肖晓飞 郝卫亚
1滨州医学院（山东烟台 264003）
2国家体育总局体育科学研究所（北京 100061）
流行病学调查显示，体操运动员高达8～14倍体重的下落冲击力导致了下肢高损伤率[1]，以膝关节为主要损伤部位，损伤率分别为20%（比赛）和8.7%（训练）。所有体操项目中自由体操的膝损伤率最高，约占21%[2]。运动员与体操器械的力学接触（contact）导致的膝损伤率分别为70.7%（比赛）和54%（训练）[2]。因此，力学机制（落地产生的较大的冲击力及施加于关节内部的大负荷）是膝损伤的主因。膝关节的运动学[3]、踝关节的运动学[4]、下肢刚度[5]、落地表面的刚度、落地高度[6]等常用于评估膝损伤的外在环境因素和内在调节因素[7]。然而，由于体操项目本身的难度及研究方法的限制，常规实验方法很难获得体操落地过程中膝的动力学特征[8-12]。
计算机仿真具有人体实验测试所不具备的优势，可在极端和异常条件下进行实验，可随意考察系统在不同条件下的可能反应，又可避免人体运动损伤[13]。使用实验测试和仿真建模方法计算落地过程中人体下肢关节作用力[6]，成为评估潜在损伤因素的恰当方法[8]。基于此，本研究选择体操运动员训练中完成的真实动作——“直体后空翻转体540°”（后直540），采用无干扰的三维运动学方法进行视频捕捉，用计算机仿真建模方法计算膝负荷，分别分析了体操落地垫力学特性（外部环境因素）和体操运动员踝屈曲角度（内部调节因素）对膝负荷的影响，旨在帮助运动员合理规避膝损伤风险，也为运动员改进技术动作提供理论指导。
1 对象与方法
1.1 研究对象
中国国家队男子体操运动员1名，年龄21岁，体重55 kg，身高171 cm，参加体操训练16年，近两年无下肢损伤史。运动员了解并接受实验相关测试，签署知情同意书，完成后直540（国际体操大赛中运动员使用的基本动作）。
1.2 研究方法
1.2.1 三维录像解析法
仪器设备：2台卡西欧高速摄像机（CASIO EXF1），快门速度为1/320，拍摄频率为300 Hz。摄像机分别安放在国家体操馆自由体操场地的两个相邻对角线延长线上，两机夹角90度，拍摄距离分别为27 m和35 m[14]。使用PEAK标定框架（28个Marker点）进行三维标定，根据运动员足与体操落地垫的接触时刻同步两台摄像机。
对运动员完成的后直540落地动作进行三维运动学采集，用Simi motion进行数字化解析，用低通滤波器（6 Hz）[15]过滤，结合自由体操项目特征所创建的14环节人体模型[11]，选择人体主要环节点（颈、肩、肘、腕、髋、膝、踝、第2跖趾关节等），获得其三维运动学数据。
1.2.2 计算机建模仿真法
根据多刚体动力学分析软件ADAMS及其插件BRG.LifeMODTM中人体形态参数测试方法，测量个性化人体形态学参数（包括头、颈，上、中、下躯干，上、下肢等各个环节的长度和围度等），应用人体惯性参数回归方程获得包括环节质量、质心、转动惯量等参数，用BRG.LifeMODTM创建14环节多刚体人体模型（头颈、上中下躯干、上臂、前臂、手、大腿、小腿、足，其中膝关节3个自由度，共38个自由度）[11]，用ADAMS创建简易自由操落地垫模型（长×宽×厚度：1200 cm×1200 cm×20 cm）。通过Visual Basci自编接口程序，用解析的三维运动学数据匹配创建的人体模型，并驱动人体模型重现实际动作。运动员足与体操落地垫的接触力、运动员的关节力、关节力矩等参数由逆向动力学方法计算获得，然后在关节力矩的驱动下完成正向动力学分析，获得优化的关节力、力矩。然后，在验证模型有效性[10，11]的基础上获得下肢关节角度（踝关节角度、膝关节角度等）、地面反作用力（ground reaction force，GRF）、关节力矩等。最后，基于标准落地动作的仿真，分别模拟刚度（K）、摩擦（f）为落地垫标准力学参数的90%、110%、120%、130%以及阻尼（C）为90%、95%、105%、110%、115%的落地以及不同踝关节角度变化的落地。
