網球膝關節損傷特征及生物力學建模綜述研究

周靜秋，蔣宏偉，劉 君，蘇 陽，錢競光*

近年來，針對網球相關損傷的研究較多，有研究表明，網球運動下肢損傷率高于上肢（Pluim et al.，2006）。網球運動中扭轉和急停的動作對膝關節反復施加旋轉和剪切方向的載荷（Kibler et al.，2005），使膝關節和其周圍組織內部應力增大（Colvin et al.，2016）。此外，膝關節復雜的解剖結構也增加了其受損的風險（Majewski，et al.，2006）。研究表明，每5個網球損傷中就有1例發生在膝關節處（Renstr?m，1995），且以慢性損傷居多（Pluim et al.，2016），其中80%的慢性損傷沒有明確的發病機制（Hjelm et al.，2010）。

預防運動損傷的首要目標就是了解造成損傷的因素和機制（Van Mechelen et al.，1992）。由于目前對網球相關損傷的致病機理仍沒有準確地認識，因此，還沒有發現對此完全有效的預防方法（Pluim et al.，2006）。臨床上對網球膝關節損傷采用病理形態學的方法指導治療（Perkins et al.，2006），并沒有結合損傷機理，僅依照組織形態學中的病理特征進行治療，運動員在接受治療重返賽場后的損傷狀況尚不得知。針對損傷機理的研究，有學者認為，從流行病學研究中獲取的損傷特征信息對探尋損傷機制有一定幫助（Brooks et al.，2006；Nirschl，1988）。

從力學觀點出發，人體肌骨系統的損傷是由力的作用引起。網球相關的運動損傷有其發生的力學機制（Elliott，2006），引入生物力學模型研究網球膝關節損傷有助于探尋其致病機理（Aritan，2012）。

綜上所述，流行病學研究有助于了解損傷特征，生物力學模型有助于發現損傷的力學機制，為探尋損傷的致病機理以及防治與康復提供理論依據。本綜述將從網球膝關節損傷流行病學研究、生物力學建模研究兩方面進行研究分析。

1 網球膝關節損傷流行病學研究

1.1 膝關節損傷的患病率與發病率

相關文獻報道了膝關節損傷的患病率，Pluim等（2016）對73名青少年網球運動員進行了為期32周的跟蹤研究，結果顯示，膝關節損傷的患病率為0.90/1 000 h（表1），損傷數占比16.81%。Hjelm等（2010）對55名青少年運動員進行了為期2年的跟蹤研究，結果顯示，膝關節損傷的患病率為0.15/1 000 h，損傷數占比14.00%。此外，還有研究對膝關節損傷的發病率進行了報道，Sell等（2014）統計了16年的美國網球公開賽（以下簡稱“美網”）損傷數據，結果顯示，膝關節損傷的發病率為6.55/1 000場比賽，損傷數占比13.62%。Winge等（1989）對89名運動員的損傷進行研究，發現膝關節損傷的發病率為0.2/1 000 h，損傷數占比6.52%。在上述各項研究中，由于統計對象有所差別，因此所得數據不能進行直接對比，但各項研究結果均表明膝關節處損傷率較高。

表1 膝關節損傷的發病率與患病率Table 1 Incidence Rate and Prevalence Rate of Knee Joint Injury

1.2 膝關節損傷的人口特征

1.2.1 運動等級

相關領域少有研究者將運動員的運動等級與運動損傷相互關聯，Abrams等（2012）在英文類文獻中僅發現1項研究將網球相關損傷與運動等級相關聯。該項研究表明，在業余網球運動員中運動等級與運動損傷之間不存在顯著聯系（Jayanthi，2005）。流行病學研究中對不同運動等級運動員的損傷統計結果表明，職業運動員的下肢損傷以膝關節處最為普遍（Jayanthi，2005；Mccurdie et al.，2017），青少年精英運動員的慢性損傷多發生于膝關節處（Pluim et al.，2016）。

