半蹲式跳傘著陸髖周肌肉激活度生物力學分析

髖周損傷在我軍空降跳傘訓練中發生率為13.5%，外軍空降訓練中髖部骨折發生率為5%[1-2]。半蹲式跳傘著陸過程中髖周肌肉是軀體穩定的基礎[3]。髖部損傷不僅直接影響髖關節的功能，也可能間接影響踝膝及脊柱的功能[4]。由于肌肉受力情況無法直接測量，通常利用肌肉激活度來判斷受力情況，肌肉激活度是指某塊肌肉相對于其最大收縮程度的激活百分比[5]。通過測定上述五組肌肉在不同條件下的肌肉激活度，分析跳傘著陸過程中髖周肌肉活動變化，為研制防護裝置及制定科學組訓方案提供參考。

1 對象與方法

1.1 對象 2 2名現役空降兵，男性，平均年齡（23.50±4.22）歲，平均身高（178.27±2.45）cm，平均體質量（70.36±5.58）kg，平均傘齡（1.63±0.56）年。納入標準：男性空降兵，現役，既往無下肢重大外傷及手術史，髖膝踝關節活動范圍正常；6個月內保持進行正常傘訓。排除標準：既往有下肢外傷史或者手術史，并且仍在康復期內；6個月內體能訓練及跳傘訓練不規律，不能保證良好的訓練狀態和體能。

1.2 儀器 ①Vicon三維動作捕捉系統（200 Hz）（Oxford Metrics，英國）：主體為8個運動捕捉攝像機及輔助設備，記錄實時動態光學數據。②AMTI三維測力系統（1 600 Hz，SMA-6）（AMTI，美國）：可測定矢狀、冠狀、水平3個軸向的反作用力。③跳臺（40 cm和120 cm）及其他輔助設備。其中40 cm水平距離為0 cm（以40-0 cm表示），120 cm跳臺設置水平距離為0 cm和80 cm（分別以120-0 cm、120-80 cm表示）。水平距離既跳臺前緣與測力臺后緣之間的距離。

圖1 120-0 cm跳臺及120-80 cm著陸

1.3 方法 收集被試者一般資料，包括身高、體質量、手足厚度及雙下肢長度等并記錄。試驗前著07制式傘靴，軀體粘貼反光Mark點。分別從不同高度的跳臺上跳下，按照半蹲式著陸姿勢著地，雙足落在測力臺區域內（圖1）。每個高度跳落重復3次，間隔2 min。利用AnyBody人體建模軟件，輸入被試者身高、體質量及各體節尺寸參數，完成肢體肌骨模型數據模型的建立（圖2）。模型包括骨盆、骶骨、股骨、脛骨及足5個剛體及周圍主要肌肉，其中髖部有3個可控自由度。采用系統中的最大/最小模型[6-7]：

FiM為第i塊肌肉的肌力，Ni為肌肉強度，二者比值為肌肉活動度（AiM），C為矩陣系數，R為地面反作用力，nM為肌肉總數。選擇易于測量的髖周5組肌肉，分別為屈髖狀態下的髂腰肌、伸膝狀態下的股直肌、大腿內收狀態下的縫匠肌、伸髖狀態下的股二頭肌和髖外旋狀態下的臀大肌。將C3D文件導入肌骨模型，運行后采集最大肌肉激活度。

圖2 加載肌肉后的AnyBody半蹲式跳傘著陸肌骨模型

1.4 統計學處理 應用SPSS 19.0軟件對數據進行統計分析，計量資料以±s表示，采用t檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 40-0 cm和120-0 cm高度最大肌肉激活度比較 120-0 cm時5組肌肉激活度均顯著高于40-0 cm時，差異均具有統計學意義（P＜0.05）（表1）。40-0 cm高度時，髂腰肌、股直肌、縫匠肌、臀大肌4組肌肉存在2個波峰，分別出現在25 ms和250 ms。股二頭肌激活度在105 ms時達到峰值并逐漸減弱至基線水平（圖3A）。120-0 cm高度時，自足底接觸測力臺時各肌肉激活度迅速上升至峰值，以髂腰肌、縫匠肌、股直肌最為顯著，峰值較40-0 cm高度明顯增大且出現早（12 ms）。臀大肌的激活度始終維持在15%，其曲線較為平緩，波動幅度小（圖3B）。

