不同助跑速度急停起跳对排球运动员膝关节生物力学特征的影响

孙晓泽，袁 鹏，许贻林，李 森

前言

排球属于隔网对抗类运动项目，其特定的任务，例如起跳，落地，拦网和击球都需要与快速运动模式相结合。流行病学调查显示，就损伤发生的身体部位而言，膝关节占比为14.6%，踝关节占比为13.8%，躯干占比为10.7%，肩关节占比为10.4%，头/面部占比为9.4%[1]。男子运动员的膝关节损伤主要发生在内侧副韧带，而女子运动员主要发生在前交叉韧带、半月板和内侧副韧带[2]。膝关节损伤不仅影响运动员的运动表现和职业生涯，甚至影响运动员以后的生活质量。

在激烈的排球比赛中，高强度、高重复和快速度地跳跃、变向等动作对排球运动员的下肢肌肉骨骼系统产生了巨大的负荷，且在比赛后期运动员出现生理上的疲劳，导致运动员的神经肌肉控制能力下降[3]，协调性和本体感觉能力下降[4]，关节松弛度增加[5]，下肢肌肉和关节刚度变小[6]，进而导致运动员身体控制能力和关节稳定性下降，最终导致运动员的受伤风险增加[7]。ACL损伤在排球项目中很常见。研究发现，排球项目中的大多数的ACL损伤是发生在运动员之间没有身体接触时，称之为非接触性ACL损伤。非接触性ACL损伤因素可以分为内部和外部两大类，其中内部因素中与生物力学有关的神经肌肉控制和肌肉力量(落地时较小的膝关节屈曲角度[8]，较大的膝关节内、外翻力矩和内旋力矩[9]，较大的地面反作用力和膝关节前向剪切力以及更大的股四头肌激活，较小的腘绳肌激活[10])是造成非接触性ACL损伤的主要危险因素。同时，大量研究证明ACL损伤存在性别偏倚，即女子运动员非接触性ACL损伤的发生率比男子运动员更高。这主要是因为与男子运动员相比，女子运动员的下肢运动控制能力相对较弱，因此可能会增加某些特定运动任务中ACL的负担[11]。因此，本研究通过对排球运动员完成不同助跑速度急停起跳动作过程中膝关节生物力学参数的分析，探讨不同助跑速度对膝关节生物力学特征的影响，以及性别之间的差异，为膝关节损伤的预防提供生物力学机制方面的理论参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究共招募24名排球运动员，其中男子和女子排球运动员各12名，最终有23人(男12，女11)完成急停起跳动作的三维生物力学实验测试工作(表1)。

表1 受试者基本情况表

1.2 数据采集设备

使用8镜头Qualisys 500万像素的三维红外运动捕捉系统和两块Kistler三维测力台同步采集受试者在不同助跑速度下完成急停起跳动作时膝关节的运动学和动力学信号，采样频率分别为200Hz和1000Hz，助跑速度经两台Smartspeed测速仪分别距测力台2米和0米处对进行监测。

1.3 反光Marker点位置

根据Qualisys推荐的CAST Marker Set Full Body贴点方案[12]在受试者身体相应位置粘贴反光Marker球，粘贴位置为左右侧肩峰、肩胛下角、肱骨中段外侧、肱骨外上髁、桡骨茎突、尺骨茎突、第二掌指关节、髂嵴、前后髂前上棘、大转子、大腿中段外侧、大腿中段前侧、内外上髁、胫骨粗隆、小腿中段外侧、内外髁及其中点、跟骨、第一、二和五跖趾关节以及第七颈椎、第十胸椎和胸锁关节中点等位置。

1.4 实验方法

急停起跳测试动作要求受试者从距离Kistler测力台2米之外的位置开始助跑，然后优势侧足首先踏上测力台，紧接着非优势侧足踏上测力台，随后左右侧下肢同时完成下蹲起跳动作。急停起跳动作的三个助跑速度分别为2m/s(慢速)、3m/s(中速)和4m/s(快速)，有效的助跑速度区间分别为1.8-2.2 m/s(慢速)、2.7-3.3m/s(中速)和3.6-4.4m/s(快速)。每个助跑速度下完成三次有效动作，每个动作之间有30秒的休息时间。有效动作的定义为助跑速度在规定的速度范围内且优势侧足完全落在测力台上。

1.5 数据处理

利用Qualisys Track Manager 2019.2和Visual3D软件处理不同助跑速度下急停起跳动作的运动学和动力学数据。采用卡丹角顺序依次计算三维膝关节角度[13]。依据逆向动力学方法计算膝关节力矩[14]。通过反光Marker球建立坐标系，在三维坐标系中，与受试者的助跑方向平行的为X轴，垂直于助跑方向的为Y轴，垂直于地面向上的为Z轴。定义膝关节伸、内翻、内旋为正值，屈、外翻、外旋为负值，对应的关节力矩的方向与关节角度方向一致[15]，对于关节力矩的数据进行体重标准化处理，单位为N·m/kg。

1.6 统计分析

采用双因素重复测量方差分析比较助跑速度和性别对排球运动员急停起跳动作膝关节运动学和动力学指标的影响，其中自变量助跑速度为重复测量变量[16]。实验数据均采用均值±标准差表示，统计学显著性水平确定为P<0.05，采用LSD方法对显著性主效应进行事后检验。

