前交叉韌帶（ ACL） 斷裂是體育運動中最常見的、嚴重的、治療康復費高的運動損傷之一。美國每年每3 000 人中有 1 人患 ACL 損傷，每年發生 12 萬例以上[1].研究表明，一個典型的 ACL 損傷患者進行重建手術的費用平均為 38 121 美元，而康復則花費 88 538美元[2].ACL 損傷還是膝關節炎的重要誘因之一，而膝關節炎可導致患者下肢功能障礙甚至失去運動能力[3].除膝關節炎外，ACL 損傷還是很多其他慢性疾病的誘因。最近一項研究提出據保守估計美國每年治療 ACL 損傷誘發的慢性疾病的費用超過 17 億美元[4].約70%的 ACL 損傷屬于非接觸性損傷[5],即損傷是在運動員之間沒有身體接觸的情況下發生的[6].

目前，大量研究表明與神經肌肉控制相關的生物力學因素可能是非接觸性 ACL 損傷的主要危險因素。有研究通過改變運動技術動作或者力量和靈敏性訓練以及擾動訓練等神經肌肉控制訓練有可能降低 ACL損傷的可能性[7].最近的一項研究顯示日本高水平女籃球運動員通過損傷預防訓練，其 5 個賽季中每1 000 h運動時間的非接觸性 ACL 損傷率由 0. 046 減小到 0. 032.

了解 ACL 損傷高危群體的高危技術動作特征對確定損傷的危險因素有重要意義。有大量研究表明足球、籃球、橄欖球、排球、手球等運動員是 ACL 損傷高發人群[8 -9],女性 ACL 損傷發生率是男性的 2 ~ 10倍[10 -11].另外側切和急停起跳動作是非接觸性 ACL損傷的高發動作[12].已有大量研究解釋了側切和急停起跳動作中下肢運動的生物力學特征和性別差異[13 -14].Cowley 等[13]報告女籃球運動員垂直落地起跳時具有更大的垂直地面反作用力和較短的支撐時間，而女足球運動員則在側切動作中表現出這種運動特征。另外，與垂直落地起跳相比，所有女性運動員在完成側切動作時剛開始接觸地面時刻以及地面反作用力最大值時均具有更大的外翻角[13].但是，對同一個受試群體的產生損傷高發動作的側切與急停起跳是否存在差異以及性別是否與動作之間有一定的關系并未有相關的研究。明確 ACL 損傷高發人群不同技術動作的生物力學特點和性別差異對確定 ACL損傷的危險因素，有目的地制定有效的預防措施，和選擇有代表性的技術動作評價預防措施有重要的貢獻。

本研究的目的是比較男性和女性籃球運動員進行側切和急停起跳動作中水平向后地面反作用力峰值時刻下肢運動生物力學特征。希望通過此研究驗證下列假設： 1） 與急停起跳動作相比，籃球運動員完成側切動作時下肢具有增加 ACL 危險的生物力學特征； 2） 與女運動員相比，男性籃球運動員在進行 2 種動作中下肢表現出的生物力學使 ACL 損傷危險降低。3） 不同動作對籃球運動員下肢生物力學特征的影響因性別不同而有差異，且籃球運動員下肢生物力學特征性別之間的差異也因動作的不同而有區別。

1 研究方法

1. 1 受試者 受試者為 25 名男性和 25 名女大學生籃球運動員。所有受試者要求均無 ACL 損傷史，半年內無下肢損傷癥狀（ 表 1） ,受試者訓練年限在 5 年以上。本研究由北京體育大學科學研究倫理委員會審批。所有受試者在數據采集之前都簽署了參加研究知情表?！?】

1. 2 數據采集 測試時要求受試者在距離測力臺 5~ 10 m 處開始助跑，并全力完成側切和急停起跳動作，每個受試者每個動作均采集 3 次有效數據，動作方案與劉卉等的研究測試方法一致[15].

