藝術體操運動員脊柱曲度異常與軀干兩側活動度和力量對稱性的關系

包 蕾，劉 卉，高維緯

隨著藝術體操項目聯合難度（UNIT）和特殊藝術性加分（CAP）在評分規則中的出現和跳躍式發展（劉瑞峰 等，2009），教練員和運動員不得不尋找更加高難度的動作以在比賽中取勝，使得該項目對運動員身體素質和技術動作的要求越來越高，與此同時，運動損傷的發生也愈加頻繁。調查表明，藝術體操運動員損傷發生率高達73.7%～100%（樊蓮香，2002；胡效芳 等，2007；劉瑞峰 等，2009；王煜 等，2002；曾偉，2005；朱娜 等，2004），其中，腰背部損傷最為多見（張景 等，2005）。藝術體操運動員脊柱側凸檢出率遠高于普通人群，且平背現象多發，容易造成胸椎或腰椎的曲度減小甚至是反弓。有研究發現，藝術體操運動員脊柱側凸的發生率為70%（王煜 等，2005），腰椎錯位和棘突偏歪的發生率分別為16.7%和18.4%（張景 等，2005）。藝術體操運動員脊柱側凸除了影響日常生活外，結構改變所帶來的疼痛也會嚴重影響運動員專項動作的完成，制約運動員訓練水平的提高（樊蓮香，2002）。而運動員帶傷訓練極有可能破壞輕度脊柱側凸的自然歸直，致使癥狀加速發展。

目前，脊柱側凸研究主要針對普通青少年人群，獲得了脊柱側凸人群和正常人群在椎體形態（Ponrartana et al.，2016）、椎旁肌肌梭數量（王洋 等，2001）、步態（游國鵬，2010；Kramersde et al.，2004；Mahaudens et al.，2009）、主要肌群肌電、力量（Anwajler et al.，2006；Skrzek et al.，2003）等方面的差異。也有研究發現，側凸的脊柱兩側椎旁肌纖維成分（張紹文 等，2009）和肌纖維分布不對稱（吳亮 等，2004）。也有研究通過對藝術體操運動員脊柱X光片的三維角度計算，描述藝術體操運動員脊柱曲度異常的特征（張曉亞 等，2016），并對藝術體操運動員的椎旁肌物理狀態、肌電活動和軀干肌力量對稱性進行了研究（苗欣，2013）。但是，無論對普通青少年脊柱側凸患者，還是藝術體操運動員，所表現出來的特殊癥狀究竟是繼發性反應還是造成脊柱側凸的原因還并不清楚。Tanchev等（2000）根據對100名無脊柱家族病史、過往傷病及先天性異常的藝術體操運動員的調查推測，藝術體操運動員脊柱側凸致病因素主要為不對稱的脊柱負荷、發育延遲和關節松弛。也有研究者通過理論分析推測藝術體操運動員的脊柱側凸與訓練負荷的不對稱（侯金林 等，1996；王煜 等，2005）、椎體形態不規整（侯金林 等，1996）及腰背部肌力不平衡（張智勇等，1999）有關。

總結已有文獻可以看出，雖然藝術體操運動員脊柱曲度異常這一問題的嚴重性已經被意識到，但對其損傷機制和風險因素的研究并不充分，更缺乏結合專項動作特征或運動員身體能力分析脊柱曲度異常的研究，因此，也就無法制定針對性的預防策略。本研究的目的是測量和分析藝術體操運動員的脊柱曲度、軀干肌肉力量和完成搬腿動作時軀干活動幅度的特征和關系，描述藝術體操運動員在日常狀況下和完成專項動作時脊柱異常的表現，著重觀察軀干兩側對稱性，探討藝術體操專項訓練對脊柱的影響，并進一步分析可能與脊柱曲度異常相關的因素，為分析藝術體操運動員脊柱側凸病因提供思路和數據上的支持，為藝術體操運動員脊柱側凸預防策略的制定提供依據。

