側切動作與前交叉韌帶損傷的生物力學研究綜述

張恒瑞 陸阿明

(蘇州大學體育學院 江蘇蘇州 215021)

前交叉韌帶（ACL）損傷，是膝關節常見的損毀性創傷。國內外調查顯示，我國運動員ACL 損傷率達0.47%；美國每年需要進行ACL重建修復手術的患者高達25萬例。并且在ACL損傷后，患者會出現關節不穩情況，從而誘發膝關節其他相關的慢性疾病。

研究指出，側切動作是導致ACL損傷的主要動作，有研究運用蒙特卡羅，模擬5 種運動項目的運動員與普通大學生的側切與急停起跳動作中ACL 損傷的概率，結果表明，側切動作更容易導致ACL損傷。由于在側切過程中運動員經常需要突然減速和快速改變運動方向，使膝關節處于接近完全伸展狀態下，完成伴有脛骨相對于股骨的過度外翻以及下肢角度的變化，同時在完成爆發性的動作時，容易產生巨大的地面反作用力，使膝關節的骨骼和韌帶承擔了較大的負荷，均會增加ACL 的損傷風險［1］。因此，對側切動作的相關生物力學特征及其影響因素的分析，有助于了解損傷風險高的動作特征，更好地闡釋ACL的損傷機制，為指導訓練與競賽中預防ACL的損傷提供一定的參考。

1 側切角度對ACL損傷的影響

運動員成功完成側切動作的主要目的是更好地改變其運動的方向，從而擺脫防守，達成進攻目的。然而，側切轉向的角度不同，會改變人體在完成側切動作時的運動學特征，這些特征的改變很可能會加重膝關節的負荷，進一步提高了ACL損傷的風險系數。

Havens 等人［2］研究發現，與45°側切相比，運動員在完成90°側切時具有更大的髖關節外展和骨盆旋轉關節活動度。因為在側切的加速階段，運動員為了完成較大角度的側切，下肢關節會預先產生旋轉，從而使運動員的軀干可以轉向側切方向，其目的可能是盡可能減少膝關節在矢狀面上的負荷壓力。膝關節屈曲角度的減小，則會增加股四頭肌對ACL的拉力。與90°側切相比，45°側切具有較高的髖伸力矩，而在矢狀面上，髖伸力矩的增加是相對有利的，可降低膝關節的外翻力矩［3］。

地面反作用力也是不可忽視的潛在影響因素之一，110°側切比45°側切具有更高的地面反作用力［4］，與45°側切相比，90°側切在減速和改變方向階段，會導致更大的地面反作用力。部分實驗研究表明，大角度側切產生的更高地面反作用力，很有可能是由于側切角度增大時需要更多的力將身體加以快速轉向。

以上研究結果表明，側切角度的增大會影響側切動作的下肢生物力學特征，產生更大的膝關節外翻力矩，更大的地面反作用力。研究認為，當膝關節處于外旋、外翻狀態時，由于脛骨剪切力的存在，會驅使脛骨相對于股骨進行滑動，此時ACL處于收緊的狀態，同時地面反作用力的增大會導致脛骨前端產生剪切力，ACL 承受的剪切力的增加是ACL 損傷的機制。因此，側切角度的增大會增加ACL 損傷的風險，在側切動作教學訓練中應盡量避免過大的側切角度。

2 側切時腳的著地方式對ACL損傷的影響

側切時腳的著地方式不同也會對膝關節的負荷產生影響。根據人體腳部接觸地面的不同部位，可以將腳的著地方式分為3 種：前腳掌著地、全腳掌著地、腳后跟著地［5］。有研究指出，相比較于前腳掌著地的情況，腳后跟著地會導致落地后膝關節的屈曲活動度不足［6］，容易導致ACL 承擔過大的負荷［7］。而前腳掌著地則可以增加膝關節的屈曲角度，從而避免膝關節出現過度外翻的情況。與前腳掌落地相比，腳后跟落地的運動員具有更大的伸展力矩、外展力矩、外翻力矩和脛骨內旋力矩。動力學方面，腳后跟落地模式的地面反作用力是前腳掌落地的3.4倍。因此，當運動員采取腳后跟落地的方式時，會導致其形成較大的膝關節外翻角度來吸收垂直方向的地面反作用力［8］。

在執行側切動作任務時，需要迅速改變前進的方向，膝關節的負荷加重，而采用前足落地的模式，可以調整下肢的力線，避免下肢的負荷過大。因此，采用前足著地的模式，可以降低膝關節的外翻程度，降低膝關節承擔的負荷，降低膝關節和ACL 損傷的風險。與前足落地相比，在后足落地的情況下，地面反作用力的影響更加顯著，在最初接觸地面時，膝關節的屈曲角度也會減小，外翻角度、外翻力矩等增加，這些變化可能會導致ACL損傷的風險增加［4］。

不同的著地方式其生物力學特征各不相同，與前足落地相比，后足落地所產生的較大地面反作用力主要是由于脛骨向前的剪切力，當脛骨前端受到向前的剪切力時，ACL 受到的張力在膝關節處于外翻狀態下要比膝關節處于非外翻狀態下顯著增加。建議運動員在執行側切動作著地時盡量采取前腳掌著地的方式，以在一定程度上降低ACL損傷的風險。

3 不同性別運動員完成側切動作ACL 損傷的差異

目前大量研究證明了女性運動員的ACL存在受傷風險高的特征，研究人員調查發現，女性運動員發生ACL 損傷的頻率遠超男性運動員，其中對足球項目中以性別為變量的流行病學研究顯示，女性運動員的ACL損傷風險是男性的3倍。