受試者測試時穿著自備運動鞋和統一的緊身衣，在進行足夠的準備活動之后身上粘貼反光標志點。

反光標志點粘貼的位置參考 Yu 等[16]的研究，分別粘貼在受試者左右側肩峰點、髂前上棘、股骨大轉子以及優勢側的股骨內側髁、股骨外側髁、脛骨粗隆、脛骨內踝點、脛骨外踝點和受試者的髂后上棘中點。使用6 鏡頭紅外光點運動捕捉系統 （ Qualisys MCU500,瑞典） 以200 Hz 的采集頻率對受試者動作運動學指標進行采集，采集 5 s,標定空間為測力臺上方 3. 0 m × 2. 5m × 2. 5 m 的范圍。 應用 2 臺三維測力臺 （ Kistler9281CA,瑞士） 對地面反作用力及相關指標進行采集，采集頻率為 1 000 Hz.利用 8 導表面肌電采集系統（ MegaME6000,芬蘭） 對受試者優勢側下肢半腱肌、股二頭肌、腓腸肌內側頭和腓腸肌外側頭 4 塊肌肉進行肌電信號采集，采用頻率為 2 040 Hz.在采集過程中，使用一次性膠凍狀的表面電極片至于肌腹處，同時電極片放置的方向與肌纖維方向平行[17].為消除肌肉力量差異對測試結果的影響，受試者測試之前先進行3 次最大等長收縮（ MVC） 測試，以便對肌電測試數據進行標準化處理。腘繩肌群 MVC 測試動作為： 要求受試者屈膝 90°坐在椅子上，通過腘繩肌群的收縮屈膝對抗力矩桿，盡全力屈膝，持續 5 s,共進行 3 次測試，每個測試動作之間休息10 s.腓腸肌 MVC 測試動作是要求受試者處于站立位，膝關節和髖關節均保持伸展，聽到“開始”口令后，提踵對抗附著在雙肩的負重[18].運動學、動力學和肌電學數據的采集由 Quali-sys 系統進行同步觸發。

1. 3 數據處理 下肢運動學和動力學數據處理方式參見文獻[16].根據標志點坐標建立骨盆坐標系、大腿坐標系和小腿坐標系。膝關節角度定義為大腿坐標系和小腿坐標系之間的歐拉角，第 1 次轉動圍繞 z 軸，獲得屈伸角（ 正角為屈） ,第 2 次轉動圍繞 y 軸，獲得內收外展角（ 正角為內收） ,第 3 次轉動圍繞 x 軸，獲得旋內旋外角（ 正角為旋內） .

動力學數據則是首先將測得的原始數據進行50 Hz的低通濾波，然后根據測力臺坐標系在大地坐標系中的位置關系，將所有測力臺數據轉換到大地坐標系中進行分析。從而計算地面反作用力點到踝關節中心的水平距離，正數表示地面反作用力點在踝關節中心的前面。膝關節三維力矩通過逆動力學方法計算獲得（ MS3D 7. 0 版，MotionSoft,Inc. Chapel Hill,NC,USA） .

應用帶通濾波方法對原始肌電信號進行平滑，通過頻率為 20 ~400 Hz,并采用 15 Hz 進行低通平滑計算肌電信號的線性包絡線。肌電線性包絡線數據除以該肌肉 MVC 時線性包絡線數據，使得肌電數據一般化。取一般化后的半腱肌和股二頭肌、腓腸肌外側和內側肌肉的的肌電線性包絡線數據的平均值作為股后肌群和腓腸肌的肌電線性包絡線[19].所有肌電數據的處理采用 MotionSoft MS3D 7. 0 版運動數據處理軟件（ MoitonSoft,Inc. ,Chapel Hill,NC,USA） .結合文獻[20]確定股后肌群和腓腸肌收縮力的平均值和標準差。

1. 4 數據分析 通過統計分析獲得下肢運動生物力學指標的偏度和峰度。在此基礎上，通過正態性檢驗（ Shapiro-Wilk 檢驗） 來確定各參數是否屬于正態分布。

