏病（即胫骨结节骨骺炎）（Kujala et al.，1985）和髂胫束摩擦综合征（Hjelm et al.，2010）在诊断结果中出现较多，其中奥斯古德-舒拉氏病多发生在青少年中（Colvin et al.，2016）。此外，有学者从膝关节形态结构角度进行分析，认为网球运动员发生腓侧副韧带损伤的风险较高（Majewski et al.，2006）。

少有研究关注发生于膝关节处各种病症的发生率。目前，笔者发现2篇文献对损伤进行了详细描述，Majewski等（2006）统计了129个病例，发现内侧半月板和前交叉韧带处发生的损伤最多，其中发生内侧半月板损伤的人数超过了50%，发生前交叉韧带损伤的人数超过了1/4；Hjelm等（2010）报道了14例膝关节损伤病症：2例髌腱损伤、2例髂胫束摩擦综合征、2例股四头肌腱损伤、2例奥斯古德-舒拉氏病、1例髌股关节疼痛综合征、2例因过度使用导致的非特异性膝关节疼痛、2例韧带扭伤以及1例髌骨半脱位。

1.3.2 损伤形成的时间

学者对损伤形成的时间有不同的分类方法，有的将损伤分为急性（acute）损伤和过度使用（overuse）损伤（Pluim et al.，2016；Winge et al.，1989），有的将损伤的分为急性（acute）损伤、慢性（chronic）损伤、复发性（recurrent）损伤（Mccurdie et al.，2017）。在使用术语方面也不尽相同，使用“acute”“chronic”的学者较为常见，但也有学者使用“acute-onset condition”“gradual-onset condition”来进行表述（Pluim et al.，2009）。然而，在急性与慢性损伤定义方面，学者意见较为统一，认为急性损伤可以和某次具体事件相互对应，而慢性损伤不能由某种单一的、可识别的事件来负责（Pluim et al.，2009，2016；Winge et al.，1989）。

有研究表明，膝关节处以慢性损伤为主。Pluim等（2016）发现，有84.2%的青少年有慢性膝关节损伤，且膝关节是全身中最易发生慢性损伤的部位。Hjelm等（2010）也发现，慢性膝关节损伤发生比例较高，损伤率为72.0%。还有学者统计了不同年龄段的损伤病例，发现慢性膝关节损伤比例为66.7%（Winge et al.，1989）。Andelman等（2016）的综述研究报道了膝关节处慢性损伤的发生率为30%～72%。有关造成慢性膝关节损伤多发的原因，有学者认为是网球运动中不停地奔跑反复使用膝关节屈伸机制导致髌股关节长期负载造成的（Kibler et al.，2005）。此外，在急性损伤方面，以膝关节周围韧带扭伤居多（Bylak et al.，1998；Colvin et al.，2016；Pluim et al.，2016），髌骨骨折和半月板撕裂的情况也有发生（Kibler et al.，2005）。

1.3.3 损伤的程度

对于损伤程度的评价，学者使用的标准有所差异。有学者使用是否退赛来衡量损伤的程度（Jayanthi et al.，2009；Sell et al.，2014），有学者使用量表进行评价（Pluim et al.，2016），还有学者将缺席时间作为评价损伤的标准，将损伤程度分为6个等级，分别为：微小损伤（0天）、轻微损伤（1～3天）、轻度损伤（4～7天）、中度损伤（8～28天）、重度损伤（28天～6个月）以及长期损伤（大于6个月）（Pluim et al.，2009）。然而很多运动员都会带伤进行比赛与训练，有研究表明，几乎1/8的青少年运动员每周都会带伤训练（Pluim et al.，2016）。如何对没有缺席训练与比赛的损伤进行程度评价是需要解决的问题，此外，如何评价慢性损伤的程度也需要进一步探究。

部分流行病学研究没有提及网球膝关节损伤的程度，Hjelm等（2010）报道，在不同性别的运动员中膝关节损伤均较为严重，伤期超过了28天。损伤恢复后对关节是否存在长期的影响目前仍不清楚（Kibler et al.，2005），但有研究发现，包括网球在内的负重运动使女性运动员患膝关节炎，尤其是骨质增生的风险增加了2～3倍（Spector et al.，1996）。

1.4 流行病学研究存在的问题

流行病学研究中的损伤信息有助于研究者了解损伤特征，探寻损伤的发生机制。目前网球相关损伤流行病学研究多以统计全身各部位损伤率为主（Dakic et al.，2018；Gescheit et al.，2017；Hjelm et al.，2010；Hutchinson et al.，1995；Pluim et al.，2016；Powell et al.，1988；Winge et al.，1989），单独针对膝关节损伤特征的研究鲜见报道。因此，从现有的研究中难以全面详细地了解膝关节损伤信息，如膝关节损伤的具体位置、损伤的膝关节位于哪一侧、损伤是急性的还是慢性的等。此外，网球膝关节损伤的发病率与患病率也没有得出一致的结果。Pluim等（2006）认为，造成这一结果是由于损伤数据来源与分类系统不同。McCurdie等（2017）认为，完善的数据收集系统有助于分析伤病机制。

