2種復合運動著陸瞬間膝關節生物力學特征分析

孟慶華，鮑春雨，孟清華

（天津體育學院 1.體育文化傳媒系，2.體育訓練一系，3.天津市運動生理與運動醫學重點實驗室，天津 300381）

2種復合運動著陸瞬間膝關節生物力學特征分析

孟慶華1，3，鮑春雨2，3，孟清華3

（天津體育學院 1.體育文化傳媒系，2.體育訓練一系，3.天津市運動生理與運動醫學重點實驗室，天津 300381）

通過運用動作捕捉系統和三維測力臺對受試者規定完成的復合動作進行動作采集，分別得到運動學和動力學的數據，并進行整理分析.結果表明，復合動作Ⅰ（跑動急停單腳起跳雙腳落地）和復合動作Ⅱ（跑動急停雙腳起跳雙腳落地）相比，急停落地過程中具有更小的膝關節屈曲角度，更大的向后及垂直地面反作用力，較大的膝關節伸展力矩及膝關節剪切力容易導致膝關節前交叉韌帶的損傷.

膝關節；著陸瞬間；起跳；生物力學特征

單腳和雙腳的急停起跳技術在排球、籃球和手球等運動中很常見，并且在這些運動中，前交叉韌帶的損傷也頻繁發生[1-4].急停起跳的著陸階段給下肢特別是前交叉韌帶帶來了顯著的損傷風險[5]299.一系列的研究表明，大多數運動性的前交叉韌帶損傷發生在著陸、迅速減速和突然變向等非接觸性的條件下[2，6].本文通過分析天津體育學院運動訓練專業在校大學生在常見的體育運動中跳躍動作著陸瞬間膝關節的生物力學數據，得出生物力學特征，研究膝關節的生物力學機制.為指導大學生科學地進行體育運動，選擇合適的動作，減少膝關節及其韌帶損傷提供理論依據.

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選取天津體育學院在校運動訓練專業學生20名（專項水平達國家二級運動員水平）為研究對象，其基本情況見表1.所有受試對象在實驗前1個月內無膝關節損傷，且挑選具有相同優勢腿的運動員（起跳腿同為左腿）.

表1 受試者基本情況

1.2 實驗方法

通過運用Vicon動作捕捉系統和Kistler三維測力臺9281B對受試者規定完成的復合動作進行動作采集，分別得到運動學、動力學的數據，從而進行數據整理與分析.分析在校大學生在常見體育運動中急停跳躍動作著陸瞬間膝關節的生物力學數據和生物力學特征，研究膝關節的生物力學機制.為指導大學生科學的進行體育運動，減少膝關節及其韌帶損傷提供理論依據.

2種動作包括：Ⅰ單腿急停單腳起跳落地模式（跑動急停單腳起跳雙腳落地）；Ⅱ跑動急停雙腳起跳落地模式（跑動急停雙腳起跳雙腳落地）.

1.3 數據處理

由于急停起跳造成的損傷主要出現在急停過程中，所以本文主要對急停起跳第一次著地過程中的數據進行分析.應用SPSS13.0統計學軟件與Microsoft Office Excel 2007分析數據，結果用平均數±標準差的形式表示，以獨立樣本T檢驗的方法比較兩組間及兩動作間的差異性，顯著水平P<0.05.

2 結果與分析

2.1 復合動作Ⅰ和復合動作Ⅱ運動學變化特征對比

復合動作Ⅰ和復合動作Ⅱ運動學變化特征對比情況見表2.由表2可見，在矢狀面內，復合動作Ⅰ和復合動作Ⅱ在起跳腳著地時刻（P=0.017），向后反作用力峰值時刻（P<0.01），垂直反作用力峰值時刻（P<0.01），開始蹬地時刻（P<0.01）以及起跳蹬伸離地時刻（P=0.021）膝關節角度都具有顯著性差異，而且復合動作Ⅰ的習慣屈曲角度都較小；在額狀面內，只有在起跳腳著地時刻，膝關節角度具有顯著性差異（P=0.040）且復合動作Ⅱ的外翻角度較大.

表2 復合動作Ⅰ和復合動作Ⅱ運動學變化特征對比

2.2 復合動作Ⅰ和復合動作Ⅱ動力學變化特征對比

復合動作Ⅰ和復合動作Ⅱ動力學變化特征對比見情況表3.由表3可見，在復合動作Ⅰ和復合動作Ⅱ的動力學比較方面，其在向后地面反作用力峰值（P<0.01），垂直地面反作用力峰值（P<0.01），著地膝關節力（P=0.033），著地膝關節力（P<0.01）以及著地膝關節力（P<0.01）方面均具有顯著性差異，并且復合動作Ⅰ在數值上均大于復合動作Ⅱ.