1 研究對象與方法

1.1 受試者

本研究的受試者為9名藝術體操運動員，其中5名為國家藝術體操隊隊員，4名北京體育大學競技體校藝術體操隊隊員，年齡14.2±2.3歲，身高156.0±11.7 cm，體重38.76±7.98 kg。受試者均為右利手，優勢側均為右側。2人無損傷史，1人4年前左腳骨折已愈合，其余6人均有不同程度腰部、髖部、膝部和足部疼痛史，但測試當天所有受試者無影響動作表現的疼痛。

1.2 數據采集

1.2.1 全脊柱X光片拍攝

運動員進行站立位脊柱正位和側位的X光片拍攝。X光片由低劑量數字X光機（北京航天中興醫療系統有限公司）進行拍攝。進行站立位正位片（圖1左）拍攝時運動員兩肩放松，手臂自然下垂于體側，兩眼平視前方；進行站立位側位片（圖1右）拍攝時運動員肩關節前屈，手臂上抬至水平或偏上位置，身體直立與地面垂直，兩眼平視前方。正位片拍攝范圍由兩耳耳屏水平到腰椎結束，髂嵴須拍攝在內，骶骨可部分拍攝。側位片拍攝范圍由兩耳耳屏水平到尾椎結束。

圖1 脊柱正位和側位X光片Figure 1. Anteroposterior and Lateral X-ray of the Spine

1.2.2 軀干活動度測試

應用三維攝像方法定量評價運動員完成腰部過度后伸的后搬腿動作和腰部過度側屈的側搬腿動作時的脊柱運動幅度。受試者站在地面標示的固定位置上，面朝固定方向完成側搬腿和后搬腿動作（圖2）。側搬腿動作時要求一條腿保持直立，另一條腿按訓練要求側搬；后搬腿動作要求運動員一條腿保持直立，另一條腿按訓練要求后搬。兩臺SONY攝像機分別架于受試者斜后方，主光軸夾角約90°，拍攝頻率為50 Hz。應用PEAK三維框架對拍攝范圍進行標定。分別拍攝運動員兩側腿3次側搬和后搬動作，取活動幅度最大的1次進行分析。

1.2.3 軀干肌肉力量測試

運用芬蘭產DAVID F110胸椎/腰椎后伸肌群測試系統對運動員的坐姿軀干后伸等長收縮力量進行測試（圖3左）。正式測試前受試者進行10 min的準備活動。測試時受試者放松端坐于座椅上，調節座椅高度使髂嵴最高點對應于儀器的指定位置，調節足部踏板使得膝關節呈90°屈曲狀態，按照系統操作手冊上的要求進行相應關節的固定。正式測試的角度分別為軀干屈伸解剖0°位、屈曲15°位和屈曲30°位。不同角度的測試之間需調試背部阻力靠墊的高度，使其上緣均對準受試者起始位置時的肩胛岡處。測試時受試者在不同軀干屈曲角度下盡力完成軀干后伸動作，提示受試者腰背部用力，雙手自然下垂。每個角度進行3次穩定測試，記錄每次的峰力矩值，結果取3次測試的平均值進行分析。

圖2 側搬腿動作和后搬腿動作Figure 2. Side Kick and Back Kick

運用DAVID F150胸椎/腰椎雙側屈肌群測試系統對運動員的坐姿軀干雙側側屈力量進行測試（圖3右）。受試者放松騎坐于座椅上，按照系統操作手冊上的要求調節座椅進行相應關節的固定。測試的起始體位分別為軀干解剖0°位、左側屈15°位、左側屈30°位、右側屈15°位和右側屈30°位。測試時受試者盡自己最大能力完成軀干側屈動作，提示受試者軀干用力，雙手放松。每個側屈角度下各測量3次兩個方向的側屈力量，記錄每次的峰力矩值，結果取3次穩定測試的平均值進行分析。

圖3 軀干后伸和側屈力量測試Figure 3. Test of Trunk Extension and Lateral Flexion Strength

1.3 數據處理

運用北京航天中興有限公司自行研制的Worker光片處理軟件對正位和側位脊柱X光片進行脊柱彎曲角度的計算。應用Cobb法測量X線像的脊柱額狀面Cobb角和矢狀面生理曲度（圖4），計算兩次取平均值。