在其他運動項目中，運動等級與運動損傷之間的關系亦不明確（Tandogan et al.，2004；Tran et al.，2016）。不同運動等級的運動員在體能和技術方面存在差異，這可能會影響膝關節損傷的發生。在體能方面，職業網球運動員長期進行綜合體能訓練，包括肌肉阻力訓練、平衡能力訓練、本體感覺訓練等（Chandler，1995；Reid et al.，2008）。這些訓練有助于提升職業運動員神經肌肉的控制能力（Aagaard et al.，2002；Holm et al.，2004；Zech et al.，2010），他們對身體的控制比青少年運動員和業余愛好者更為精確（Rampinini et al.，2009）。因而職業運動員在日常訓練中幾乎不會做出超越自己身體能力極限的動作，發生急性損傷的概率較低，而在重大賽事上為了贏得勝利才有可能會做出超越身體能力的動作。有研究顯示，在美網期間急性膝關節損傷的發生率高于慢性損傷（Sell et al.，2014）。在技術方面，職業運動員的技術動作與業余愛好者相比有較大差異（Dellal et al.，2011；Ibá?ez et al.，2009），這種差異會給人體組織帶來不同的力學效應，從而對損傷產生影響。借助生物力學設備三維紅外動作捕捉系統（Bailey et al.，2012）可以精確捕捉到技術動作的時空參數，用于分析研究不同技術動作對損傷的影響。

1.2.2 性別

有學者研究了性別因素與膝關節損傷之間的關系，如Sallis等（2001）對美國大學校隊進行了損傷調查，發現性別與膝關節損傷之間不存在顯著關聯。Hjelm等（2010）對青少年運動員進行了為期2年的跟蹤研究，得出了相同的結論。此外，McCurdie等（2017）通過統計連續10年的溫布爾頓網球公開賽（以下簡稱“溫網”）損傷數據發現，女性運動員膝關節處的損傷率最高，為12%；男性運動員損傷率最高的部位是肩關節，損傷率為14%，而膝關節的損傷率略低于肩關節，為13%。其他研究同樣發現，膝關節處的損傷在不同性別中均較為普遍（Gescheit et al.，2017；Sell et al.，2014）。上述研究雖然表明，網球膝關節損傷與性別因素不存在顯著相關性，但男性與女性在生理結構與體能方面的確存在差異，這些差異可能會給膝關節損傷帶來影響：1）體能差異。女性的基本體能素質低于男性，研究發現，沒有達到某一體能水平的運動員受傷風險會增大（Hutch-inson et al.，1995）。網球運動對運動員的爆發力、耐力要求都很高（Chandler，1995），所以女性可能比男性更容易受傷；2）解剖結構差異。與男性相比，女性生理組織較為松弛（Hutchinson et al.，1995），松弛的韌帶可能導致女性運動員髕骨半脫位和韌帶扭傷的概率增大（Powers，1979）。有研究證實，女性運動員確實比男性運動員有更多的髕股關節問題（Hutchinson et al.，1995）。此外，女性前交叉韌帶的尺寸比男性小，承受前向位移力的能力較差，增大了受損的風險（Zillmer et al.，1992）。

1.2.3 年齡

研究表明，膝關節損傷的發病率在不同年齡段中均較為普遍，Pluim等（2016）發現，11～14歲的青少年運動員膝關節損傷較多，Hjelm等（2010）對12～18歲的青少年進行了2年的跟蹤研究，得出了同樣的結論；Gescheit等（2017）、Sell等（2014）、McCurdie等（2017）分別統計了澳大利亞網球公開賽（以下簡稱“澳網”）、美網、溫網中成年運動員的損傷病例，結果均發現膝關節損傷總數最高。

網球相關的膝關節損傷在各年齡段均較為普遍的原因可能與網球運動特征有關。網球運動需要運動員根據預判，高速奔跑到網球的落點位置，急停站穩后再將球擊打給對方，從預判到揮拍結束大約持續1.5 s。這不僅讓網球運動員反復使用膝關節的屈伸功能，同時還伴有膝關節的扭轉，給起穩固膝關節作用的肌腱和韌帶等組織造成特有的傷害（Colvin et al.，2016）。有研究表明，不同方向上的奔跑均會給膝關節及其周圍組織施加1.5～2.7倍個人體重的載荷（Kibler et al.，2000）。人體功能解剖研究的相關成果（Neumann，2014；Nordin et al.，2013），使研究者能夠更加準確地認識人體肌骨系統內各種組織結構的功能，有助于他們探尋網球運動對人體組織的影響，發現損傷機制。