基准踝角（图1中的α角）：体操运动员足尖触垫时踝关节处于跖屈状态，定义该时刻踝角为基准踝角α（37.2°）。根据基准踝角α以及生理解剖学限定的人体踝关节屈曲角度范围，将基准踝角分别背屈（plantarflexion）3°、6°、9°定义为踝关节角度分别变化 -3°、-6°-、 9°；将基准踝角跖屈（dorsi-flexion）3°定义为踝关节角度变化3°。
图1 踝关节角度变化
1.3 指标的选择和定义
由于内部负荷很难直接通过解剖学测量，往往采用外部负荷变量代替内部骨负荷进行损伤风险评估[9]。本研究选取矢状面膝关节角度、垂直GRF、水平GRF（前后方向）、峰值负荷率、峰值负荷率衰减、膝关节水平反作用力、膝关节力矩等指标，分析后直540落地膝的生物力学特征。
矢状面膝关节角度定义：为髋关节点、膝关节外侧点、外踝中心点在矢状面的夹角。为绘图和解释，本研究的力值均取绝对值。
峰值负荷率及峰值负荷率衰减定义：为垂直GRF峰值减最小值除以作用时间[12]。同时，对GRF峰值、峰值负荷率、峰值负荷率衰减分别进行标准化（N/kg）。
2 结果
后直540落地，从足尖触垫到GRF增加至峰值，再到降低至第1次GRF最小值，共0.217 s，两脚垂直GRF和水平GRF峰值均存在差异（图2）。左脚垂直GRF峰值为48.27 N/kg，水平GRF峰值为30.5 N/kg；右脚垂直GRF峰值为43.18 N/kg，水平GRF峰值为27.93 N/kg。
图2 后直540落地地面反作用力随时间变化曲线
后直540的落地，尽管使用了双脚同时触垫的落地方式，但运动员左右膝关节角度并未呈现完全对称性，左膝比右膝使用相对较大的膝关节屈曲（图3）。膝关节角度随刚度和摩擦增加而增加，随阻尼增加而降低，且摩擦影响相对最大。触垫后膝关节屈曲角度随踝关节屈曲角度降低而增加，踝跖屈3°的最大左、右膝角比踝背屈9°分别小5.1°和4.6°。
图3 后直540落地膝关节屈曲角度随时间变化曲线
落地垫摩擦对水平方向作用力影响较大，如图4。随着落地垫摩擦系数增加，双脚水平GRF和膝关节水平反作用力均增加；当落地垫摩擦系数增加30%，左膝关节水平反作用力增加21.9%，右膝增加19.2%。
图4 落地垫摩擦对水平作用力的影响
峰值负荷率以及峰值负荷率衰减随落地垫刚度和阻尼的增加而增加，降低而降低，且不受落地垫摩擦的影响。落地垫刚度增加30%，左右下肢峰值负荷率分别增加11.9%、2.0%，峰值负荷率衰减仅增加1.8%、7.1%；落地垫阻尼增加15%，左右下肢峰值负荷率分别增加8.7%、2.3%，峰值负荷率衰减增加10.6%、14.0%。相对其它角度，踝关节背屈9°时左右下肢峰值负荷率最大，分别增加19.9%、30.3%，峰值负荷率衰减增加14.7%、75.8%。
落地垫刚度和阻尼变化对膝关节伸肌和外展力矩峰值影响不大。当落地垫摩擦系数增加30%时，左右膝关节伸肌力矩分别增加23.0%和17.1%（图5）。运动员踝跖屈3°的左右膝关节伸肌力矩峰值比踝背屈9°的力矩峰值分别增加9.8%和104.5%（图6）。
图5 落地垫摩擦对膝关节伸肌力矩-时间曲线的影响（a左膝，b右膝）
图6 踝关节角度变化对膝关节伸肌力矩-时间曲线的影响（a左膝，b右膝）
落地垫力学特性对膝关节内收-外展力矩影响如图7，当落地垫摩擦系数增加30%时，左右膝关节外展力矩分别增加23.0%、17.1%，且摩擦对左膝关节力矩峰值时间延缓比较明显。运动员踝跖屈3°的左右膝关节外展力矩峰值比踝背屈9°的力矩峰值分别增加9.7%和6.3%，且跖屈会缩短到达力矩峰值时间（图8）。
图7 落地垫摩擦对膝关节内收-外展力矩-时间曲线的影响（a左膝，b右膝）
图8 踝关节角度变化对膝关节外展力矩-时间曲线的影响（a左膝，b右膝）
3 讨论
本研究采用无干扰的三维运动学方法捕捉体操运动员训练中的经典动作，运用仿真建模方法量化评估不同体操落地垫力学特性和体操运动员踝关节屈曲角度的膝负荷。
3.1 后直540540落地下肢生物力学特征
