乒乓球運動員膝關節損傷機制研究
——對3種常用步法的膝關節負荷特征分析

周星棟，肖丹丹，郭文霞，黃習梅，張曉棟

步法技術是乒乓球項目訓練與比賽中極其重要的一部分，是優秀乒乓球運動員所必備的技術。乒乓球運動步法要求運動員的膝關節經常于半屈曲位進行起動、移動、制動、扭轉和蹬伸等技術動作，而半屈曲位是膝關節生理解剖薄弱的位置。乒乓球運動員在進行訓練和比賽時膝關節半月板、周圍的韌帶經常受到磨損和過度牽拉，因此，乒乓球運動員是膝關節損傷的高危人群。乒乓球的快速運動，要求運動員的步法也要迅速準確，此時膝關節就需要不斷調整彎曲角度、內旋外旋角度、內收外展角度，以保證運動員用最快和最準確的動作擊球，此時膝關節還要承受來自地面的反作用力。可想而知，步法是造成膝關節損傷的一個重要因素。

尚清華等（2012）的研究報道，國家乒乓球隊運動員膝關節損傷人數約占所有在訓總人數的20%，李莉（2012）對省隊乒乓球運動員膝關節損傷情況的調查結果顯示其發病率為22.4%。同時，乒乓球運動員退役后比同齡人更容易患膝關節炎。Rajabi等（2012）對新西蘭退役后的乒乓球運動員（年齡：56.64±5.17歲）膝關節炎的研究表明，其發病率達78.3%，高于同年齡段正常人群（36.3%）。乒乓球運動員多發的膝關節損傷包括髕骨、關節軟骨、半月板以及韌帶的各種急慢性損傷。其中，膝脂肪墊炎和慢性髕腱末端病（跳躍膝）的發病率最高，其次為半月板損傷（尚清華等，2012）。但運動員和教練員對這些慢性損傷的重視程度不足，會在損傷沒有完全康復的情況下讓受傷運動員繼續進行大運動量的訓練和比賽，加重傷勢使之惡化，同時增加再次罹患運動損傷的危險（周長敬等，2015）。患有慢性膝關節損傷的運動員還易繼發半月板、交叉韌帶等部位的急性損傷（Feucht et al.，2015）。

乒乓球運動員一旦發生膝關節損傷，后果十分嚴重。可導致短期的運動訓練中斷，甚至終止其運動生涯，也可能因罹患膝關節炎等繼發性損傷而嚴重影響退役后的生活質量。例如，當今的大滿貫運動員馬龍，一直受到膝關節損傷的困擾，始終無法保持系統的訓練與參賽。2019年男子世界杯，馬龍在康復數月后再次返回賽場，但在比賽中明顯表現出了步法的緩慢，連續負于16歲日本運動員張本智和、18歲中國臺北運動員林昀儒，未能取得理想成績。

若想更好地預防乒乓球運動員膝關節損傷，需先了解乒乓球運動中膝關節致傷的根本原因。因此，本研究采用生物力學研究方法，對20名北京體育大學優秀乒乓球運動員完成3種常用步法（并步、跳步、跨步）動作過程中的下肢運動學、動力學數據進行采集，通過分析乒乓球運動員完成不同步法時的運動學特征以及膝關節三維力和力矩峰值等指標，了解乒乓球運動員在完成常用步法時膝關節負荷特征。同時，在一定程度上探究乒乓球運動員膝關節損傷的性別差異與技術差異。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本試驗選取北京體育大學優秀乒乓球運動員，男女各10名，均為右手執拍，運動等級在二級及以上（表1）。所有參加測試的運動員均沒有膝關節損傷史，并且在測試當天沒有任何下肢關節疼痛和運動障礙。所有受試者在數據采集前簽署研究知情同意書。

表1 受試者基本情況Table 1 Basic Information of the Subjects M±SD

1.2 數據采集

測試時要求受試者在測力臺上依次完成并步、跳步和跨步步法。要求受試者根據喂球者發球方向（正手方向不轉球）調整步法，并盡全力揮拍擊球，與平時訓練和比賽的狀態保持一致，每名受試者每個動作采集3次有效數據用于研究。

