籃球運動員踝關節損傷的足底生物力學特征研究

王 超，才官印，劉安琪，李小生，王 磊

前言

籃球運動受到廣大群眾的歡迎，在國內具有較強的普及性。無論是專業的籃球運動員還是業余籃球愛好者都會出現下肢的運動損傷。在籃球運動中踝關節損傷最為常見，對運動能力的影響較大，一項研究表明因籃球受傷而缺席的總時間中，一半以上(53.7%)是由于腳踝受到損傷所致。腳踝受傷可能會導致球員出現殘疾和其他癥狀，最常見的是疼痛、不穩定感、踝關節酸軟無力。一旦發生踝關節的損傷，將導致籃球運動員在比賽中難以發揮出最佳競技狀態。人體的踝關節連接著足與小腿，是下肢重要的運動關節，在承受運動沖擊中起到了重要的作用。就籃球運動而言，不僅僅需要跑步，還需要變向、側切，急停、急起等一些高強度動作，踝關節在運動中承受著巨大的沖擊，在簡單的起跳落地過程中，足底承受著超過體重7倍的地面反作用力。在長時間的籃球運動中必然會對運動員的下肢造成損傷累計。

雖然近些年來對于籃球運動員踝關節保護的技術不斷革新，但對籃球運動員個體足底特征與踝關節穩定性的研究還處于積極探索階段。當前利用解剖學來研究足底壓力分布特點,多數研究集中于不同分區峰值變化對踝關節損傷的影響，未損傷的籃球運動員與受損的籃球運動員對比可知在第3跖骨與第2-5腳趾區域存在明顯的差異，壓力峰值越大則越容易出現損傷。但是未能考慮到單個運動員足底獨特的生物力學特征，僅僅從足底壓力區域峰值的變化無法全面的解釋已發生損傷的籃球運動員二次損傷的內在機制。因此，基于當前的研究手段來探究足底受力特征差異對于個體踝關節穩定性的影響，豐富二次踝關節損傷的內在機制研究。

由此選擇靜態、動態、平衡性測試三種測試方案，根據足底壓力特征對個別籃球運動員踝關節的損傷側與踝關節健康側進行對比分析，并對具有經常性踝關節損傷的籃球運動員足底壓力分布特點進行探究，分析出足底壓力分布對于足踝關節穩定的影響，從而為籃球運動員在運動中減少踝關節損傷提供建議。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選取西安體育學院8名男性籃球專項學生(國家二級運動員)，在一年內均出現單側踝關節損傷，在進行實驗測試時進行熱身活動，熟悉測試內容，受試前均簽署知情同意書，基本情況如表1所示。

表1 受試者基本情況(M±SD)

1.2 研究方法

1.2.1 文獻資料法

根據本文的研究目的和內容，在CNKI中國知網、中國學術期刊全文數據庫等查閱籃球運動、踝關節損傷、足底壓力、生物力學等關鍵詞的科研論文，借閱西安體育學院圖書館的科研教材，總結相關研究方法，更加深入地了解籃球運動員踝關節損傷領域的研究現狀和前沿的研究理論。

1.2.2 實驗法

1.2.2.1 實驗儀器

利用意大利“SENSOR Medica(Free Step V3 Manual)足底壓力測試儀(1200cm×500cm×10mm)”進行多次的數據采集，動態采集頻率為270Hz，姿勢平衡采集頻率為25Hz。

1.2.2.2 實驗步驟

測試前進行足底壓力測試儀的調試。受試者在室內進行測試，測試前進行動作熟悉測試并進行受試者的基本信息采集，當熟悉測試動作后進行測試，所有測試均為裸足測試。選擇靜態站立測試、步態行走測試、SWAY姿勢平衡測試。靜態測試為裸足在測試儀上靜止站立10秒，雙腳并攏站立；動態測試則是裸足在測試儀上正常步速行走，留下左右兩個足印；SWAY姿勢平衡測試則是分別進行10秒的睜眼雙腳站立、閉眼雙腳站立、睜眼左右腿單獨站立，閉眼左右腿單獨測試?？偣策M行3次測試，選取有效數據進行分析。