圖4 脊柱額狀面Cobb角和矢狀面生理曲度的測量Figure 4. Measurement of Cobb Angle and Sagittal Physiological Curvature of the Spine

運用視訊圖像解析系統對兩臺攝像機的拍攝圖像進三維錄像解析，獲得受試者第七頸椎點、恥骨點、肩關節中心點，髖關節中心點和膝關節中心點（表1）的三維坐標。后搬腿幅度和側搬腿幅度定義為第七頸椎點與恥骨點連線和髖關節中心點與膝關節中心點連線的夾角，角度越小，幅度越大。軀干扭轉角定義為左右肩關節中心點連線與左右髖關節中心點連線之間的夾角，角度越大，幅度越大。

表1 角度計算標志點的位置Table 1 Positions of the Mark Points

軀干等長力量測試時的力矩峰值分別除以受試者體重，標準化為單位體重力矩峰值（Nm/kg）。

1.4 統計處理

采用配對t檢驗對受試者軀干運動幅度和軀干力矩的左右對稱性進行比較。采用置信區間估計檢驗不同主側凸方向受試者的搬腿動作軀干特征的差異，采用Pearson積距相關系數表示相關性。顯著性水平定為一類誤差概率不大于0.05。

2 結果

2.1 X光片脊柱曲度異常情況

9名運動員中8人出現脊柱異常彎曲（表2），其中2人的Cobb角大于10°。脊柱異常運動員中雙彎6人，單彎2人，其中7人主側凸向左，1名向右。根據頂椎位置判斷（葉啟彬，2002），8名脊柱異常受試者主側凸發生在胸段、胸腰段和腰段。

9名運動員中8人有不同程度的頸曲反弓現象（表3）。有7人出現平背現象，胸曲被迫下移至胸腰段，此時胸曲的頂椎多位于胸11、胸12。下移的胸曲下端椎往往累及到腰椎，腰曲變短，并有不同程度的彎曲度減小。根據脊柱矢狀面彎曲角度的分析，胸曲形態分為兩種：1） C形胸曲，胸曲彎曲方向無改變，彎曲度數不同程度改變，甚至減小到出現平背現象；2） S形胸曲，如表3中2號和6號受試者的胸曲形狀，脊柱胸段上端平直或微前凸，下端后凸，多伴隨腰曲下移。

表2 藝術體操運動員脊柱側凸情況Table 2 Scoliosis in Rhythmic Gymnastics Athletes

2.2 軀干兩側活動度的左右對稱性及其與脊柱特征的關系

運動員完成左腿側搬和后搬動作時骨盆相對于上軀干向左扭轉，反之右側搬腿時骨盆相對于軀干向右扭轉。本研究受試者完成側搬腿時活動幅度和軀干扭轉角在兩側間無顯著性差異，但完成后搬腿動作時，后搬左側腿時的活動幅度角顯著小于后搬右側腿，而后搬左側腿時軀干向左扭轉的幅度顯著大于后搬右側腿時軀干向右扭轉幅度（表4）。

側搬腿時活動幅度角與對應軀干扭轉角呈顯著負相關關系（左搬腿r=-0.918，P＜0.001；右搬腿r=-0.891，P＜0.01），但后搬活動幅度角與對應軀干扭轉角相關不顯著（左搬腿r=-0.570，P=0.109；右搬腿r=-0.415，P=0.267）。

本研究中1名主側凸為右凸的受試者的側、后搬腿活動幅度角和軀干扭轉角均位于主側凸左凸受試者相應角度的95%置信區間內，未見因主側凸方向不同而存在的差異（表4）。

將右側凸受試者的脊柱側凸情況進行鏡像處理，將可計算出主側凸Cobb角的7名受試者的Cobb角度數與側搬腿活動幅度角、側搬腿軀干扭轉角、后搬腿活動幅度角、后搬腿軀干扭轉角之間進行相關性分析，結果均無顯著相關。選取9人矢狀面方向向后的胸曲角度和方向向前的腰曲角度分別與側搬腿活動幅度角、側搬腿軀干扭轉角、后搬腿活動幅度角、后搬腿軀干扭轉角之間進行相關性分析，結果顯示，胸曲角度與右側搬腿活動幅度角存在正相關（P＜0.05），與右側搬腿軀干扭轉角之間為顯著負相關（P＜0.05），腰曲角度與左側搬腿活動幅度角之間存在顯著正相關（P＜0.05），與右側搬腿軀干扭轉角之間存在顯著負相關（P＜0.05，表5）。