2 结果

2.1 不同速度急停起跳动作膝关节三维运动学指标研究结果

不同助跑速度下排球运动员急停起跳动作膝关节峰值角度如表2所示。助跑速度显著影响膝关节伸展峰值角度和内旋峰值角度(P<0.005)。后检验发现慢速助跑下的膝关节伸展峰值角度和内旋峰值角度显著小于中速和快速助跑(P<0.005)。性别显著影响膝关节内翻峰值角度和外翻峰值角度，且女子排球运动员的膝关节内翻峰值角度显著小于男子排球运动员(P<0.005)，而外翻峰值角度显著大于男子排球运动员(P<0.005)。

表2 不同助跑速度下急停起跳时膝关节峰值角度(°)

2.2 不同速度急停起跳动作膝关节三维动力学指标研究结果

不同助跑速度下排球运动员急停起跳动作膝关节力矩峰值和前向剪切力如表3所示。助跑速度显著影响膝关节伸展峰值力矩，后检验发现助跑速度越快，膝关节伸展峰值力矩越大(P<0.05)。性别显著影响膝关节屈曲峰值力矩和内翻峰值力矩，女子排球运动员的膝关节屈曲峰值力矩显著小于男子排球运动员，而内翻峰值力矩显著大于男子(P<0.05)。助跑速度显著影响膝关节外翻峰值力矩，后检验发现男子排球运动员快速助跑下的膝关节外翻峰值力矩显著小于慢速和中速助跑。

表3 不同助跑速度下急停起跳时膝关节峰值力矩(N·m/kg)和前向剪切力(BW)

2.3 不同助跑速度急停起跳地面反作用力特征

不同助跑速度下排球运动员急停起跳动作地面反作用力峰值如表4所示。随着助跑速度的增加，青年排球运动员完成急停起跳和变向动作时的最大水平制动力和垂直地面反作用力也随之增加，且女子排球运动员急停起跳动作的水平制动力峰值显著大于男子排球运动员。

表4 地面反作用力峰值(BW)

3 讨论

3.1 不同助跑速度下急停起跳膝关节运动学特征分析

采用运动生物力学研究方法分析了青年男子和女子排球运动员在完成急停起跳和变向动作以及单腿落地动作过程中下肢生物力学负荷指标的变化情况。以往的研究发现，急停起跳时运动员的下肢运动学指标存在显著性差异，膝关节尤为显著[17,18]，但这些研究均没有考虑助跑速度的差异性。本研究结果显示，排球运动员完成急停起跳动作时，膝关节屈曲角度在助跑速度和性别方面均不存在显著性差异，但膝关节伸展角度和内旋角度随着助跑速度的增加而增加，且女子排球运动员在额状面的运动幅度要大于男子排球运动员，相对于健康的运动员来说，较大的膝外翻角度会使身体重心偏向外侧，使得膝关节外展力矩增加，因此是致使膝关节发生损伤的一个潜在危险因素[19,20]，因此女子排球运动员有更高的损伤风险。

3.2 不同助跑速度下急停起跳膝关节动力学特征分析

助跑速度显著影响膝关节伸展峰值力矩。股四头肌是主要的伸膝肌群，其在很大程度上影响膝关节伸力矩的大小。Sell[21]等人表明，膝关节伸力矩的增加会增加非接触式ACL损伤的风险。本研究结果显示，膝关节伸力矩随着助跑速度的增加而显著增大，也就意味着更大的下肢损伤风险，且女子排球运动员的损伤风险更高。膝关节屈曲峰值力矩和膝关节内翻峰值力矩在性别之间存在显著性差异，相较于男子排球运动员，女子排球运动员具有较小的膝关节屈曲峰值力矩和较大的膝关节内翻峰值力矩,膝关节额状面力矩的增加使ACL有更大负荷，从而更容易造成损伤。随着助跑速度的增加，膝关节外翻力矩也随之增加。前人研究指出，膝关节内外翻力矩与垂直地面反作用力呈正相关性[22]，较大的膝关节内外翻力矩意味着较大的垂直地面反作用力，而地面反作用力的增加会增加下肢损伤风险。

3.3 不同助跑速度下急停起跳地面反作用力特征分析

随着助跑速度的增加，青年排球运动员完成急停起跳时的最大水平制动力和垂直地面反作用力也随之增加，这可能会影响膝关节的力学负荷，从而增加ACL的损伤风险。关于急停起跳地面反作用力的研究，De等人指出[23]，下肢损伤的发生与落地时地面反作用力的大小有关。在急停起跳落地阶段，膝关节前向剪切力和膝关节伸力矩与地面反作用力有关，尤其是与水平制动力有关[24]。在急停起跳落地阶段，较大的水平制动力会产生较大的膝关节伸力矩，而膝关节伸力矩的增加会导致膝关节前向剪切力的增加[25]，这主要是由于力的传递原理—地面反作用力的增大会产生一个外部膝关节屈曲力矩，同时股四头肌会发力产生一个相对的膝关节伸力矩来平衡作用力。有研究指出当股四头肌集中的力在膝关节产生较大的前向剪切力，会造成ACL张力过大，从而引起膝关节损伤[26]。本研究发现，女子排球运动员较男子运动员有更大的水平制动力，女子排球运动员更容易发生下肢运动损伤，且助跑速度越快的急停起跳下肢损伤风险越高，Hewett等人的研究表明更大的垂直地面反作用力可能会增加ACL损伤的风险[27]。Sigward等还发现，最大垂直方向地面反作用力是膝关节外展力矩的最显著预测因素[28]，如前所述，膝关节外展力矩和伸力矩是影响ACL损伤的潜在风险因素。结合这些发现，本研究认为随着助跑速度的增加，排球运动员膝关节损伤的风险也可能会潜在地增加。

4 结论

1.随着助跑速度的增加，排球运动员膝关节损伤的风险也随之增加。

2.急停起跳时，女子排球运动员较男子排球运动员有更高的膝关节损伤风险。