表1 不同高度最大肌肉激活度比較（%）

圖3 不同高度和水平距離肌肉激活度時間變化曲線

2.2 120-0cm和120-80cm水平距離最大肌肉激活度比較 120-0 cm為垂直下落，沒有水平速度，120-80 cm水平距離的速度為6.5 m/s。120-80 cm時5組肌肉激活度明顯高于120-0 cm，差異均具有統計學意義（P＜0.05）（表2）。不同水平距離時髖周肌肉激活度曲線中5組肌肉都具有2個波峰，第一個位于觸地后不久（15 ms），第二個波峰鄰近關節角度峰值時刻（190 ms）。其中髂腰肌、縫匠肌的波峰最大。120-80 cm臀大肌幅度波動較大，在190 ms出現第2個峰值，而在120-0 cm并未出現（圖3B、C）。

表2 不同水平距離髖關節最大肌肉激活度比較（%）

3 討論

隨著跳臺高度的增加，各塊肌肉的激活度均不同程度的增加。髂腰肌在屈曲過程中激活度最大（增加24.22%），其次是縫匠肌激活度（增加17.55%）。臀大肌激活度增幅較小（7.66%），這與著陸過程中髖關節的運動情況相符合。足底接觸力臺后，髖關節以屈曲活動為主，外展、外旋幅度小，提示著陸屈髖時髂腰肌受力最大，損傷風險高。垂直高度對髖關節肌肉的激活度有著顯著的影響，隨著高度增加，髖關節肌肉激活度增加，肌肉負荷增大。有研究表明，單腿落地時，臀大肌收縮引起髖關節外旋，適當的髖部外旋可穩定著陸姿勢，并分散地面沖擊力以減小髖關節集中應力，降低髖關節脫位及膝前交叉韌帶損傷的發生率[8-9]。臀中肌收縮引起髖關節外展，良好的外展肌神經肌肉控制可避免下肢損傷[10-11]。當雙腿著陸時，臀中肌、臀大肌、股直肌、股二頭肌、股內收肌的激活度增加，而髂肌無變化[12]。本試驗測試中，髂腰肌、縫匠肌、股直肌、臀大肌激活度明顯增加，股二頭肌的激活度較低。分析原因，半蹲式跳傘著陸，雙下肢夾緊，以髂腰肌、股直肌、內收肌收縮為主，激活度增加，而外旋外展肌激活維持平衡及穩定，深蹲狀態下膝關節屈曲角度增大，股二頭肌激活度較小。普通人單腿著陸時，髖部外旋外展以維持軀干穩定，因此外旋外展肌力增加。雙腿著陸時，雙下肢分開，保持適度的髖關節外展外旋，同時上臂擺動以維持平衡，擺動的雙上肢使髖關節屈曲幅度減小，髂腰肌激活度弱，而膝關節屈曲角度小使股二頭肌保持一定的張力。對于空降平臺訓練，重復的高強度著陸沖擊力可致屈髖肌肉疲勞，而髖關節的外展外旋肌力會代償性增加，出現雙腿分離或者骨盆偏斜現象，最終軀體不穩誘發損傷，主要是髂腰肌等屈髖肌的損傷[13-14]。在加載水平速度條件下，5組肌肉的激活度均有增加，提示水平速度對髖周肌肉的受力產生影響。臀大肌出現第二次峰值說明在髖關節屈曲角度增大時（深蹲狀態），臀大肌二次收縮，使脊柱重心后移，減小身體前傾角度及速度，避免軀體失穩摔倒。

髂腰肌、股直肌是髖部受力緩沖的主要肌肉，縫匠肌、股二頭肌、臀大肌維持髖部穩定。外旋外展肌肉在維持冠狀位的髖穩定中起著重要作用[15]，日常訓練中往往忽視了這2組肌肉的訓練。吊環訓練加載了水平速度，使髖部屈曲角度增大，損傷的風險增加，臀大肌、臀中肌的穩定作用尤為突出。因此，空降兵地面訓練時應增強臀大肌、臀中肌等外旋外展肌群的訓練，降低髂腰肌等屈肌群的負荷，可以避免因過度屈曲造成的腰骶部、臀部軟組織損傷及骨折的發生。