表3 藝術體操運動員脊柱矢狀面曲度Table 3 Sagittal Curvature of the Spine in Rhythmic Gymnastics Athletes

表4 藝術體操運動員搬腿動作軀干運動特征Table 4 Trunk Movement Characteristics during Side Kick and Back Kick in Rhythmic Gymnastics AthleTes /°

表5 藝術體操運動員脊柱彎曲角度與軀干活動角度間的相關系數Table 5 The Correlation Coefficient between the Curvature of the Spine and the Movement Angle of the Trunk in Rhythmic Gymnastics Athletes

2.3 軀干等長力量左右對稱性及其與脊柱特征的關系

運動員脊柱主側凸Cobb角度、脊柱矢狀面胸曲角度、腰曲角度分別與在3個位置軀干后伸單位力矩峰值的相關分析表明，胸曲角度與3個位置軀干后伸單位力矩峰值均存在非常顯著的負相關關系，但主側凸Cobb角、腰曲角度與軀干后伸單位力矩之間的相關關系不顯著（表6）。

對軀干側屈力量的測試結果顯示，運動員右屈力量顯著大于左屈力量。軀干位于中立位時（0°位）向右屈的單位力矩峰值（1.51±0.61 Nm/kg）顯著大于向左屈（1.31±0.77 Nm/kg）（P＜0.05）；軀干從右屈15°位置向右屈的單位力矩峰值（1.94±0.71 Nm/kg）顯著大于軀干位于左屈15°時向左屈的單位力矩峰值（1.43±0.59 Nm/kg）（P＜0.001）；軀干位于左屈15°時向右屈的單位力矩峰值（1.73±0.81 Nm/kg）也顯著大于軀干位于右屈15°時向左屈的單位力矩峰值（1.28±0.62 Nm/kg）（P＜0.05）。右屈30°位置向右屈的單位力矩峰值（1.63±0.56 Nm/kg）與左屈30°時向左屈的單位力矩峰值（1.35±0.60 Nm/kg）之間不具有顯著性差異（P=0.051），起始體位為左屈30°位置時的軀干右屈單位力矩峰值（1.94±0.89 Nm/kg）顯著大于右屈30°時的左屈單位力矩峰值（1.50±0.74 Nm/kg）（P＜0.05）。

將主側凸為右凸的1名受試者與其他主側凸為左凸的7名受試者在搬腿動作軀干發力特征上進行對比，未見因主側凸方向不同而存在的差異（表7）。

表6 藝術體操運動員脊柱彎曲角度與軀干后伸單位力矩峰值之間的相關性Table 6 The Correlation between the Curvature of the Spine and the Peak Extension Torque of the Trunk in Rhythmic Gymnastics Athletes

表7 不同主側凸方向受試者軀干側屈力矩的比較Table 7 Comparison of the Peak Trunk Lateral Flexion Torque with Different Main Scoliosis Direction Nm/kg

側凸相關分析結果表明，胸曲角度、腰曲角度分別與不同軀干側屈角度下右屈單位力矩峰值存在顯著或非常顯著性負相關。而胸曲角度與左屈力矩不存在顯著相關。腰曲角度與左屈0°、15°、30°和右屈15°位置的軀干左屈單位力矩峰值存在顯著負相關，其余角度未見顯著相關。主側凸Cobb角與側屈力矩之間未發現顯著相關（表8）。

表8 藝術體操運動員脊柱彎曲角度與軀干側屈力矩峰值間的相關系數Table 8 The Correlation Coefficient between the Curvature of the Spine and the Peak Lateral Flexion Moment of the Trunk