表3 復合動作Ⅰ和復合動作Ⅱ動力學變化特征對比

2.3 復合動作Ⅰ和復合動作Ⅱ運動生物力學特征比較

急停起跳的運動生物力學特征的研究對于下肢損傷的預防意義重大[5]302，且有研究發現單腿落地過程中前交叉韌帶損傷的風險更高[3]1008.但對單腳急停起跳及雙腳急停起跳這2種常見的運動方式著陸過程中的下肢損傷風險對比研究較少.有研究發現，地面反作用力與下肢負荷成正比關系[7-9]，并且有一些研究對比了單腿落地及雙腿落地過程中地面反作用力的特征[10-11].Pappas[10]等研究發現，從0.4 m高臺落下時，單腿落地過程中的垂直地面反作用力峰值要高于雙腿落地動作；Yeow[11]等研究也具有類似的結果，從0.3 m及0.6 m的高臺跳下時，單腿落地比雙腿落地具有更高的地面反作用力峰值.本研究結果（見表3）與上述結論相近，單腿落地具有更大垂直地面反作用力，繼而具有較大的膝關節負荷.

落地過程中膝關節的運動學特征是影響地面反作用力的重要因素.Malinzak[12]及YU[5]發現落地過程中較小的膝關節屈曲角度將會增加前交叉韌帶的負荷.由本研究結果（見表2）可見，單腿急停起跳在急停著陸瞬間的膝關節屈曲角度較小，并且在第一次著陸過程中的向后地面反作用力及垂直地面反作用力明顯高于雙腿急停起跳動作，提示單腿急停起跳比雙腿急停起跳的下肢前交叉韌帶損傷風險更高.

非接觸性前交叉韌帶損傷的產生是由于前交叉韌帶受到強烈的拉力造成的[13]，而脛骨向前的剪切力是導致膝關節前交叉韌帶拉力產生的最主要因素.由本研究結果（見表3）可見，單腿落地過程中膝關節力（脛骨剪切力）明顯高于雙腿落地，單腳和雙腳急停起跳在著陸階段的動力學特征是有顯著性差異的.單腳急停起跳與雙腳急停起跳相比，在著陸階段會表現出更大的脛骨前側向剪切峰值力.這也是推測單腳的急停起跳對ACL損傷有更高風險的緣由.

在急停起跳動作的急停落地過程中向后地面反作用力似乎是影響膝關節伸展力矩的一個重要因素，YU[5]的研究也指出，向后地面反作用力峰值和膝關節落地過程中的伸展力矩成正比關系.在落地過程中較高的膝關節向后地面反作用力導致較大的膝關節伸展力矩，由本研究結果（見表3）可見，單腿急停起跳具有更高的向后地面反作用力，進而會導致較大的膝關節伸展力矩及較大的膝關節剪切力，容易造成前交叉韌帶的損傷.

3 結論

綜上所述，復合動作Ⅰ和復合動作Ⅱ相比，急停落地過程中具有更小的膝關節屈曲角度，更大的向后及垂直地面反作用力，較大的膝關節伸展力矩及較大的膝關節剪切力，容易導致膝關節前交叉韌帶的損傷.

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Biomechanical characteristics of knee joint in two kinds of composite movement

MENG Qing-hua1，3，BAO Chun-yu2，3，MENG Qing-hua3

（1.Department of Sport Culture Media，2.Department of No.1 Physical Education and Training，3.Tianjin Key Laboratory of Exercise Physiology and Sports Medicine，Tianjin University of Sport，Tianjin 300381，China）

By using motion capture system and three-dimensional force platform，the complex movements of the subjects were collected，and the data of kinematics and dynamics were obtained respectively.The results show that the composite actionⅠ（running stop foot jump landing on both feet）and compound actionⅡ（stop running feet take-off vertical landing）compared to stop the knee flexion angle has smaller landing process，more backward and vertical ground reaction force，the larger the knee extension torque and larger knee the joint shear force，easily lead to the ACL injury.

knee joint；moment of landing；take off；biomechanical characteristics

G804.6

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2016.12.014

2016-09-19

國家自然科學基金項目（11372223，11102135）；天津市應用基礎與前沿技術研究計劃項目（14JCYBJC29300，13JCYBJC25000）

孟慶華（1975-），女，黑龍江雞西人，教授，博士，主要從事運動仿真研究.E-mail：745112962@qq.com

1007-9831（2016）12-0055-04