不同牵引力人造草坪对男子足球运动员急停起跳膝关节前交叉韧带损伤的影响

杨 辰，曲 峰，万祥林，杨子涵，王立端

膝关节前交叉韧带（ACL）损伤是最常见的运动损伤之一。足球运动是ACL损伤的高风险项目，每1 000次比赛中就有0.07～1.08例损伤发生[1]。同时，59%～70%的ACL损伤患者在日后会表现出膝关节炎的影像诊断特征，16%～19%的患者可能出现膝关节炎症状，13%～15%的患者则需要进行全膝关节置换[2]。美国每年仅ACL重建手术的费用就高达40亿美元[3]。但术后大部分患者也难以恢复到损伤前的活动水平，同时还普遍存在肌肉力量、本体感觉、平衡能力和神经肌肉控制模式上的异常，并且会增加ACL再次损伤的风险[4-5]。研究[6]将ACL损伤的危险因素归纳为外在因素（运动类型、鞋与场地交互作用、天气状况等）和内在因素（解剖结构、年龄和性别、激素水平、与生物力学相关的神经肌肉控制等），过去20年针对ACL损伤的预防和治疗进行了大量的研究，但其损伤率仍未降低。

鞋与场地交互面的牵引力被认为是造成下肢非接触性损伤的重要因素。随着当前人造草坪的广泛使用，国内外提出多项评估标准来保证其质量和性能[7]。不同的草坪纤维和填充物特性，以及外界环境等因素都可能影响牵引力作用[8]。而70%的ACL损伤为非接触性损伤[9]，鞋和场地交互面的牵引力被认为是造成这种损伤的重要外部因素[7，10]。研究[11]发现干燥或温暖天气状况下鞋与场地会产生更高的牵引力，可能是此环境条件下ACL损伤率升高的原因。另一项针对澳大利亚橄榄球联赛的研究也发现降低人造草坪的牵引力可以降低ACL损伤风险[12]。J.W.WANNAP等人[13]则发现鞋底结构改变引起的交互面牵引力增大也会导致高中橄榄球运动员下肢非接触性损伤数量的显著增加。因此，鞋与场地交互面的牵引力过高会增加ACL损伤率。

鞋与场地交互面的牵引力影响ACL损伤的机制仍不清楚。普遍认为人体会通过调整动作模式来适应牵引力不同的交互面，高牵引力交互面会导致人体在完成动作时ACL损伤风险增大[14]。有研究[15-16]发现不同交互面牵引力会影响膝关节屈角，还有研究[17-18]发现牵引力提高会引起变向动作中下肢关节力矩的增大，但也有研究[19]并未发现牵引力会影响下肢的运动模式和关节负荷。因此，当前研究结果尚不统一。同时，现阶段关于交互面牵引力的研究多局限于机械测试[10，20]，或集中在与损伤率有关的流行病学调查[11-13]，少有研究定量运动过程中交互面的牵引力，进而针对性探讨其对损伤生物力学危险因素的影响。虽然机械测试操作性和重复性强，但无法模拟人、鞋、场地三者相互作用的真实情况。因此只有将机械测试和实际运动的生物力学测试相结合，才可以更好地分析导致损伤发生的根源。

本研究通过对比在不同牵引力作用下男子足球运动员完成急停起跳动作时下肢的运动学和动力学特征，确定不同牵引力人造草坪对非接触性ACL损伤风险的影响。本研究的研究假设为足球鞋与人造草坪交互面牵引力的增大会导致ACL损伤风险增加，具体表现为急停起跳缓冲阶段地面反作用力水平和垂直分量的峰值力和加载率增加，首次向后地面反作用力峰值时刻的垂直和向后地面反作用力增加、膝关节屈角减小、膝关节三维力矩增加。

1 研究对象与方法

1.1 受试者

受试者为15名北京体育大学男性足球专项学生，年龄（24.3±1.5）岁，身高（175.4±3.7）cm，体重（70.3±6.8）kg，鞋码为欧码42号，运动水平为二级及以上，试验要求受试者半年内无下肢损伤。

1.2 试验用人造草坪

试验用人造草坪长0.6 m、宽0.4 m，面积与测力台大小相等。填充0、0.5及1.5 kg的橡胶颗粒以制造3种不同牵引力的人造草坪，将颗粒均匀铺撒到人造草坪内并压实，分别命名为草坪a、草坪b和草坪c（见图1）。