1.3 膝關節損傷特征

1.3.1 損傷位置

不同研究對膝關節損傷位置的報道不一。有學者發現，髕股關節疼痛綜合征（Gecha et al.，1988）、髕腱炎（Gecha et al.，1988；Sell et al.，2014）、半月板損傷（Gecha et al.，1988；Majewski et al.，2006）、滑囊炎（Gecha et al.，1988；Sell et al.，2014）較為常見，膝關節周圍韌帶扭傷也較多（Hutchinson et al.，1995）。還有學者報道，奧斯古德-舒拉氏病（即脛骨結節骨骺炎）（Kujala et al.，1985）和髂脛束摩擦綜合征（Hjelm et al.，2010）在診斷結果中出現較多，其中奧斯古德-舒拉氏病多發生在青少年中（Colvin et al.，2016）。此外，有學者從膝關節形態結構角度進行分析，認為網球運動員發生腓側副韌帶損傷的風險較高（Majewski et al.，2006）。

少有研究關注發生于膝關節處各種病癥的發生率。目前，筆者發現2篇文獻對損傷進行了詳細描述，Majewski等（2006）統計了129個病例，發現內側半月板和前交叉韌帶處發生的損傷最多，其中發生內側半月板損傷的人數超過了50%，發生前交叉韌帶損傷的人數超過了1/4；Hjelm等（2010）報道了14例膝關節損傷病癥：2例髕腱損傷、2例髂脛束摩擦綜合征、2例股四頭肌腱損傷、2例奧斯古德-舒拉氏病、1例髕股關節疼痛綜合征、2例因過度使用導致的非特異性膝關節疼痛、2例韌帶扭傷以及1例髕骨半脫位。

1.3.2 損傷形成的時間

學者對損傷形成的時間有不同的分類方法，有的將損傷分為急性（acute）損傷和過度使用（overuse）損傷（Pluim et al.，2016；Winge et al.，1989），有的將損傷的分為急性（acute）損傷、慢性（chronic）損傷、復發性（recurrent）損傷（Mccurdie et al.，2017）。在使用術語方面也不盡相同，使用“acute”“chronic”的學者較為常見，但也有學者使用“acute-onset condition”“gradual-onset condition”來進行表述（Pluim et al.，2009）。然而，在急性與慢性損傷定義方面，學者意見較為統一，認為急性損傷可以和某次具體事件相互對應，而慢性損傷不能由某種單一的、可識別的事件來負責（Pluim et al.，2009，2016；Winge et al.，1989）。

有研究表明，膝關節處以慢性損傷為主。Pluim等（2016）發現，有84.2%的青少年有慢性膝關節損傷，且膝關節是全身中最易發生慢性損傷的部位。Hjelm等（2010）也發現，慢性膝關節損傷發生比例較高，損傷率為72.0%。還有學者統計了不同年齡段的損傷病例，發現慢性膝關節損傷比例為66.7%（Winge et al.，1989）。Andelman等（2016）的綜述研究報道了膝關節處慢性損傷的發生率為30%～72%。有關造成慢性膝關節損傷多發的原因，有學者認為是網球運動中不停地奔跑反復使用膝關節屈伸機制導致髕股關節長期負載造成的（Kibler et al.，2005）。此外，在急性損傷方面，以膝關節周圍韌帶扭傷居多（Bylak et al.，1998；Colvin et al.，2016；Pluim et al.，2016），髕骨骨折和半月板撕裂的情況也有發生（Kibler et al.，2005）。