人类下肢主要负责行走和跑步，而竞技体操的落地却伴随着高速的翻腾和转体，施加于人体的冲击力大、载荷复杂，潜在损伤风险较高[8]。落地过程中，落地垫给人体的反向冲击力可阻止身体重心快速向下移动，同时，也被下肢骨骼、关节、肌肉和韧带等吸收。与其它项目落地不同，后直540落地，运动员尽管采用了双脚同时触垫的落地方式，两侧下肢生物力学特征并未呈现对称性，左脚的垂直GRF、峰值负荷率、峰值负荷率衰减和膝关节伸肌力矩峰值均高于右脚（图5），说明左下肢是优势侧；对比右侧，左膝使用了相对较大的关节屈曲来抵抗冲击负荷（图3）。对比足球运动员的落地[16]，本研究中的水平GRF和膝关节水平反作用力相对较大（图2、4），落地垫、下肢关节肌群和软组织的共同缓冲作用，使得膝关节伸肌力矩到达峰值时间要滞后于GRF（图2、5），而作用时间短是急性损伤的关键力学因素之一，这也是本研究中综合考虑人体外力——GRF、峰值负荷率、峰值负荷率衰减和人体内力（膝力矩）的原因。然而，左、右膝关节外展力矩呈现了较大的差异（图7），这或许与后直540的空翻和转体动作有关。落地过程中，足与落地垫接触后仍然存在阻止身体沿水平面旋转的摩擦力，左下肢一方面抵抗矢状面冲击，一方面和右下肢共同维持冠状面的平衡。膝关节损伤常发生于矢状面和冠状面的急停、侧切动作[17，18]，鲜有研究关注体操落地较大的水平力和膝外展力矩。因此，结合图4和7数据推测，较大的膝关节水平力和外展力矩是体操高难度动作落地膝损伤的主要因素。
3.2 落地垫力学特性对膝负荷的影响
落地垫力学特性改变对膝关节屈曲角度影响不大。运动员使用相对较大的膝关节屈曲，会降低冲击力大小[11]，较大的膝关节活动范围可能会对预防膝骨关节炎有益处[19]。但受限于体操规则以及训练和比赛中长期形成的刚性落地姿势，为预防深蹲及跌倒，运动员实际落地时尽可能避免用较大膝关节屈曲来降低冲击负荷。落地垫的刚度、阻尼变化对GRF的影响和文献[9，10]报道相近，本研究又增加了峰值负荷率以及峰值负荷率衰减指标，因为力及其作用时间更有助于分析膝负荷及损伤机制。本研究中，落地垫刚度和阻尼增加，峰值负荷率随之增加，阻尼对其影响较大，且峰值负荷率衰减右侧高于左侧，提示两侧下肢负荷的不对称性可能会诱发肌肉力量薄弱的一侧出现损伤。尽管阻尼的增加会增加落地缓冲时冲击力的吸收，如气垫式运动鞋可降低约8.3%的落地负荷[20]，但也会让运动员产生不舒服感，因此，落地垫力学特性设计应该综合考虑弹性、刚度以及舒适感。
落地垫摩擦变化对垂直GRF、峰值负荷率等无影响。落地过程中，足与落地垫摩擦产生水平方向作用力可消除起跳过程中产生的水平方向的动量，并降低身体向相反方向的加速度，帮助运动员实现紧急制动，也可能由于迅速制动，使得运动员向相反方向跌倒。若足与落地垫摩擦系数较小，运动员则难以实现制动，甚至产生跌倒，致使动作失败；反之，摩擦系数较大，可有效缓冲落地时身体向前的趋势。此外，足与地面之间的水平接触力会通过关节间的传递，从踝关节传递到膝关节，使膝关节内部水平反作用力增加，为膝关节内部（如半月板和韧带）带来额外的作用力，让膝关节处于非正常位置，从而带来潜在损伤风险。更为重要的是，水平和垂直GRF共同施加于膝关节，让膝处于急停、侧切状态，可能会升高膝损伤风险。然而，在以往的研究中[9，10]，落地垫摩擦特性并未受到重视。此外，膝关节水平力的变化必然会导致关节力矩的变化，这与之前对踝关节的文献报道中的趋势变化一致，当落地垫摩擦系数增加30%时，踝关节伸肌力矩将增加89%[21]。本研究中，落地垫摩擦系数增加30%，左右膝关节伸肌力矩、外展力矩分别增加23.0%、17.1%。因此，落地垫的摩擦特性会影响落地效果及施加于人体的内部负荷，是膝关节损伤风险的重要因素。