图1 不同颗粒密度人造草坪Figure1 The Artificial Turfs with Different Particle Densities

草坪a、b、c的牵引力数据应用S2T2鞋-表面牵引力测试仪（Exeter Research Inc.，Brentwood，NH，USA）测量，数据采集频率为1 000 Hz。测试前将人造草坪固定于地面，保证二者不会产生滑动。将球鞋固定在测试仪的鞋楦上，鞋与鞋楦总重4.75 kg。牵引力测试分为纵向和横向2个测试，即沿鞋长轴方向牵引和垂直鞋长轴方向牵引（见图2）。测试过程中垂直方向加载30 kg重量，拖拽速度为0.3 m/s，记录此过程中相对稳定的牵引力数据，2个方向分别重复测试5次。最终计算得到草坪a、b、c横向与纵向共10次测试中牵引力的平均值和标准差为（233.7±16.7）、（347.8±5.4）和（414.0±33.9）N，并分别定性为低牵引力、中牵引力和高牵引力人造草坪。

图2 机械测试Figure2 Mechanical Test

1.3 数据采集

测试前将人造草坪分别固定在2块测力台上，形成0.8 m×0.6 m的测试区域，同时保证测试过程中草坪与测力台之间不会出现相对滑动。受试者穿着泳裤和统一的足球鞋（球鞋与牵引力测试中所用鞋相同）。充分热身和熟悉动作后，在受试者两侧髂前上棘、股骨外侧髁和内侧髁、胫骨粗隆、腓骨外踝、胫骨内踝，以及第四、五腰椎棘突中点共粘贴13个反光标志点。

正式测试要求受试者分别在低、中、高牵引力人造草坪上进行急停起跳动作。动作要求受试者距测力台10 m左右开始助跑，助跑速度为（4±0.3）m/s，在距测力台1 m左右的位置单脚起跳，着地时双脚分别落在2块测力台上，缓冲完成后尽全力垂直向上起跳（见图3）。助跑速度通过Newtest Powertimer便携式激光测速仪（Ele-Products Oy，Tyrnävä，Finland）监控。每名受试者分别在3种牵引力草坪上完成3次有效测试，有效测试定义为受试者按要求完成动作，且信号采集完整。

图3 急停起跳动作Figure3 Stop-jump Task

受试者体表标志点三维坐标通过8镜头Motion Analysis Raptor-4运动捕捉系统（Motion Analysis Corporation，Santa Rosa，CA，USA）采集，采样频率为200 Hz。地面反作用力通过2块Kistler 9281CA测力台（Kistler Instrumente AG，Winterthur，Switzerland）采集，采样频率为1 000 Hz。同步采集急停起跳过程中的三维坐标和地面反作用力信号。

1.4 数据处理

采用截断频率为13.3 Hz的Butterworth低通滤波对13个反光点的原始坐标数据进行平滑处理[21]，地面反作用力数据不进行平滑处理。使用两侧髂前上棘和第四、五腰椎棘突中点的坐标计算髋关节中心[22]，分别使用股骨外侧髁和内侧髁坐标的中点，以及腓骨外踝和胫骨内踝坐标的中点计算膝关节和踝关节中心。通过髋关节中心、膝关节中心和股骨外侧髁的坐标建立大腿坐标系，通过膝关节中心、踝关节中心和腓骨外踝的坐标建立小腿坐标系。

地面反作用力水平分量为地面反作用力在前后和左右方向上的合力，加载率为峰值力除以着地时刻至峰值力时刻的时长，分别对二者进行体重标准化后单位记为BW和BW/s。膝关节三维角度定义为小腿坐标系相对于大腿坐标系转动的卡尔丹角，三维力矩通过逆动力学的方法获得[23]，对力矩进行体重和身高标准化后单位记为BW·BH。急停起跳支撑期定义为为足首次接触测力台到足首次离开测力台，其中足着地时刻到膝关节屈曲最大时刻为缓冲阶段。确定每名受试者在每次测试缓冲阶段优势侧的地面反作用力水平和垂直分量的峰值力和加载率，以及首次向后地面反作用力峰值，及该峰值时刻下的垂直地面反作用力、膝关节三维角度和力矩。优势侧为受试者习惯用于踢球的一侧。所有数据通过Cortex 2.6.2.1169（Motion Analysis Corporation，Santa Rosa，CA，USA）、Excel 2013（Microsoft，Redmond，WA，USA）和MATLAB R2009a（The MathWorks Inc.，Natick，MA，USA）进行处理。

1.5 数据分析

运动员在急停起跳缓冲阶段的地面反作用力峰值和加载率、膝关节三维角度和力矩作为因变量，通过单因素重复测量方差分析（one-way ANOVA with repeated measures）确定牵引力对各因变量的影响，后继两两比较采用LSD法。一类误差概率≤0.05被认为具有统计学意义，使用SPSS 17.0（IBM，Armonk，NY，USA）完成本研究所有统计分析。