足部分區：Hallux：大腳趾；Metatarsal head I：第一跖骨(M1表示)；Metatarsal head II-III：第二～三跖骨(M2+M3)； Metatarsal head IV-V：第四～五跖骨(M4+M5)；Medial arch：足弓內側(AM)Lateral arch：足弓外側(AL)Medial heel: 足跟內側(HM)Lateral arch: 足跟外側(HL)如圖1所示。計算足弓指數：Foot arch index(AI)：

圖1

AI=足中部面積 *100% /(足中部+足前掌+足跟)面積，高足弓: AI ≤ 21%、正常足弓: 21%

1.2.3 數理統計法

得出的數據利用SPSS24.0統計軟件進行分析，并進行獨立樣本T檢驗，進行相關性分析。對接觸面積、負荷量、壓強、壓力中心、各區域峰值壓強、特殊區域接觸面積、步態階段速度、SWAY長度、擺動橢圓面積、橢圓傾斜角度、橢圓偏心度、DeltaX和DeltaY等數據整理分析。

2 研究結果

2.1 踝關節單側損傷的籃球運動員靜態測試特征

踝關節單側損傷的籃球運動員靜態足底壓力個體典型特征(圖2)：比較健康側與損傷側接觸面積、負荷值、區域最大壓強發現有較大差異(表2)，經過比較發現足翻角、足部軸角等特征值無較大的差異性變化。

圖2 靜態站立特征視圖

表2 靜態限測試中健康側與損傷側特征數據(M±SD)(N=8)

2.2 踝關節單側損傷的籃球運動員動態測試特征

在動態測試中發現踝關節單側損傷的籃球運動員健康側與損傷側多數特征出現較大差異，最大壓強、平均壓強、移動速度、壓力中心增量、足弓面積、足弓負荷、支撐前期速度等數據進行對比檢驗(表3)。

表3 動態測試中健康側與損傷側特征數據(M±SD)(N=8)

圖3 (a)健康側

圖3 (b)損傷側

如圖3(個體單側典型特征)所示，在動態行走過程中，健康側的壓力峰值點(紅線連接點)變化較足底中心線(白線)相接近，在移動過渡中未出現較大壓力中心偏移；損傷側可以明顯地發現壓力中心的變化明顯，且多名運動員在移動過程中出現壓力中心偏移點，并向足弓外側或內側偏移。通過移動過程中健康側和損傷側的壓力中心(COP)變化由圖4(紅線健康側，綠線損傷側)可以看出，損傷側的壓力中心變化率明顯高于健康側。

圖4 壓力中心變化對比圖

2.3 踝關節單側損傷的籃球運動員SWAY平衡性測試特征

SWAY平衡性測試的主要目的是檢測運動員下肢健康側與損傷側的穩定性差距，通過選取SWAY長度、橢圓面積、DeltaX、DeltaY、橢圓傾斜角度、橢圓偏心度幾項數據證明穩定性差異，通常這些值越小則穩定性越好，相關數據對比如(表4)，在平衡性測試中選擇單腳睜眼和閉眼測試的數據為對比數據，較好的表現健康側與損傷側穩定性的差異。

表4 SWAY平衡性測試中健康側與損傷側特征數據(M±SD)(N=8)

如圖5所示分別展示不同測試下的單足擺動面積(綠色為健康側，紅色為損傷側)，橢圓擺動面積的不同直觀展現了穩定性的差異，前后擺動距離和左右擺動距離表示踝關節穩定在前后方向和左右方向上的穩定性差異。

圖5 (a)睜眼測試

圖5 (b)閉眼測試

3 分析與討論

3.1 靜態測試特征分析

足底的受力部位主要集中在足跟，跖骨區和趾骨區。在靜止站立狀態下，可以知道主要受力在第一跖骨頭至第五跖骨頭和第一近節趾骨頭。通過對比正常人的靜態足底壓力分布區域發現健康側與正常人的足底分布區域有明顯差異，由于籃球運動的訓練特質，導致籃球運動員的足底壓力分布與正常普通人不同，籃球運動員未損傷側的足底壓力主要集中于第2跖骨與第3跖骨與腳跟處[5]。但是通過對比健康側與損傷側的靜態數據圖可以發現損傷側的壓力峰值區域向外側偏移并出現在第4跖骨或者足弓外側，且出現異常的壓力峰值區域。通過對比接觸面積和負荷發現損傷側與健康側有顯著性差異，雖然在靜態站立中會出現健康側代償的現象，但是損傷側負荷值過大的這一點無法完全改變，接觸面積的增加是為了減小負荷壓強，避免壓力過于集中損傷部位產生隱形疼痛，這與運動員損傷側足弓塌陷是否相關，還需要動態測試數據的驗證。