1.3.3 損傷的程度

對于損傷程度的評價，學者使用的標準有所差異。有學者使用是否退賽來衡量損傷的程度（Jayanthi et al.，2009；Sell et al.，2014），有學者使用量表進行評價（Pluim et al.，2016），還有學者將缺席時間作為評價損傷的標準，將損傷程度分為6個等級，分別為：微小損傷（0天）、輕微損傷（1～3天）、輕度損傷（4～7天）、中度損傷（8～28天）、重度損傷（28天～6個月）以及長期損傷（大于6個月）（Pluim et al.，2009）。然而很多運動員都會帶傷進行比賽與訓練，有研究表明，幾乎1/8的青少年運動員每周都會帶傷訓練（Pluim et al.，2016）。如何對沒有缺席訓練與比賽的損傷進行程度評價是需要解決的問題，此外，如何評價慢性損傷的程度也需要進一步探究。

部分流行病學研究沒有提及網球膝關節損傷的程度，Hjelm等（2010）報道，在不同性別的運動員中膝關節損傷均較為嚴重，傷期超過了28天。損傷恢復后對關節是否存在長期的影響目前仍不清楚（Kibler et al.，2005），但有研究發現，包括網球在內的負重運動使女性運動員患膝關節炎，尤其是骨質增生的風險增加了2～3倍（Spector et al.，1996）。

1.4 流行病學研究存在的問題

流行病學研究中的損傷信息有助于研究者了解損傷特征，探尋損傷的發生機制。目前網球相關損傷流行病學研究多以統計全身各部位損傷率為主（Dakic et al.，2018；Gescheit et al.，2017；Hjelm et al.，2010；Hutchinson et al.，1995；Pluim et al.，2016；Powell et al.，1988；Winge et al.，1989），單獨針對膝關節損傷特征的研究鮮見報道。因此，從現有的研究中難以全面詳細地了解膝關節損傷信息，如膝關節損傷的具體位置、損傷的膝關節位于哪一側、損傷是急性的還是慢性的等。此外，網球膝關節損傷的發病率與患病率也沒有得出一致的結果。Pluim等（2006）認為，造成這一結果是由于損傷數據來源與分類系統不同。McCurdie等（2017）認為，完善的數據收集系統有助于分析傷病機制。

網球膝關節損傷在流行病學研究方面仍不完善，還有以下工作需要完成：1）建立統一的運動等級評價標準以確定研究對象的運動水平，進而得出不同等級運動員損傷的發病率與患病率；2）建立統一的損傷收集報告系統。不同研究者使用的數據來源不同，有的是賽事的官方記錄（Hutchinson et al.，1995；Mccurdie et al.，2017；Sell et al.，2014），有的是醫院或急救中心的記錄（Gaw et al.，2014；Majewski et al.，2006；Powell et al.，1988），還有的是研究者的記錄（Hjelm et al.，2010；Pluim et al.，2016；Winge et al.，1989）。這些數據獲得的場所與記錄的目不同，會造成對損傷的不同定義與分類。建立統一的損傷記錄系統可以使不同研究中的損傷信息進行對比，并且使損傷信息全面而完整；3）統一損傷的暴露時間。統計發病率或患病率時，有的學者依據運動時間計算（ Hjelm et al.，2010；Pluim et al.，2016；Winge et al.，1989），有的學者依據出場次數計算（Hutchinson et al.，1995；Sell et al.，2014），還有的學者依據比賽盤數計算（Mccurdie et al.，2017）。統一損傷的暴露時間，可以對比不同研究中的結果。綜上所述，在網球膝關節損傷流行病學研究中，需建立統一的信息收集系統，該系統需要統一運動等級、記錄來源、暴露時間等信息。

