張美珍，劉 卉，劉萬將，郭 鑫，秦寧寧，李翰君，于 冰

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隨機(jī)生物力學(xué)模型分析籃球運動員和普通大學(xué)生ACL損傷危險因素的差異

張美珍1，劉 卉2，劉萬將1，郭 鑫1，秦寧寧1，李翰君2，于 冰3

目的：通過建立前交叉韌帶(ACL)負(fù)荷的生物力學(xué)模型分析運動水平和性別對完成側(cè)切動作時ACL損傷概率和危險因素的影響。方法：采集男女大學(xué)生籃球運動員和普通大學(xué)生完成側(cè)切動作時的運動學(xué)、動力學(xué)和肌電學(xué)數(shù)據(jù)，運用蒙特卡羅方法獲得模擬的ACL損傷試跳數(shù)據(jù)。通過t檢驗確定模擬得到的損傷和未損傷動作各指標(biāo)之間的差異，分析發(fā)生損傷的危險因素。采用雙因素方差分析確定運動水平和性別對與ACL負(fù)荷相關(guān)指標(biāo)的影響。結(jié)果：籃球運動員和普通大學(xué)生損傷概率女、男之比分別為18.36和13.04。模擬得到的損傷與非損傷試跳相比，男性籃球運動員和普通男大學(xué)生腓腸肌肌力(P=0.553，P=0.773)、女性籃球運動員膝關(guān)節(jié)旋內(nèi)力矩(P=0.981)和普通男大學(xué)生垂直地面反作用力(P=0.810)均無顯著性差異。其余籃球運動員和普通大學(xué)生的各項指標(biāo)在損傷與非損傷試跳間均具有顯著性差異(P<0.05)。另外，除壓力中心到踝關(guān)節(jié)水平距離(P=0.114)、矢狀面(P=0.061)和非矢狀面負(fù)荷(P=0.58)在性別和運動水平間無交互作用外，其余指標(biāo)均表現(xiàn)為顯著性交互作用(P<0.01)。結(jié)論：運動水平和性別都會影響ACL損傷危險因素，且性別對危險因素的影響受運動水平的影響。整體而言，女性比男性，專業(yè)籃球運動員比無訓(xùn)練經(jīng)驗的同齡大學(xué)生產(chǎn)生ACL損傷的危險性更大。

前交叉韌帶；損傷；隨機(jī)生物力學(xué)模型；籃球；運動員；普通大學(xué)生；性別

1 前言

前交叉韌帶(ACL)損傷是常見的膝關(guān)節(jié)運動損傷之一[1,17,27,30]，在籃球運動員中具有較高發(fā)生率[18]。 前交叉韌帶損傷會嚴(yán)重影響患者的運動能力，損傷后的重建手術(shù)治療并不會降低后繼發(fā)生骨關(guān)節(jié)炎等膝關(guān)節(jié)疾病的風(fēng)險，且2/3的患者在一年之內(nèi)無法恢復(fù)到損傷前的運動水平[6]。多數(shù)ACL損傷屬于非接觸性損傷[6,18,31]，女性損傷發(fā)生率普遍高于男性[5,15,16]。明確ACL損傷風(fēng)險因素的特征是制定針對性預(yù)防損傷措施的前提條件。已有大量研究證實，與神經(jīng)肌肉控制相關(guān)的生物力學(xué)因素可能是ACL損傷的主要危險因素，如落地時過小的膝關(guān)節(jié)屈角[7,9]、過大的膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩和旋內(nèi)力矩[13,22]、大的地面反作用力[11]以及較強(qiáng)的股四頭肌活動和較低的股后肌群收縮[12,21]均會造成ACL負(fù)荷增加。不同人群ACL損傷的危險因素和作用機(jī)制并不相同，如不能明確ACL損傷危險因素在不同性別、運動水平人群間的差異，就不能制定針對性的預(yù)防措施，這可能是導(dǎo)致近20年來ACL損傷率居高不下的原因[10,14]。