測試時受試者穿乒乓球鞋和緊身衣，進行3 min熱身活動后，由試驗專人在運動員身體關節部位貼反射標志點，所有運動員標志點的設置均由同一人完成。標志點位置參考Yu等（2006），張美珍等（2015），肖曉飛等（2019）的研究設計，共計23個位置（包括肩、肘、腕、髖、髂后上棘中點、大腿、內外膝、小腿、踝、足跟、足尖等）。

采用6鏡頭紅外光點運動捕捉系統（Qualisys MCU500，瑞典）以200 Hz的采集頻率對受試者動作運動學指標進行采集，采集5 s，標定測試空間。應用2臺三維測力臺（Kistler 9281CA，瑞士）對地面反作用力及相關指標進行采集，采集頻率為1 000 Hz。運動學與動力學數據的采集由Motion紅外光點運動捕捉系統進行同步觸發。

1.3 數據處理

1.3.1 膝關節角度

根據測試和計算的標志點坐標建立大腿坐標系和小腿坐標系。大腿坐標系由股骨內側髁、股骨外側髁以及髖關節中心建立。膝關節中心即股骨內外側髁中點。小腿坐標系由外踝點、內踝點以及膝關節中心建立。踝關節中心即內、外踝中點。

膝關節角度定義為大腿坐標系和小腿坐標系之間的歐拉角，第1次轉動圍繞冠狀軸，獲得屈伸角（正角為屈），第2次轉動圍繞矢狀軸，獲得內收外展角（正角為內收，負角為外展），第3次轉動圍繞垂直軸，獲得內旋外旋角（正角為內旋，負角為外旋）。

1.3.2 動力學數據

運用Kistler數據分析軟件對原始數據進行處理，而后用Microsoft Excel軟件進行分析和處理。根據測力臺坐標系在實驗室坐標系中的位置關系，將所有測力臺數據轉換到實驗室坐標系中進行分析。膝關節三維力矩通過逆動力學方法計算獲得（MS3D 7.0版，MotionSoft，Inc.，Chapel Hill，NC 2006）。地面反作用力和膝關節力矩被投影到小腿坐標系（圖1）。為了排除體重對地面反作用力、膝關節三維力和膝關節力矩的影響，并使不同受試者的數據結果具有一定的可比性，本研究對地面反作用力值、膝關節三維力和膝關節力矩數據進行標準化處理，地面反作用力和膝關節的三維力標準化為體重的倍數，單位BW；膝關節力矩標準化為身高與體重乘積的倍數，單位BW·BH。

圖1 膝關節角度示意圖Figure 1. Diagram of the KneeAngle

1.3.3 Motion運動學數據

運用Motion系統中的軟件獲得各標志點的空間三維坐標。以受試者完成技術動作的準備階段、引拍階段、揮拍擊球階段、隨揮階段、還原階段為一個完整的動作單元。利用Excel、Origin等軟件對原始三維坐標數據進行平滑與計算，得到用于分析的運動學數據。數據平滑采用低通濾波方法，截斷頻率是8 Hz。并根據采集的運動學和動力學數據計算每次動作中下肢關節中心的三維坐標、小腿與地面的三維角度、膝關節三維角度、地面三維反作用力矢量等指標。再根據逆動力學方法計算獲得膝關節三維力和力矩。

1.4 數據分析

運用方差分析法比較相同性別運動員在完成不同步法技術時膝關節的運動學與動力學數據差異；運用方差分析法比較完成同種步法技術時，不同性別運動員膝關節的運動學與動力學數據差異；所有統計分析均由SPSS 21.0軟件完成，統計分析的顯著性標準為P＜0.05。

2 研究結果

2.1 膝關節三維角度分析

2.1.1 膝關節角度極值分析

乒乓球運動員完成步法技術動作過程中，膝關節始終處于屈的狀態，屈角范圍約20°～60°，存在較大的內旋角和內收角。在3種步法中，男、女運動員均在完成跳步動作過程中表現出更小的膝關節內旋角（P＜0.05，表2）。