運用 2 ×2 混合設計的雙因素方差分析（ ANOVA）對籃球運動員落地時水平向后地面反作用力峰值時刻的下肢生物力學特征進行動作和性別交互作用檢驗。性別為獨立變量，動作為重復變量。具有交互作用的變量進行分組別后續簡單效應檢驗。其中屬于正態分布的參數，運用獨立樣本 t 檢驗分析性別間差異，配對樣本 t 檢驗分析動作間的差異； 對于屬于伽馬分布的參數，則通過 Mann-Whitney 檢驗比較性別間的不同，Wilcoxon signed-rank 檢驗分析動作間的差異。

所有統計分析都應用 SPSS 18. 0（ SPSS Inc,IL,USA） 軟件完成，統計分析的顯著性標準定為一類誤差概率不大于 0. 05.

2 結 果

正態分布檢驗結果表明，所有受試者其膝關節屈角、脛骨前傾角、膝關節內外旋力矩、腘繩肌肌電、腓腸肌肌電以及女籃球運動員膝關節內外翻力矩（ P >0. 05） 屬于正態分布。而所有受試者向后地面反作用力（ P <0. 01） 和男性內外翻力矩（ P < 0. 01） 屬于伽馬分布。壓力中心（ COP） 到踝關節的距離雖然拒絕正態分布，但是由于其數值通過零，因此認為該指標仍然屬于正態分布。

與急停起跳動作相比，所有籃球運動員在完成側切動作時在地面反作用沖擊力峰值時刻支撐腿表現出更小的膝關節屈角（ P < 0. 001） 、更大的外翻角（ P< 0. 001） 和更小的脛骨前傾角（ P < 0. 001） （ 表 2） ,另外還具有更大的水平和垂直地面反作用力 （ P <0. 001） 、伸膝力矩（ P < 0. 001） （ 表 3） 和腓腸肌肌電（ P <0. 001） （ 表 4） .另外，男籃球運動員在完成側切動作 時 比 急 停 起 跳 更 傾 向 于 足 跟 著 地 （ F1,148=22. 003,P = 0. 000 ） （ 表 2 ） 、外翻力矩更大 （ F1,148=21. 38,P = 0. 000） 、外旋力矩更大（ F1,148= 21. 38,P =0. 001） （ 表 3） 以及腘繩肌肌電更大（ F1,145= 7. 563,P= 0. 007） （ 表 4） .【2】

與女籃球運動員相比，男籃球運動員在進行兩種動作中表現出更大膝關節屈角（ P <0. 001） 、較小的外翻角（ P <0. 001） 、更大的小腿前傾角（ P < 0. 001） （ 表2） 以及更小的腘繩?。?P < 0. 001） 和腓腸肌肌電（ P <0. 001） （ 表 4） .此外，男籃球運動員還在完成側切動作時比女性表現出更大的外翻力矩（ F1,148= 21. 38,P= 0. 000） 和外旋力矩（ F1,148= 21. 38,P = 0. 001） （ 表3） ; 而在完成急停起跳動作中，男籃球運動員比女性傾向于足尖著地（ F1,148= 22. 003,P = 0. 000） （ 表 2）且水平向后地面反作用力小 （ F1,148= 5. 584,P =0. 019） （ 表 3） .【3】