2 结 果

在急停起跳缓冲阶段，单因素重复测量方差分析表明牵引力只对地面反作用力在水平方向上的峰值力（P=0.015）和加载率（P=0.019）有显著影响，而对垂直方向无显著影响（P≥0.851）（见图4，图5）。对于地面反作用力水平分量的后继检验显示，低牵引力草坪在峰值力（P=0.010，P=0.003）和加载率（P=0.005，P=0.022）上均小于中牵引力和高牵引力草坪。

在首次向后地面反作用力峰值时刻，单因素重复测量方差分析表明牵引力对向后地面反作用力（P=0.002）、膝伸力矩（P=0.002）和膝内旋力矩（P=0.019）有显著影响，而对垂直地面反作用力（P=0.296）、膝内收力矩（P=0.646）、膝屈角（P=0.528）、膝外展角（P=0.244）和膝外旋角（P=0.074）均无显著影响（见表1）。后继检验显示低牵引力草坪上的向后地面反作用力小于中牵引力（P=0.014）和高牵引力草坪（P=0.013），低牵引力草坪上的膝伸力矩小于中牵引力（P=0.023）和高牵引力草坪（P=0.001），低牵引力草坪上的膝内旋力矩小于中牵引力草坪（P=0.007）。

图4 牵引力对缓冲阶段地面反作用力峰值的影响Figure4 The Effects of Traction on Peak Ground Reaction Force During Landing Phase

图5 牵引力对缓冲阶段地面反作用力加载率Figure5 The Effects of Traction on Loading Rate of Ground Reaction Force During Landing Phase

表1 牵引力对首次向后地面反作用力峰值时刻生物力学参数的影响Table1 The Effects of Traction on Biomechanical Characteristics at Peak Impact Posterior Ground Reaction Force

3 讨论与分析

本研究希望通过对比男子足球运动员在不同牵引力人造草坪上进行急停起跳时下肢的生物力学特征，探讨交互面牵引力导致ACL损伤的可能原因。虽然先前也有研究探讨了鞋与场地交互面牵引力的改变对运动员生物力学特征的影响，但大部分研究集中在鞋底结构的改变[17，19]，忽视了场地因素的重要性，而场地条件的改变对交互面牵引力的影响可能起到更大作用。同时，前人[7，15，18]研究主要针对变向动作进行分析，而急停起跳的动作形式在足球运动中也较为常见，并且是非接触性ACL损伤的高风险动作之一[24]。本研究结果表明随着足球鞋与人造草坪交互面牵引力的增大，非接触性ACL损伤的危险因素[7，25]水平增加，因此可能增加足球运动员ACL损伤的风险。具体表现为：运动员在急停起跳过程中，提高足球鞋与人造草坪交互面的牵引力增大了缓冲阶段地面反作用力在水平方向上的峰值及其加载率，并增大了首次向后地面反作用力峰值时刻的向后地面反作用力、膝伸力矩和膝内旋力矩。

本研究结果部分支持了提高交互面牵引力会增大急停起跳缓冲阶段地面反作用力峰值和加载率的研究假设。本研究发现在急停起跳缓冲阶段，牵引力的提高增大了地面反作用力在水平方向上的峰值。C.MÜLLER等人[26]通过改变鞋钉类型降低了交互面牵引力，并发现牵引力降低会减小转向动作中地面反作用力水平分量的峰值，这也支持了本研究的结果。本研究采取向人造草坪填充橡胶颗粒的方式来改变其牵引力作用，当填充密度较大时，颗粒间的相互作用更稳定，且鞋钉可以更多的插入到颗粒填充层，此时足部更易被“固定”在草坪上，从而使地面反作用力在水平面上的分量增加。研究[27]表明非接触性ACL损伤更易发生在急停起跳动作的着地缓冲阶段，该阶段胫骨可能承受更大的水平剪切力。因此，在缓冲阶段相对较大的地面反作用力水平分量可能增加非接触性ACL损伤的风险。本研究未发现不同牵引力草坪对急停起跳缓冲阶段地面反作用力在垂直方向上的影响，可能因为随着颗粒密度的增加，填充层加厚，这也提高了草坪在垂直方向上的缓冲性能。本研究并未定量和分析不同颗粒密度人造草坪的缓冲性能，而其改变是否会对试验结果造成影响也尚不确定，需在今后的研究中进一步调查。

加载率反映了力和时间的相对关系，也被认为是造成下肢损伤的关键因素[28]。在着地缓冲阶段，下肢所承受的地面反作用力为被动力，而人体的神经肌肉控制系统需要一定反馈时间以对抗此冲击力。较高的加载率可能意味着在相对较短的时间内，人体尚未通过神经控制来改变其动作策略以适应不同的交互面牵引力，此时伴随着较大的地面反作用力，则可能导致下肢关节负荷的异常，从而造成非接触性损伤。本研究发现在急停起跳缓冲阶段，牵引力的提高增大了地面反作用力在水平方向上的加载率，这表明随着交互面牵引力的增加会导致较短时间内产生更大的地面反作用力水平分量，从而潜在增加了ACL损伤的风险。