网球膝关节损伤在流行病学研究方面仍不完善，还有以下工作需要完成：1）建立统一的运动等级评价标准以确定研究对象的运动水平，进而得出不同等级运动员损伤的发病率与患病率；2）建立统一的损伤收集报告系统。不同研究者使用的数据来源不同，有的是赛事的官方记录（Hutchinson et al.，1995；Mccurdie et al.，2017；Sell et al.，2014），有的是医院或急救中心的记录（Gaw et al.，2014；Majewski et al.，2006；Powell et al.，1988），还有的是研究者的记录（Hjelm et al.，2010；Pluim et al.，2016；Winge et al.，1989）。这些数据获得的场所与记录的目不同，会造成对损伤的不同定义与分类。建立统一的损伤记录系统可以使不同研究中的损伤信息进行对比，并且使损伤信息全面而完整；3）统一损伤的暴露时间。统计发病率或患病率时，有的学者依据运动时间计算（ Hjelm et al.，2010；Pluim et al.，2016；Winge et al.，1989），有的学者依据出场次数计算（Hutchinson et al.，1995；Sell et al.，2014），还有的学者依据比赛盘数计算（Mccurdie et al.，2017）。统一损伤的暴露时间，可以对比不同研究中的结果。综上所述，在网球膝关节损伤流行病学研究中，需建立统一的信息收集系统，该系统需要统一运动等级、记录来源、暴露时间等信息。

2 网球膝关节损伤生物力学建模研究

2.1 肌肉动力学模型

体育活动会对肌肉骨骼系统施加高而重复的载荷（Dufek et al.，1991），各种研究试图捕捉并描述这些载荷特征，但这些单独的实验只能提供运动过程中有限的运动学和动力学信息（Reinbolt et al.，2011）。尽管实验技术和实验方法不断发展，但研究者直接测量出特定运动项目对人体各组织的载荷仍较为困难，这不利于分析运动中产生的损伤（Preatoni et al.，2015）。建立肌肉动力学模型是运动损伤生物力学研究中的热点，可以解决大量的复杂问题，建立动力和运动之间的因果关系，洞察肌肉工作机制（Reinbolt et al.，2011）。目前肌肉动力学模型已经在运动、医学领域中运用，常用的建模软件有LifeMOD、OpenSIM、AnyBody等。然而，通过肌肉动力学模型研究网球膝关节损伤肌肉工作机制的研究目前鲜见报道，下文对肌肉动力学模型的应用进行综述。

肌肉动力学模型在运动技术诊断中已广泛应用。Qian等（2012）利用LifeMOD软件建立了鞍马双腿回环动作的肌肉动力学模型，并使用质心位置、脚部位置、5块肌肉的积分肌电值数据验证了模型的有效性。该模型可帮助发现运动员在双腿回环技术训练过程中的缺点，辅助教练员进行动作技术诊断。Servet等（2010）在ADAMS及其插件lifeMOD中分别建立了赛艇和人体模型，模拟下部躯干旋转运动对船速的影响。Langholz等（2016）分别使用OpenSIM、BoB、AnyBody 3种肌骨系统动力学软件来模拟游泳运动技术，为促进游泳训练提供帮助。还有学者建立并验证了高尔夫挥杆动作的全身肌肉动力学模型（Betzler et al.，2006）。

利用肌肉动力学模型研究运动损伤。Donnelly等（2012）研究了由运动中的侧步动作所产生的非接触性前交叉韧带损伤，该研究通过openSIM软件计算出膝关节外翻力矩，制定出预防前交叉韧带损伤的运动学策略：侧步动作中应将整个身体重心向中间移动，并朝向期望的行进方向。有学者研究了不同座高和不同车型的自行车对骑行者姿势的影响，通过lifeMOD软件对不同的骑姿进行了计算机模拟。该研究结果表明，自行车鞍座过高，比目鱼肌肌力会增大；鞍座过低，股二头肌肌力会增大；而鞍座与车把间的距离对肌力的影响很少；骑行时躯干弯曲角度增大会增加腰部、肩部和肘部关节的负荷（Liu et al.，2011）。建立骑行动作的肌肉动力学模型可以了解不同骑姿的肌肉工作机制，为预防骑行损伤提供参考。还有学者研究了体操运动员因着地动作导致的下肢损伤，该研究在lifeMOD软件中模拟了人体着地动作，分别计算出在冲击和平衡2个阶段中踝、膝、髋关节间作用力的峰值，为避免运动员在下落过程中受伤提供技术指导意见（李旭鸿 等，2013）。