研究表明，女性運動員在完成突然性的啟停、轉向等爆發性的動作時，其下肢會表現出一些容易致傷的生物力學特征，主要包括了著地時刻屈膝的角度小、膝關節外展角度大，以及髖關節旋轉角度較大［4］。在Sigward、Cesar 和Havens 的研究中，他們通過使用vicon系統分析男性與女性的側切動作的運動學數據時發現，在以45°側切時，男性運動員的膝外翻角度要低于女性，并且膝關節外翻力矩也具有顯著性差異。目前，膝關節外翻角度、膝關節外翻力矩都被認為是導致ACL損傷的風險因素。

由此可見，女性運動員在側切時，表現出較小的屈膝角度、較大的膝外翻角度與外翻力矩，股四頭肌的活動峰值要高，腘繩肌的活動比例低于男性，導致腘繩肌對大腿四頭肌肌電活動量的比率下降。這些特征都有助于脛骨前向移動，而脛骨前端受到的向前的剪切力是決定ACL 張力大小的關鍵。所以，在側切動作的教學訓練實踐中，需要關注女性運動員的后側鏈肌群的訓練，并提醒女性運動員注意膝關節的屈曲角度不要太小。

4 預期非預期側切對ACL損傷的影響

研究證明，預期與非預期的動作決策會直接影響側切動作的損傷風險。Besier研究發現，與預期任務相比，執行非預期任務時，膝關節的內外旋力矩是預期情況下的2 倍。相關運動學與動力學研究發現，非預期的側切動作膝關節伸展角度相比于預期情況大幅增大，并且非預期側切的GRF峰值更小，膝關節的力矩增加，尤其是內外翻力矩與內外旋力矩。

當膝關節的屈曲角度較大時，關節力矩的增加可能會增加ACL的損傷風險［9］。預期與非預期任務確實會導致膝關節產生不同的運動模式，并且非預期任務下執行側切動作確實會增加ACL損傷的風險［10］。在預期情況下，人體預先調整身體姿勢，從而最小化膝關節的負荷，而在非預期情況下，因為膝關節力矩增大，從而導致人體實施姿勢調整的策略時間不足，可能會導致膝關節的損傷。非預期的側切動作會產生更大的內外旋力矩、內外翻力矩，同時運動員內收肌群和伸膝肌群沒能得到預激活，膝關節得不到肌肉收縮的保護，呈現外翻和外旋的動作模式［9］。

因此，非預期任務下膝關節的運動模式和較高的地面反作用力會使ACL 產生更高的損傷風險。這提示，在側切動作的教學訓練實踐中，需要多注意培養運動員的瞬間反應能力和調整能力，加強運動員大腿前后側肌群的協調發力訓練。

5 神經肌肉控制能力對ACL損傷的影響

神經肌肉控制是通過人體的神經肌肉控制系統來激活關節周圍肌肉的動態穩定結構，從而實現對關節動態穩定的調節［11］，而神經肌肉控制的差異可以用來解釋一些運動員在完成一些動作時的差異。有研究指出，當神經肌肉控制能力低下或者力量不足時，很容易導致運動損傷的產生［12］。通過神經肌肉的控制實現的關節周圍的動態穩定性，可以在執行動態任務時，尤其是側切動作時，起到保護膝關節的作用。

運動員在側切的過程中，不同的肌肉激活程度會對下肢的生物力學特征產生不同的影響，如果有些肌肉的激活或者肌肉力量減小，則會增加下肢的損傷風險，所以，神經肌肉控制系統的穩定可以保護在執行運動任務中的膝關節。研究發現，股四頭肌與腘繩肌的共激活對減少膝關節的負荷，降低ACL 損傷的風險至關重要。較弱的腘繩肌收縮并不足以對抗劇烈收縮的股四頭肌和側切產生的地面反作用力，從而會加劇膝關節的負荷，導致ACL 損傷的風險增加。ACL 的損傷與腘繩肌力量、腘繩肌與股四頭肌力量的比值以及雙側腘繩肌的力量比值有關。有研究指出，臀大肌和股后側肌群的力量對降低ACL 損傷具有重要意義，這是由于臀部肌群可以產生膝關節內翻力矩，以抵抗膝關節的外翻和外展的負荷。

因此，對于側切動作而言，下肢肌群主動肌與拮抗肌之間的協調發力尤為重要，腘繩肌的激活以及與股四頭肌的共同協助是避免ACL損傷的重要前提。在側切動作的教學訓練實踐中，需要注意增強腘繩肌的活性以及肌肉力量，要均衡發展大腿前后側肌群的力量，同時注意強化下肢后側鏈肌群的訓練。

6 結語

側切動作造成ACL 損傷的因素是多樣的，主要包括內部和外部兩大類。外部因素主要有比賽場地、天氣類型、地面摩擦系數等，內部因素主要是動作的生物力學特征、人體肌肉的解剖與生理特性等。該文通過梳理側切動作導致ACL 損傷的內部因素相關研究發現，其研究方法，仍是通過動作捕捉手段等簡易分析在側切動作某個時間節點的生物力學特征，根據側切時膝屈曲角度、內外翻力矩、肌肉活動的變化情況，結合ACL 損傷的機制來探討側切動作對ACL 損傷的影響。這些內部因素導致ACL損傷的共同性在于都表現出了更大的地面反作用力、更大的股四頭肌拉力以及更大的內外翻力矩。但對于側切動作的加速、制動以及減速階段的生物力學機制研究尚不多見，所以對于整個側切動作過程中的動態研究是當前值得關注的方向。側切動作中ACL的損傷是一個多種原因綜合的復雜的損傷，其致傷的因素往往多是同時存在的，因此預防側切動作中ACL 的損傷，除了需要加強不同情況下的動作技術訓練外，還需關注膝關節周圍肌群的協調發力，尤其是腘繩肌的激活參與。