最大壓強數據對比發現無論是前側還是后側的最大壓強，損傷側都遠大于健康側，足底壓力峰值壓力越大則損傷的風險則越大，因此可以推斷在之后的運動中損傷側的二次損傷風險增大。另外一點則是壓力中心(COP)錯位偏向損傷側(超出合理范圍)，損傷側身體重力中心前移，靜態站立狀態下壓力中心的錯位，也可以作為預測損傷的一項指標，發現壓力中心偏移則更要注重錯位偏向側的訓練。

3.2 動態測試特征分析

通過動態測試可以直觀的發現移動過程中損傷側的接觸面積大于健康側的接觸面積，在最大壓強與平均壓強的的比較中出現與靜態數據相同的差異。壓力中心增量也有明顯的差異性變化，結合圖3、圖4和表4可以發現損傷側的壓力中心(COP)變化率明顯，足底在運動過程中出現第三力點，打破了正常壓力中心變化，壓力中心偏移至第三力點，普遍第三力點出現在外足弓處，壓力中心外移，力的傳導出現偏移，增加了運動過程中踝關節內翻損傷的風險。

動態數據顯示：一個完整步態周期內損傷側較健康側支撐前期移動速度變快，在接觸前期損傷側通過加快接觸的速度來避免損傷側可能會產生的隱形疼痛，可能是身體的保護機制，避免損傷側在運動中因為瞬間接觸而導致的二次損傷。

通過計算可知損傷側的平均足弓指數為26.83%，偏向于扁平足，說明踝關節損傷可能是由于足弓塌陷引起的下肢重力線內移和外翻導致損傷。

3.3 SWAY平衡性測試特征分析

SWAY長度表示在單腿測試時重心軌跡的位移；橢圓面積表示重心移動軌跡的包絡范圍；DeltaX表示在測試過程中內外側(左右)軌跡偏移距離；DeltaY表示在測試過程中前后側軌跡偏移距離；在其他條件相同的條件下，這些參數的數值越小則說明重心的穩定性越好，數據對比發現健康側的數值明顯小于損傷側，由此可知在損傷后損傷側的穩定性下降，踝關節的左右活動度大，可見損傷側踝關節的內外韌帶松弛，當然也可以作為運動員的下肢穩定性評估，在損傷側穩定性較差的情況下制定特殊的訓練計劃來提高運動員踝關節穩定性。

3.4 實驗不足

未合理利用視頻解析系統分析相關的運動學特征，在步態階段的分析深度較淺，實驗樣本容量較少，可能出現偶然數據，對實驗結果造成影響。

4 結論與建議

1.足底接觸面積增加，壓力幾何中心偏向損傷側，足底的承擔負荷不均，增加損傷側二次損傷的潛在風險，部分運動員存在扁平足，外足弓塌陷，在外足弓出現第三壓力集中點，打破了足部的穩定結構，足弓塌陷的運動員要更加注重損傷側的康復性訓練。

2.在正常步態下，健康側承受負荷更大，身體激發代償作用來減少損傷側在步態下承受的負荷，以緩解踝關節損傷部位在承受負荷的隱性疼痛。前腳掌區域壓力峰值偏外側，使得運動員在運動過程中，力的傳導發生偏移，增加了運動的潛在風險。

3.損傷側的平衡性較健康側的平衡性降低，穩定性下降，踝關節的擺動幅度增大；穩定的前腳掌、后足跟、高足弓的接觸方式降低了損傷的風險，可以提高下肢穩定性。

4.足底壓力測試也可作為籃球運動員的踝關節損傷風險評估，根據相關數據指標，發現運動員弱勢側，制定提高訓練計劃，達到預防損傷的效果。