2 網球膝關節損傷生物力學建模研究

2.1 肌肉動力學模型

體育活動會對肌肉骨骼系統施加高而重復的載荷（Dufek et al.，1991），各種研究試圖捕捉并描述這些載荷特征，但這些單獨的實驗只能提供運動過程中有限的運動學和動力學信息（Reinbolt et al.，2011）。盡管實驗技術和實驗方法不斷發展，但研究者直接測量出特定運動項目對人體各組織的載荷仍較為困難，這不利于分析運動中產生的損傷（Preatoni et al.，2015）。建立肌肉動力學模型是運動損傷生物力學研究中的熱點，可以解決大量的復雜問題，建立動力和運動之間的因果關系，洞察肌肉工作機制（Reinbolt et al.，2011）。目前肌肉動力學模型已經在運動、醫學領域中運用，常用的建模軟件有LifeMOD、OpenSIM、AnyBody等。然而，通過肌肉動力學模型研究網球膝關節損傷肌肉工作機制的研究目前鮮見報道，下文對肌肉動力學模型的應用進行綜述。

肌肉動力學模型在運動技術診斷中已廣泛應用。Qian等（2012）利用LifeMOD軟件建立了鞍馬雙腿回環動作的肌肉動力學模型，并使用質心位置、腳部位置、5塊肌肉的積分肌電值數據驗證了模型的有效性。該模型可幫助發現運動員在雙腿回環技術訓練過程中的缺點，輔助教練員進行動作技術診斷。Servet等（2010）在ADAMS及其插件lifeMOD中分別建立了賽艇和人體模型，模擬下部軀干旋轉運動對船速的影響。Langholz等（2016）分別使用OpenSIM、BoB、AnyBody 3種肌骨系統動力學軟件來模擬游泳運動技術，為促進游泳訓練提供幫助。還有學者建立并驗證了高爾夫揮桿動作的全身肌肉動力學模型（Betzler et al.，2006）。

利用肌肉動力學模型研究運動損傷。Donnelly等（2012）研究了由運動中的側步動作所產生的非接觸性前交叉韌帶損傷，該研究通過openSIM軟件計算出膝關節外翻力矩，制定出預防前交叉韌帶損傷的運動學策略：側步動作中應將整個身體重心向中間移動，并朝向期望的行進方向。有學者研究了不同座高和不同車型的自行車對騎行者姿勢的影響，通過lifeMOD軟件對不同的騎姿進行了計算機模擬。該研究結果表明，自行車鞍座過高，比目魚肌肌力會增大；鞍座過低，股二頭肌肌力會增大；而鞍座與車把間的距離對肌力的影響很少；騎行時軀干彎曲角度增大會增加腰部、肩部和肘部關節的負荷（Liu et al.，2011）。建立騎行動作的肌肉動力學模型可以了解不同騎姿的肌肉工作機制，為預防騎行損傷提供參考。還有學者研究了體操運動員因著地動作導致的下肢損傷，該研究在lifeMOD軟件中模擬了人體著地動作，分別計算出在沖擊和平衡2個階段中踝、膝、髖關節間作用力的峰值，為避免運動員在下落過程中受傷提供技術指導意見（李旭鴻 等，2013）。

在醫學領域中研究者常使用肌肉動力學模型來分析病患的步態、設計醫學輔助器具等。Kwang等（2009）認為，久坐輪椅病患的腰背問題通常與輪椅設計有關，該研究使用LifeMOD軟件建立了一個完整的脊柱多體動力學模型，用以分析脊柱與輪椅之間的力，為防止長期使用輪椅的病患發生脊柱畸形提供輪椅設計方案。Dao等（2010）通過LifeMOD軟件模擬了脊髓灰質炎留有麻痹患者的步態，將患者步態的關節角度、關節力矩、相關肌肉的肌力以及地面反作用力與正常步態的數據對比，以驗證矯形器的生物力學效用。還有學者通過模擬蹲式步態（Steele et al.，2010）、偏癱步態（束一銘 等，2017）的運動模式，用以發現病患動作的運動學特征和肌肉工作機制，為患者的康復制定治療方案。