3 討 論

研究結果顯示所有籃球運動員完成側切動作時比急停起跳動作具有更小的膝關節屈角 （ 26° vs.32°） .大量文獻得出膝關節屈角與 ACL 損傷之間具有密切聯系，這些研究通過錄像觀察[21]或實驗測試[22 -23]均提出較小的膝關節屈角（ 0° ~ 30°） 可以使ACL 負荷增大。同時，Yu 等[16]通過計算機模擬方法進一步表明膝關節屈角越小，ACL 負荷越大。另外，還有研究顯示籃球和足球運動員在進行側切動作時比垂直起跳具有更大的膝關節外翻角[24].這些結果似乎表明膝關節損傷跟膝關節外翻角度有關。本研究發現： 籃球運動員在完成側切動作時外翻角大于急停起跳動作，而這種差異可能與動作本身特征有關，因此對于 ACL 損傷和膝關節外翻角度的關系還應謹慎看待； 在側切動作中，所有運動員著地時垂直和水平地面反作用力比急停起跳更大，且小腿前傾??； 著地時增大的地面反作用力和小腿前傾，均會使膝關節外部屈曲力矩增大，這就需要通過股四頭肌收縮產生膝關節伸展力矩來得以平衡，進而產生一個大的髕腱力，因此會增加作用在脛骨近端的向前剪切力，進而使 ACL 負荷增加[16,23]; 與急停起跳動作相比，運動員在側切動作中具有更大的腓腸肌肌電（ 1. 0 MVC vs.1. 21 MVC） .一些研究提出腓腸肌肌電的增加可以使脛骨外部屈曲力矩增加，進而使向前剪切力增大。然而，有研究通過模擬方法得出腓腸肌對 ACL 負荷影響不大[25].

綜上所述，與急停起跳動作相比，籃球運動員完成側切動作時由于其膝關節屈角更小、所受地面反作用力更大，脛骨前傾更小、腓腸肌肌電更大，因而膝關節伸膝力矩增加，這些側切和急停起跳動作間下肢生物力學參數的差異也提示我們在完成側切動作時 ACL 損傷的可能性會更大。

研究結果表明與男性相比，女籃球運動員在進行兩種動作中表現出更小膝關節屈角，這與以往文獻提出的在體育活動中女性膝關節屈角小于男性是一致的[16].另外膝關節外翻角也具有顯著的性別差異。

女籃球運動員在完成 2 種動作時比男性表現出更小的小腿前傾角，這是由于膝關節外部屈曲力矩的增加，ACL 負荷可能增大，該結果與 Shimokochi 等[26]關于小腿前傾對 ACL 的影響報道一致。另外，如前所述腓腸肌并非 ACL 負荷增大的主要影響因素。目前很多研究[16,19,22,25]通過使用計算機模型和模擬分析腘繩肌肌力對 ACL 負荷的影響。O'Connor[25]提出當膝關節角度小于 22°時腘繩肌群會使 ACL 負荷增大，當膝關節屈角大于 22°時，股四頭肌、腘繩肌群和腓腸肌的聯合收縮能夠 減小 ACL 負荷。Yu 等[16]以及 Lin等[19]研究發現男性膝關節屈角小于 15°，女性膝關節屈角小于 20°時，ACL 負荷隨腘繩肌群聯合收縮肌力的增加而增加。綜上所述，腘繩肌肌力對 ACL 負荷的影響與膝關節角度有關，當膝關節屈角很小時腘繩肌群收縮對 ACL 并不具有保護作用，這也說明腘繩肌肌力可能并非 ACL 負荷增大的主要原因，該結果在一定程度上與 Mias 等[27]進行 6 周腘繩肌肌力離心收縮得到的結果一致。本研究中女性比男性籃球運動員雖然具有更大的腘繩肌和腓腸肌肌電，但這兩個參數可能并非造成性別差異的主要因素。因此膝關節屈角和小腿前傾角的性別差異可能是籃球運動員完成兩種動作時 ACL 損傷危險性差異的主要因素。

本研究結果顯示僅男籃球運動員在完成側切動作時比急停起跳更傾向于足跟著地、外翻力矩和外旋力矩更大以及腘繩肌肌電更大。足跟著地時，膝關節中心比壓力中心位置靠前，使垂直和向后地面反作用力均能產生膝關節外部屈曲力矩。另外，足后跟著地使身體質心位于膝關節中心后面，要求有力的股四頭肌收縮以及軀干前傾同時平衡過大的外部膝關節屈曲力矩，這樣有助于產生一個較大的脛骨近端向前剪切力并可能損傷 ACL,尤其是當膝關節屈曲角度很小時。同時 Lin 等[23]采用隨機生物力學模型模擬計算ACL 損傷概率的研究表明，發生 ACL 損傷的生物力學特征之一就是壓力中心更靠近踝關節。此外，大量研究表明膝關節外翻力矩對 ACL 負荷影響不大[19,28],有學者提出當膝關節受到向前剪切力作用時，膝關節外翻才會使 ACL 負荷增大[29],還有的學者認為單獨的外翻力矩并非是 ACL 損傷的一個主要危險因素[16,23].