上述内容提示，可通过增加体操落地垫的阻尼来增加运动员起跳高度，亦可适当降低落地垫的摩擦系数，来减缓膝关节在矢状面和冠状面的负荷。因此，一方面建议体操联合会适当修改体操评分规则，允许运动员使用较大关节屈曲来降低冲击负荷；另一方面，建议调整落地垫力学特性，适当降低落地垫刚度，增加落地垫阻尼，从而提高运动员空中表现，使得动作难度更高，同时减缓落地时产生的冲击力；并通过适当增加落地垫摩擦系数来提高静摩擦力，从而保证落地时脚容易抓垫，避免出现前后倾和左右侧滑，提高落地稳定性。因此要对落地垫材料、力学性能等进行综合考虑，同时也希望国际体操联合会在基于科学研究的基础上修改相关规则，允许对体操落地垫的材料和力学性能进行调整。
3.3 踝屈曲角度对膝负荷的影响
下肢关节的功能是联合抵抗落地产生的冲击力，单个关节的运动会影响其相邻关节的运动；关节运动学已被作为相邻关节损伤的风险因素[4]，但体操领域尚未见到类似的文献报道。基于跑、跳运动项目的研究结果表明，踝关节屈曲运动范围会影响膝关节运动学的改变，如髋、膝关节屈曲位移、膝关节角度变化[4]，也会改变膝动力学特征，如GRF峰值变化，成为膝损伤的重要风险因素[3，22]。对比膝关节，踝关节屈曲运动范围相对较小，体操运动员落地时绷脚尖动作使得踝尽可能跖屈，从而拥有最大化的踝关节背屈运动范围。本研究中，随着踝关节背屈运动范围的缩小，膝关节屈曲角度变小，膝关节作为大关节，没有使用较大的屈曲来补偿踝关节，这与其它项目中双脚从一定高度落地有较大差异。体操运动员使用刚性化落地而不是软落地，较大的膝屈曲会导致身体出现深蹲甚至跌倒而被裁判扣分。此外，体操落地垫刚度远低于跑、跳运动表面，而阻尼却远高于跑、跳运动表面，落地垫的黏弹性使运动员落地时站稳难度程度高于跑、跳的落地。体操运动员无法使用完全的膝屈曲来抵抗落地冲击力，这就需要调整髋屈曲、踝屈曲以及关节刚度进行弥补。踝屈曲活动范围同时受腓肠肌影响，因此，踝屈曲范围的改变也会带动膝关节运动学的改变，同时也会改变膝动力学特征。
落地冲击产生的负荷由下肢运动学技术决定，运动员自我选择及可调整的落地技术可影响下肢髋、膝、踝关节的运动学，对减缓落地冲击负荷起重要作用[23]，下肢关节之间的协同作用可以有效减缓落地冲击的冲量[24]。依据动量-冲量定理，增加缓冲时间可以有效降低约4 BW的冲击力[25]，较大的踝跖屈伸会延长落地冲击时间，从而减缓下肢负荷；较大的踝背屈会增加足与落地垫表面接触面积，缩短缓冲时间，从而也会增加膝外翻和膝负荷，较大的膝负荷无疑会增加ACL损伤风险[26，27]。本研究中，踝背屈9°具有最高的峰值负荷率，但踝跖屈3°时右膝伸肌力矩比背屈9°的高104.5%。因此，踝关节角度调整加剧了两侧膝负荷的不对称性，不对称的负荷施加于膝关节，让小腿胫骨向前加速，结合落地垫与足摩擦制动产生的水平力，从而生成剪切应力，让膝关节处于外翻状态[28]，非正常体位无疑会增加膝损伤风险[26，29]。有文献提示，当膝关节外翻力矩超过正常峰值20%时，ACL损伤就很容易出现[26]。
本研究采用仿真建模的方法，从落地垫力学特性（外部环境因素）和踝关节屈曲运动范围（内部调节因素）两个角度，量化并评估了体操运动员训练中经典动作落地的膝负荷，揭示了诱发膝损伤的生物力学机制，将体操落地垫力学特性和踝关节屈曲角度鉴别为膝损伤的重要生物力学因素。本研究结果支持并扩展了之前的研究，为国际体操联合会改进体操落地垫力学特性以及运动员自身通过落地技术调整来预防膝损伤提供了重要参考，但具体应用时也应考虑本研究的局限性。本研究中的运动员无膝、踝损伤史，而有损伤史的运动员对研究结果的影响还不清楚；实验室测量和训练比赛存在差异，体操动作种类繁多，无法确定具体动作种类对应的损伤类型。因此，后续研究应该进一步细化，并纳入更多的风险因素。
4 小结与建议
落地垫刚度、阻尼的变化会引发膝关节的运动学改变，摩擦增加，会同时增加膝伸肌力矩和外展力矩；踝背屈角度增加会增加膝外翻力矩。落地垫摩擦和踝背屈角度被认为是膝损伤的关键因素。建议国际体操联合会修改体操规则，允许运动员使用较大膝关节屈曲甚至深蹲来抵抗落地冲击负荷；体操器械制造商调整落地垫力学特性，增加运动表现，降低潜在损伤风险；运动员加强踝跖屈和背屈肌群训练，熟练控制踝屈曲运动范围，平衡两侧下肢肌肉力量训练，克服落地时不对称的负荷诱发的潜在损伤风险。