表2 受試者膝關節角度極值Table 2 Extremum of Subject’s KneeAngle °，M±SD

2.1.2 地面垂直反作用力最大時膝關節角度分析

當地面垂直反作用力最大時，膝關節屈角約45°，同時存在一定的外展角和內旋角。與男運動員相比，女運動員在完成3種步法動作時表現出更小的膝關節外展角（P＜0.05）；在3種步法中，男、女運動員均在完成跳步動作過程中表現出更小的膝關節外展角（P＜0.05，表3）。

2.2 地面反作用力極值分析

受試者完成3種步法過程中，受到向上的地面反作用力較大，均值1.41～1.68 BW。同時，相對于并步和跳步，男、女運動員均在完成跨步技術動作過程中表現出更大的向左地面反作用力（P＜0.05）；此外，男運動員還表現出更大的向上地面反作用力（P＜0.05），女運動員還表現出更大的向前地面反作用力（P＜0.05，表4）。

2.3 受試者膝關節受力極值分析

受試者完成3種步法過程中，受到垂直向上的力最大，均值1.46～1.65 BW，其次是水平向后的力和水平向左的力，未表現出顯著的性別差異與技術差異（表5）。

2.4 膝關節力矩極值分析

受試者完成步法動作過程中，受到伸膝力矩最大，外展力矩次之，未表現出顯著的性別差異。但在3種步法中，運動員在完成跳步技術動作過程中表現出更小的膝關節外展力矩（P＜0.05，表6）。

表3 地面垂直反作用力最大時受試者膝關節角度Table 3 Subject's KneeAngle When the Ground Reaction Force was Maximum °，M±SD

表4 受試者膝關節所受地面反作用力極值Table 4 Extreme Ground Reaction Force of Subject’s Knee Joint BW，M±SD

表5 受試者膝關節受力極值Table 5 Extreme Force of Subject’s Knee Joint BW，M±SD

表6 受試者膝關節力矩極值Table 6 Extreme Moment of Subject’s Knee Joint BH·BW，M±SD

3 討論

3.1 3種乒乓球步法的技術特點分析

為更加清晰地呈現本研究中受試者步法技術動作的運動特點，以下分析均以右手執拍運動員往正手方向移動的步法為例，與本研究中受試者所做動作一致。

并步技術動作的要領是左腳向著右腳的方向先并半步，在左腳著地的同時，右腳向來球方向移動一步。并步技術動作沒有騰空的過程，運動員身體重心起伏相對較小，移動過程相對平穩。

跳步技術動作是以左腳蹬地發力為主，通過左腳蹬地，雙腳幾乎同時離地，向來球方向跳動，隨后左腳先著地，右腳后落地。跳步動作過程中會有短暫的騰空時間，整個過程中身體重心快速轉換，跳步前后雙腳間距的改變不大，適用于連續來回還擊離身體稍遠的球。因存在騰空，運動員的身體重心必然起伏，運動員常常需要依靠膝關節的調節來緩解這種重心的起伏。

跨步技術動作要求運動員左腳蹬地，右腳向著來球方向跨一大步，左腳隨后跟上一小步。跨步動作相對較快，幅度也相對較大，移動中一般會降低身體重心。

3種步法的動作要領存在差別，但也有共同點，即都是根據來球方向調整重心，蹬地發力，移動步法，然后支撐腿落地，隨后支撐腿蹬地發力參與揮拍擊球的過程。本研究結果顯示，3種步法的運動學特征與動力學特征僅有個別部分的細微差異，在整體上無明顯差異。