雖然建立網球技術肌肉動力學模型的研究目前鮮見報道，但此類模型在運動與醫學領域的應用為將其引入到網球膝關節損傷的研究中奠定了理論和實踐基礎。

2.2 人體組織的有限元模型

有限元分析法（finite element analysis，FEA）發端于結構力學，1943年由Courant等（1972）首次提出，現廣泛應用于工程力學、熱學、電磁學等領域。有限元分析法的求解思路是把需要求解的區域劃分成由節點連接的子單元，由于子單元的形狀和尺寸可以自由設定，所以有限元分析法可以解決復雜幾何體的形變問題（Brauer，1993），在醫學上可以使用有限元法計算人體組織的應力與應變。1972年，Brlelmans首次將有限元分析法應用于骨科生物力學的研究（曾機燦等，2008）。

目前，有限元模型在醫學領域已被廣泛應用。Qian等（2014，2016）使用有限元法對股骨頸骨折進行了系列研究，通過軟件利用醫學二維數字斷層圖像建立了髖關節三維有限元模型，在模型中加載不同的載荷，得出了不同健身動作下股骨頸的應力分布數據，借此設計用于預防股骨頸骨折的健身動作。Pen?等（2005）使用有限元模型分析比較了健康型、半月板撕裂型、半月板切除型3種脛股關節的情況，發現切除半月板后股骨的軸向壓縮載荷使軟骨的接觸應力大約增加了2倍，此結果解釋了切除半月板的患者常出現軟骨損傷與退化的情況。針對切除半月板后脛股關節的情況，Bendjaballah等（1995）也利用有限元模型做了與Pen?等相似的實驗，發現切除半月板后關節的耦合度減小，由于骨與骨之間的總接觸面積減少，因此增加了接觸應力。Gardiner等（2003）通過有限元法計算得出了脛側副韌帶在膝關節從內翻到外翻工況下的應力與應變，結果顯示，脛側副韌帶上的應力分布隨膝關節屈曲角度的不同而變化，當外翻姿勢使脛側副韌帶完全拉伸時，其后方近關節線的區域易受到損傷。還有學者模擬了前交叉韌帶與股骨髁間切口撞擊的過程，希望能借此發現前交叉韌帶撞擊的潛在特征，闡明前交叉韌帶的損傷機制，用以研究更有效的治療方法。研究表明，當膝關節屈曲45°，旋外29.1°，外展10.0°時，前交叉韌帶會與髁間窩外側壁產生碰撞，韌帶的撞擊和非撞擊側分別受到接觸壓力和拉伸應力（Park et al.，2010）。

在運動領域中運用有限元分析法的研究尚不多見，Bratianu等（2004）研究分析了屈膝過程中膝關節表面應力的分布。使用有限元模型分析網球膝關節受損組織應力分布情況的研究鮮見報道。網球膝關節處的損傷病癥繁多，損傷的組織各不相同，建立有限元模型將有助于分析膝關節周圍組織損傷的力學機制，同時也為治療損傷帶來靶點優勢。在網球運動中，膝關節處受力復雜（Kibler et al.，2000），如何在有限元模型中加入載荷是研究的難點。耦合建立人體組織器官的有限元模型和包含肌肉系統的人體運動動力學模型，是解決此類問題的方法。這種混合模型是探索人體運動對組織器官（膝關節）影響的新途徑，也是運動生物力學研究的前沿問題。

3 小結

網球膝關節處的損傷在不同性別與不同年齡段中都較為普遍，病癥種類繁多，且以慢性損傷為主，損傷程度尚不明確。損傷的發病率與患病率沒有得出一致的結果，損傷的情報系統還需要進一步完善。有關使用動力學模型分析肌肉工作機制的研究雖然已有報道，但將此種模型應用于網球損傷的研究仍鮮有報道。有限元模型在醫學領域中已廣泛使用，但其在運動領域中的應用仍不多見。

4 展望

探尋網球膝關節損傷的發病機理對損傷的防治有重要意義。引入生物力學模型可以從膝關節損傷的力學機制入手，發現損傷產生的機制。生物力學模型的發展方向是肌肉動力學模型耦合有限元模型，將這種混合模型引入運動損傷領域可以有效找出損傷發生的位置。例如，對網球膝關節半月板損傷進行深入研究，探索耦合建立人體動力學和膝關節有限元模型的方法，通過計算機模擬和仿真，可揭示網球運動員膝關節損傷的動力學機理。