本研究中男籃球運動員在完成側切動作時外翻力矩大于急停起跳動作，而這種差異可能與動作本身的特征有關。對于男籃球運動員膝關節外翻力矩以及腘繩肌對不同動作間 ACL 損傷影響的關系還應謹慎看待，而且男籃球運動員僅在完成側切動作時比女性表現出更大的外翻和外旋力矩。如前所述，這兩個參數對 ACL 負荷的影響可能有限。另外，在完成急停起跳動作中，男籃球運動員比女性傾向于足尖著地且水平向后地面反作用力小。劉卉等[15]提出足尖著地可以通過增加踝關節運動幅度等途徑增加落地緩沖時間，從而減少地面反作用力，進而降低 ACL 負荷及 ACL損傷的危險。水平地面反作用力對性別的影響與以往的研究一致[10,16].

綜合以上結果可以看出： 籃球運動員在完成側切動作時比急停起跳動作 ACL 受力更大。另外女性表現出比男性更容易產生 ACL 負荷增大的動作特征。

男女分別進行不同動作時動作特征不同，如僅男籃球運動員在完成側切動作時比急停起跳更傾向于足跟著地、外翻力矩和外旋力矩更大以及腘繩肌肌電更大； 在完成急停起跳動作時，女性比男性籃球運動員傾向于足跟著地以及較大的水平向后地面反作用力。

這些研究結果也提示我們在制定預防 ACL 損傷訓練方案時，應根據不同動作和性別針對性地設計訓練方式。

4 結論與建議

4. 1 結論

1） 比急停起跳相比，所有籃球運動員完成側切時具有更小的膝關節屈角和脛骨前傾，更大的水平和垂直地面反作用力以及腓腸肌肌電，因而膝關節伸膝力矩增加，這些差異可能使側切動作更易導致ACL 負荷增大，發生 ACL 損傷的可能性更大。

2） 僅男籃球運動員在完成側切動作時比急停起跳更傾向于足跟著地、外翻力矩、外旋力矩以及腘繩肌肌電更大，其中足跟著地以及外旋力矩對增加 ACL負荷影響較大，這也表明男性可能比女性進行側切動作時產生 ACL 損傷的危險因素更突出。

3） 與男性相比，女性籃球運動員在完成兩種動作時膝關節屈角和小腿前傾角較小，可能是 ACL 損傷危險性性別差異的主要因素。同時顯著增大的腘繩肌和腓腸肌肌力也可能會增加女性 ACL 負荷。

4） 在完成側切動作時，男性籃球運動員還表現出比女性具有更大的外翻力矩和外旋力矩； 而在完成急停起跳動作中，男性籃球運動員比女性傾向于足尖著地且水平向后地面反作用力小。

4. 2 建議

1） 由于本研究僅以大學生籃球運動員作為研究對象，因此其研究結果的推廣可能不具有廣泛性，比如對不同運動水平、訓練背景以及運動項目的如高中運動員或高水平運動員不一定完全適用。因此，對非接觸性 ACL 損傷的危險因素，今后需選取更加多樣的研究對象（ 如不同年齡、項目以及訓練水平）十分必要。

2） 研究中分析了側切和急停起跳動作。盡管這兩個動作是 ACL 損傷的高發動作，但是若要了解 ACL損傷的危險因素，分析其他 ACL 損傷的高發動作其下肢運動生物力學特征也至關重要。因此進一步研究可以分析其他 ACL 損傷高發動作，如落地垂直起跳、單腳落地等動作中與 ACL 損傷有關的下肢運動生物力學特征。