3.2 膝關節屈角對其損傷的影響

膝關節屈角在0°～45°時，股四頭肌的收縮力能對前交叉韌帶產生較大拉力，當膝關節角度超過60°時，股四頭肌的收縮力對前交叉韌帶的影響并不明顯（劉卉等，2008）。Tatsuo等（2008）的研究進一步明確了隨著膝關節屈角的減小，髕腱-脛骨縱軸夾角增大，進而會使髕腱向前剪切力增加，從而使脛骨向前的剪切力和前交叉韌帶負荷增加，特別是當膝關節屈角度很小時。Gisela等（2016）研究了爬樓梯運動時機體內前交叉韌帶的應力，研究顯示，當膝關節屈曲較小時前交叉韌帶更容易受損傷。李翰君等（2014）的研究也證明，較小的膝關節屈角是非接觸性前交叉韌帶損傷的重要因素。從本試驗結果可見，運動員完成動作時膝關節屈角約在20°～60°，且地面垂直反作用力最大時刻的膝關節屈角約45°。顯然，運動員膝關節屈角是造成乒乓球運動員膝關節損傷的重要因素。乒乓球運動員在平時的訓練和比賽中膝關節始終處于彎曲狀態，并且需要根據來球的位置不斷在半屈狀態下快速移動，膝關節負荷巨大，損傷風險相對較高。

3.3 膝關節外展角對其損傷的影響

Hewett等（2016）的研究指出，受試者在做垂直跳躍的動作時，膝關節處于外展狀態，容易使膝關節的前交叉韌帶受傷，即膝關節在受到較大向前剪切力的同時外展，使前交叉韌帶的負荷增加，導致前交叉韌帶損傷。乒乓球運動中，運動員的支撐腿調整重心著地后，需緊接著參與蹬地發力、揮拍擊球的過程。支撐腿蹬地發力使地面反作用力向上傳遞，同時身體向左轉，由于支撐腿的小腿來不及隨著上身轉動，故膝關節形成外展的角度。本研究結果顯示，當地面反作用力最大時，女運動員在完成3種步法時膝關節外展角小于男性受試者，因此，可以推測出乒乓球女運動員前交叉韌帶的損傷率低于男運動員。這一推論與肖丹丹團隊在第十三屆全運會上的調研結果一致（李亮 等，2019；周星棟 等，2019）。另外，在3種步法中，跳步技術的膝關節外展角顯著小于并步技術和跨步技術，也在一定程度上說明，跳步技術造成前交叉韌帶的損傷風險相對小于另兩種步法。

3.4 地面反作用力對膝關節損傷的影響

乒乓球運動所受的地面垂直反作用力是自身體重的1～2倍。Terada等（2014）研究發現，地面反作用力是前交叉韌帶損傷的重要機制。Yu等（2006）研究發現，在完成急停起跳的過程中，垂直地面反作用力的增加與前交叉韌帶損傷負荷的增加有關，地面垂直反作用力越大，股四頭肌的收縮力就越大，從而使前交叉韌帶所受的負荷越大。張美珍等（2015）的研究結果也顯示，地面垂直反作用力是膝關節損傷的重要因素。綜上可以證明，乒乓球運動員在完成步法技術動作時，膝關節所受的地面垂直反作用力對膝關節損傷有重要影響。這與本研究假設中的膝關節所受地面垂直反作用力是乒乓球運動員膝關節損傷的重要因素相一致。

3.5 膝關節受力對其損傷的影響

從膝關節受力的角度看，完成3種步法技術動作時，膝關節三維力主要在Z軸，即垂直方向的力。乒乓球運動員在做技術動作時，膝關節所受垂直方向的力約為1倍自身體重，有的可達1.5倍。膝關節垂直受力是脛骨和股骨之間的壓力問題，垂直方向的壓力在正常情況下都不足以導致膝關節損傷，但壓力很大加之側向和來回地內收外展與內旋外旋，就會對膝關節內部不利。張美珍等（2015）的研究也證實了此結論，膝關節內收外展和內旋外旋的力能夠單獨對膝關節的損傷產生影響。在乒乓球運動員完成3種步法技術動作時，膝關節受到垂直壓力的同時伴有左右和前后方向的力，使膝關節做出擰轉和側向滑移的動作，這一動作過程對軟骨和半月板損傷有嚴重影響。半月板在脛骨和股骨中間，膝關節半屈位擠壓和旋轉是致使半月板損傷的必要條件。乒乓球運動員在完成步法動作時，膝關節始終保持在半屈位置，并且膝關節的內旋外旋和內收外展運動普遍存在，尤其是在步法運動支撐發力腿著地瞬間和技術動作支撐發力腿蹬伸發力瞬間，膝關節的內收外展和內旋外旋角度達到最大值，此時對于膝關節的損傷最為嚴重。須曉東（2004）的調查結果同樣提到，乒乓球運動員的半月板損傷發病率為17.6%，是所有損傷中的第2位。