3 分析與討論

3.1 軀干兩側活動度對稱性與脊柱曲度的關系

本研究結果顯示，后搬腿時軀干活動幅度在兩側存在顯著差異的同時，軀干扭轉角也出現顯著性差異，側搬腿時軀干活動幅度越大時對應的軀干扭轉角度越大，這表示完成大幅度搬腿動作不僅是髖關節的活動，還需要軀干部分彎曲和旋的運動。

藝術體操側搬腿動作和后搬腿動作對脊柱存在矢狀面、額狀面和水平面的共同作用。軀干后伸幅度上左側后搬腿時顯著大于右側，后搬左側腿時軀干扭轉角度顯著大于右側相應角度。表明，本研究藝術體操運動員在完成專項動作后搬腿時，軀干兩側活動度呈現顯著不對稱，左側活動幅度大于右側。8名存在脊柱曲度異常的受試運動員中7名運動員脊柱主側凸方向為左凸，1名為右凸，而在不同主側凸方向的兩組人之間，軀干在完成搬腿動作時表現出的一些角度特征無顯著性差異，因此，軀干兩側活動度不對稱，但未見與主側凸方向上的關系。

研究結果顯示，主側凸Cobb角度數與搬腿動作軀干特征之間無顯著相關。矢狀面胸曲角度越小，右側搬腿活動幅度越大，右側搬腿軀干扭轉幅度越大，矢狀面腰曲角度越小，左側搬腿活動幅度越大，右側搬腿軀干扭轉幅度越大。由此可見，軀干兩側不對稱的活動度與主側凸Cobb角度數之間未見相關，而脊柱矢狀面彎曲角度與軀干活動之間存在關系，胸曲角度的減小有利于右側搬腿動作軀干的彎曲和扭轉，腰曲角度的減少對于雙側側搬腿動作軀干的彎曲和扭轉均有利。

3.2 軀干肌肉力矩與脊柱曲度的關系

3.2.1 軀干后伸力矩與脊柱曲度的關系

本研究受試運動員均有不同大小的脊柱側凸角度，且不同軀干前屈位置下的軀干后伸力矩峰值為0°位 74.17±30.44 Nm、15°位 90.69±42.08 Nm 和 30°位101.22±44.36 Nm。但對35名年齡為14.69±2.26歲的波蘭普通女性脊柱側凸青少年進行軀干后伸肌力測試表明，60°/s等速軀干后伸力矩峰值為140.78±37.72 Nm（Skrzek et al.，2003）。依據每組數據的樣本量、平均數和標準差，進行獨立樣本t檢驗結果顯示，本研究藝術體操運動員軀干0°位（P＜0.001）、15°位（P＜0.01）后伸力矩峰值顯著小于波蘭脊柱側凸普通青少年。而該研究中普通無脊柱側凸青少年軀干后伸力矩大于脊柱側凸青少年（Skrzek et al.，2003）。將本研究藝術體操運動員軀干后伸單位力矩峰值與另一研究（王海群 等，1997）中平均年齡為12.3±0.4歲、身高為134.8±0.2 cm、體重為28.4±0.4 kg的16名女子體操運動員軀干后伸單位力矩峰值3.16±0.33 Nm/kg進行獨立樣本t檢驗，結果顯示，在藝術體操運動員年齡、身高和體重均顯著大于體操運動員的情況下，藝術體操運動員軀干后伸0°位（P＜0.001）、15°位（P＜0.01）單位力矩峰值顯著小于體操運動員。

本文結果與文獻對比表明，藝術體操運動員軀干后伸力量小于普通脊柱側凸青少年，小于普通無脊柱側凸青少年，小于較低年齡的體操運動員。前人對軀干肌等動測試研究結果也顯示，特發性脊柱側凸患者的背部肌肉力量明顯低于正常人，但肌肉收縮速度與正常人沒有顯著性差異（Anwajler et al.，2006；Skrzek et al.，2003）。

本研究中運動員胸曲角度與不同軀干前屈位置下的軀干后伸力矩之間均有非常顯著的負相關關系，表明胸曲角度越小的運動員，軀干后伸力矩越大。因此可以推測，藝術體操專項施加于軀干的訓練負荷使軀干后伸力量增大，可能隨之出現脊柱胸曲角度減小。