在医学领域中研究者常使用肌肉动力学模型来分析病患的步态、设计医学辅助器具等。Kwang等（2009）认为，久坐轮椅病患的腰背问题通常与轮椅设计有关，该研究使用LifeMOD软件建立了一个完整的脊柱多体动力学模型，用以分析脊柱与轮椅之间的力，为防止长期使用轮椅的病患发生脊柱畸形提供轮椅设计方案。Dao等（2010）通过LifeMOD软件模拟了脊髓灰质炎留有麻痹患者的步态，将患者步态的关节角度、关节力矩、相关肌肉的肌力以及地面反作用力与正常步态的数据对比，以验证矫形器的生物力学效用。还有学者通过模拟蹲式步态（Steele et al.，2010）、偏瘫步态（束一铭 等，2017）的运动模式，用以发现病患动作的运动学特征和肌肉工作机制，为患者的康复制定治疗方案。

虽然建立网球技术肌肉动力学模型的研究目前鲜见报道，但此类模型在运动与医学领域的应用为将其引入到网球膝关节损伤的研究中奠定了理论和实践基础。

2.2 人体组织的有限元模型

有限元分析法（finite element analysis，FEA）发端于结构力学，1943年由Courant等（1972）首次提出，现广泛应用于工程力学、热学、电磁学等领域。有限元分析法的求解思路是把需要求解的区域划分成由节点连接的子单元，由于子单元的形状和尺寸可以自由设定，所以有限元分析法可以解决复杂几何体的形变问题（Brauer，1993），在医学上可以使用有限元法计算人体组织的应力与应变。1972年，Brlelmans首次将有限元分析法应用于骨科生物力学的研究（曾机灿等，2008）。

目前，有限元模型在医学领域已被广泛应用。Qian等（2014，2016）使用有限元法对股骨颈骨折进行了系列研究，通过软件利用医学二维数字断层图像建立了髋关节三维有限元模型，在模型中加载不同的载荷，得出了不同健身动作下股骨颈的应力分布数据，借此设计用于预防股骨颈骨折的健身动作。Penã等（2005）使用有限元模型分析比较了健康型、半月板撕裂型、半月板切除型3种胫股关节的情况，发现切除半月板后股骨的轴向压缩载荷使软骨的接触应力大约增加了2倍，此结果解释了切除半月板的患者常出现软骨损伤与退化的情况。针对切除半月板后胫股关节的情况，Bendjaballah等（1995）也利用有限元模型做了与Penã等相似的实验，发现切除半月板后关节的耦合度减小，由于骨与骨之间的总接触面积减少，因此增加了接触应力。Gardiner等（2003）通过有限元法计算得出了胫侧副韧带在膝关节从内翻到外翻工况下的应力与应变，结果显示，胫侧副韧带上的应力分布随膝关节屈曲角度的不同而变化，当外翻姿势使胫侧副韧带完全拉伸时，其后方近关节线的区域易受到损伤。还有学者模拟了前交叉韧带与股骨髁间切口撞击的过程，希望能借此发现前交叉韧带撞击的潜在特征，阐明前交叉韧带的损伤机制，用以研究更有效的治疗方法。研究表明，当膝关节屈曲45°，旋外29.1°，外展10.0°时，前交叉韧带会与髁间窝外侧壁产生碰撞，韧带的撞击和非撞击侧分别受到接触压力和拉伸应力（Park et al.，2010）。

在运动领域中运用有限元分析法的研究尚不多见，Bratianu等（2004）研究分析了屈膝过程中膝关节表面应力的分布。使用有限元模型分析网球膝关节受损组织应力分布情况的研究鲜见报道。网球膝关节处的损伤病症繁多，损伤的组织各不相同，建立有限元模型将有助于分析膝关节周围组织损伤的力学机制，同时也为治疗损伤带来靶点优势。在网球运动中，膝关节处受力复杂（Kibler et al.，2000），如何在有限元模型中加入载荷是研究的难点。耦合建立人体组织器官的有限元模型和包含肌肉系统的人体运动动力学模型，是解决此类问题的方法。这种混合模型是探索人体运动对组织器官（膝关节）影响的新途径，也是运动生物力学研究的前沿问题。

3 小结

网球膝关节处的损伤在不同性别与不同年龄段中都较为普遍，病症种类繁多，且以慢性损伤为主，损伤程度尚不明确。损伤的发病率与患病率没有得出一致的结果，损伤的情报系统还需要进一步完善。有关使用动力学模型分析肌肉工作机制的研究虽然已有报道，但将此种模型应用于网球损伤的研究仍鲜有报道。有限元模型在医学领域中已广泛使用，但其在运动领域中的应用仍不多见。

4 展望

探寻网球膝关节损伤的发病机理对损伤的防治有重要意义。引入生物力学模型可以从膝关节损伤的力学机制入手，发现损伤产生的机制。生物力学模型的发展方向是肌肉动力学模型耦合有限元模型，将这种混合模型引入运动损伤领域可以有效找出损伤发生的位置。例如，对网球膝关节半月板损伤进行深入研究，探索耦合建立人体动力学和膝关节有限元模型的方法，通过计算机模拟和仿真，可揭示网球运动员膝关节损伤的动力学机理。