本研究結果顯示，乒乓球運動員的支撐發力腿膝關節主要受垂直方向的力，所受的左右方向和前后方向的力較小。單次完成各種步法技術動作時，膝關節所承受的左右方向和前后方向的力對于膝關節的影響不大。但乒乓球運動員在常年的訓練和比賽過程中，常處于半屈膝狀態。加之膝關節解剖結構的特殊性，不能主動做內收外展和內旋外旋，只有在膝關節保持半屈位時才能做。在乒乓球運動中，運動員需要在半屈膝狀態下不斷移動和調整身體重心，膝關節長期在半屈位被動做擰轉，膝關節的髕骨和半月板不斷摩擦，長期積累對于膝關節的損傷影響不容忽視。這也是造成部分調查研究中發現乒乓球運動員膝關節的損傷主要以慢性損傷為主的原因。

3.6 膝關節力矩對其損傷的影響

雖有研究表明，在跳躍落地時伸展力矩大容易導致前交叉韌帶損傷，其原因為跳躍落地時脛骨有前移趨勢，前交叉韌帶易被拉扯致傷。不過在乒乓球運動中膝關節始終保持在屈膝狀態，其前交叉韌帶相對較松。一般情況下，伸展力矩變大對于乒乓球運動員膝關節前交叉韌帶影響不大，但肌肉力的增加會導致股骨關節和髕骨關節的接觸面碾磨增加，導致髕骨軟化癥。另外，伸膝力矩過大，使髕腱下緣位置常被拉扯，可能導致髕腱末端病。這與尚清華等（2012）對乒乓球運動員膝關節損傷的調查結果一致，髕腱末端病和髕骨軟化的發病率最高。

周志鵬等（2017）的研究報道顯示，運動員在疲勞后膝關節的損傷風險將會增大。鄒利民等（2019a，2019b）通過誘導疲勞和非預期變向測試驗證了疲勞因素和非預期因素對膝關節損傷的影響確實存在。中國優秀乒乓球運動員劉國正曾經在比賽過程中髕骨骨折，這在一定程度與上述因素有關。激烈的比賽過程中，運動員在疲勞狀態下，始終進行著大強度的非預期性運動，造成某一瞬間伸膝力矩過大。加之內收外展和內旋外旋力矩對膝關節進行擰轉、碾磨，膝關節內部接觸面摩擦，如果還伴隨著翻、收等動作，那么髕骨正常的上下移動就被動變成旋轉移動狀態，以致發生髕骨骨折。

4 結論與建議

4.1 結論

不同性別乒乓球運動員在完成不同步法動作時，膝關節負荷特征大致相似，較清晰地表現出了損傷的機制：1）膝關節受到較大地面垂直反作用力，同時存在外展角，易導致運動員前交叉韌帶損傷，女運動員前交叉韌帶損傷風險小于男運動員，跳步技術的損傷風險小于其他兩種技術；2）膝關節垂直方向受力的同時，還伴隨有一定的水平向后和向左的力，易造成運動員軟骨和半月板損傷，但水平向后和向左的力不大，表現為一種慢性病；3）過大的伸膝力矩是導致運動員髕腱末端病和髕骨軟化的主要原因，嚴重時可導致髕骨骨折。

4.2 建議

1）乒乓球運動員應加強膝關節防傷意識，切勿過度訓練，或在未痊愈的狀態下參與大強度訓練；2）乒乓球運動員應加強膝關節相關肌群的力量，提高膝關節穩定性，以減小前后、左右方向的扭轉；3）未來研究應進一步對不同年齡段、不同水平運動員進行全面的測試，以深入了解乒乓球運動員膝關節損傷機理。