本研究结果部分支持了交互面牵引力的改变会影响首次向后地面反作用力峰值时刻的地面反作用力分量、膝关节角度和力矩的研究假设。研究发现当运动员处于首次向后地面反作用力峰值时刻，其ACL所承受的负荷最大，而此时下肢生物力学特征也被认为是非接触性ACL损伤的危险因素[29]。本研究发现，牵引力的提高增大了首次向后地面反作用力峰值，并相应增大了该峰值时刻下的膝伸力矩和膝内旋力矩。先前研究[13，18，28]也表明交互面牵引力提高会引起地面反作用力和下肢关节力矩的增大，这与本研究结果基本一致。研究[24]认为在急停起跳动作中，较大的水平向后地面反作用力作用于人体足部会产生较大的外部膝屈力矩使膝关节屈曲，此时人体需要通过神经肌肉控制来增大内部的膝伸力矩来对抗外部力矩，较大的内部膝伸力矩主要由股四头肌产生，从而增大了胫骨近端向前剪切力，造成ACL负荷增加，带来损伤风险。同时，标本研究[30]发现虽然胫骨近端的向前剪切力和膝关节非矢状面力矩均为ACL负荷的影响因素，但单独的膝关节非矢状面力矩并不会造成非接触性ACL损伤，而只有结合较大的胫骨近端向前剪切力时，膝关节非矢状面力矩才能显著增大ACL的负荷。依据本研究的结果，结合先前研究推断向后地面反作用力峰值时刻膝关节力矩的增大可能会增大ACL的负荷，因此认为提高交互面牵引力会增大非接触式ACL损伤的风险。

本研究结果未支持提高交互面牵引力会减小首次向后地面反作用力峰值时刻膝关节屈角的研究假设。有研究[15-16]发现交互面牵引力会影响侧切运动中膝关节屈角，这与本研究结果不一致。ACL主要功能是限制胫骨相对于股骨前移，因此施加于胫骨近端的向前剪切力是影响ACL负荷的主要机制，而膝关节屈角是影响胫骨近端向前剪切力的重要因素[31]。标本研究[30]表明相同的向前剪切力加载到膝关节时，膝屈角度越小，则ACL负荷越大。计算机模拟也表明在股四头肌等长收缩时，膝屈角度减小会导致ACL负荷增大[32]。因此，着地阶段膝屈角度是影响ACL损伤的重要因素。本研究虽未发现膝屈角度减小，但伴随着地面反作用力和膝伸力矩的增大，受试者也没有通过更大的屈膝来减缓关节负荷的增加，这也可能潜在导致了ACL损伤风险的增高。同时，膝关节角度未受牵引力的影响可能与动作控制的适应性有关。研究[33]发现想要改变橄榄球选手在人造草坪上固有的运动模式，至少需要6个课程的时长使其适应。另一方面，本研究只在测力台范围内铺设了人造草坪，因此运动员只在较短的支撑时间内才受到不同牵引力的影响，此时神经系统可能没有足够时间来向膝关节附近的肌群提供反馈，也不足以使运动员主观感觉到交互面牵引力的改变而调整其运动策略。

本研究只在控制良好的试验室环境中进行测试，不同牵引力人造草坪对实际训练和比赛中下肢生物力学参数的影响，以及对ACL损伤率的影响仍然未知，今后需要加入真实环境下交互面牵引力的研究。本研究另一个潜在限制是所招募的受试者为男性足球专项大学生，考虑到不同性别、年龄段和运动水平的人群可能存在不同的神经肌肉控制策略，因此无法确定其他群体是否也会产生相似改变，今后研究需要扩大受试群体的范围。

4 结论与建议

鞋与人造草坪交互面牵引力主要从地面反作用力和关节力矩等动力学指标上影响男子足球运动员在急停起跳过程中非接触性ACL损伤风险，随着牵引力的增大，非接触性ACL损伤风险增大。同时，随着地面反作用力的增大，男子足球运动员在急停起跳的制动过程中并未通过增大膝关节屈角来进行有效缓冲，这也可能潜在增大ACL损伤的风险。

本研究建议今后应控制人造草坪的牵引力在合理范围内。同时，不同牵引力人造草坪对膝关节负荷的影响可能主要源于地面反作用力在水平方向上的改变，因此，为了减小运动损伤的风险，本质上需要找到有效降低地面反作用力水平分量的方法。最后，在运动员训练过程中也应加强下肢神经肌肉控制的相关练习，以此改善运动员的落地技术，使其即使在高牵引力交互面上运动也可以通过增大膝屈角度的策略来降低ACL的损伤风险。

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