3.2.2 軀干側屈力矩與脊柱曲度的關系

在0°～30°區間內，運動員軀干右屈力矩大于左屈，表明運動員軀干兩側肌肉力量顯著不對稱，右側肌肉的發力水平大于左側。關于軀干肌肉力量不對稱與主側凸方向的關系，近期有研究采用高頻超聲檢查成人脊柱側凸患者豎脊肌聲像圖，發現脊柱凸向側豎脊肌橫截面積明顯小于對側（呂媛媛 等，2011），而另有對于青少年特發性脊柱側凸患者軀干側屈肌群力量分析的研究中，測量了在0°位和30°位側屈時軀干兩側肌肉的力量表現，得出特發性脊柱側凸的青少年患者軀干側屈肌群力量強弱與側凸方向無關（游國鵬 等，2016）。本研究測得藝術體操運動員軀干肌肉力量右側大于左側，雖然8位存在脊柱曲度異常的受試者中，主側凸為左凸的為7人，右凸僅為1人，但不同凸向下兩側軀干肌力量大小分布未發現差異，因此認為軀干肌肉力量的不對稱與主側凸方向無關。

本研究受試者胸曲角度、腰曲角度與軀干側屈力矩均表現出顯著的相關關系：胸曲和腰曲角度越小的運動員，軀干右側側屈肌肉力矩峰值越大。腰曲角度越小的運動員，其在左屈0°、15°、30°和右屈15°位置的軀干左屈力矩越大?？梢杂纱送茰y，專項訓練使得肌肉力量增大，而經常性使用右側動作使得軀干右側（優勢側）肌肉的力量得到較大發展，從而造成軀干兩側肌肉的不對稱。隨著訓練水平的提高，軀干肌肉力量增大，尤其右側肌肉力矩峰值增大，伴隨出現了脊柱矢狀面胸曲和腰曲角度的變小。

綜上所述，搬腿動作軀干彎曲扭轉幅度和軀干肌肉力量大小與脊柱額狀面異常彎曲無關；右側搬腿動作軀干的彎曲和扭轉幅度、軀干后伸力量、軀干右側屈肌力量較大的運動員，脊柱矢狀面胸曲角度越小；左側搬腿軀干彎曲幅度和右側搬腿軀干扭轉幅度、兩側軀干肌肉力量較大的運動員，脊柱矢狀面腰曲角度較小。由此分析，軀干活動度和肌肉力量的不對稱與脊柱額狀面曲度異常無關，但與脊柱矢狀面上胸曲角度和腰曲角度的變化有關。專項訓練的目的是增大軀干的彎曲扭轉幅度以及肌肉力量，而這并不會對脊柱額狀面產生直接影響，但隨著訓練，運動員軀干活動幅度增大，肌肉力量提高，脊柱胸曲、腰曲曲度減小，而運動員胸曲角度變小可能與集中于軀干右側和軀干后伸動作的訓練有關。

本研究只截取了藝術體操運動員一段時期的身體狀況、軀干力量情況和完成技術的狀態，以分析造成脊柱曲度異常的原因。因此，今后還應對藝術體操運動員進行長時間跟蹤的前瞻性病例對照研究，以更確切的找出導致藝術體操運動員脊柱側凸的原因。

4 結論與建議

藝術體操運動員軀干兩側活動度和肌肉力量存在不對稱，后伸幅度左側大于右側，側屈肌力右側大于左側，但這種不對稱與脊柱額狀面上異常彎曲無明顯關系。藝術體操運動員專項動作負荷與脊柱矢狀面曲度異常有關，集中于軀干右側和軀干后伸動作的訓練，可能是導致胸曲變直的原因。

建議在預防藝術體操運動員脊柱曲度異常時，應增加訓練和比賽動作設計的對稱性，注重軀干后伸力量和兩側肌肉力量訓練的對稱性，在高強度訓練后注意軀干部肌肉的放松和疲勞恢復。