已有研究發(fā)現(xiàn)，運動損傷危險很可能受運動水平的影響，但結(jié)果并不一致，更缺乏針對ACL損傷的研究。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，高水平足球運動員運動損傷高于低水平運動員[26,28]；但也有學(xué)者認(rèn)為，運動水平的高低并不影響損傷的危險性[33]；Weightman等[32]則提出，高水平運動員比業(yè)余運動員損傷概率更低。

本研究的目的是通過已建立的ACL負(fù)荷生物力學(xué)模型，應(yīng)用蒙特卡羅模擬方法，在不造成受試者損傷的情況下分析籃球運動員和普通大學(xué)生在完成側(cè)切動作時可能造成的ACL損傷概率和危險因素，以了解運動水平和性別對ACL損傷的影響。ACL隨機(jī)生物力學(xué)模型建立起了下肢生物力學(xué)參數(shù)與ACL受力的力學(xué)關(guān)系，蒙特卡羅模擬結(jié)果直接建立起生物力學(xué)參數(shù)與ACL損傷概率的因果關(guān)系，是確定ACL損傷概率和危險因素的一個有效研究方法。該方法已成功地應(yīng)用于ACL損傷研究中[2,19]。本研究的研究假設(shè)是：1)不論是籃球運動員還是普通大學(xué)生，女性比男性ACL損傷率更高；2)專業(yè)籃球運動員比大學(xué)生產(chǎn)生ACL損傷的危險性更大；3)不同性別運動員和普通大學(xué)生ACL損傷風(fēng)險因素是不同的。

2 研究方法

2.1 受試者

本研究受試者為50名大學(xué)生籃球運動員和67名普通大學(xué)生(表1)。籃球運動員來自北京體育大學(xué)籃球?qū)ｍ椀膶W(xué)生，訓(xùn)練年限在5年以上，普通大學(xué)生為北京體育大學(xué)運動人體科學(xué)專業(yè)學(xué)生。所有受試者要求無ACL損傷史，半年內(nèi)無下肢損傷癥狀，本研究由北京體育大學(xué)科學(xué)研究倫理委員會審批，所有受試者在數(shù)據(jù)采集前簽署了知情書。

表1 本研究受試者基本信息

2.2 數(shù)據(jù)采集

本研究運用6鏡頭紅外光點運動捕捉系統(tǒng)(Qualisys MCU500，瑞典)以200 Hz的采集頻率獲取15個粘貼在受試者身上紅外反光標(biāo)志點的運動學(xué)數(shù)據(jù)，標(biāo)志點粘貼方案與張美珍等[4]的研究一致。應(yīng)用2臺三維測力臺(Kistler 9281CA，瑞士)以1 000 Hz的采樣頻率進(jìn)行動力學(xué)數(shù)據(jù)采集。利用表面肌電采集系統(tǒng)(Mega ME6000，芬蘭)以2 040 Hz的頻率對受試者優(yōu)勢側(cè)下肢半腱肌、股二頭肌、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭和腓腸肌外側(cè)頭4塊肌肉進(jìn)行肌電信號采集。實驗中還對每名受試者下肢腓腸肌和股后肌肌群進(jìn)行最大等長收縮(MVC)測試，以便對肌電數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，最大等長收縮測試方案與張美珍[4]等的研究一致。本研究通過紅外光點運動捕捉系統(tǒng)觸發(fā)完成3套測試系統(tǒng)同步采集。動作方案與張美珍[4]、劉卉等[3]的測試方法相同，即測試時要求受試者在離測力臺5～10 m處開始助跑，在距測力臺還有1步時，做側(cè)切準(zhǔn)備，以踢球側(cè)腿為支撐，身體急速變向沿原運動方向的左前(右腿支撐)45°方向繼續(xù)奔跑，4步后緩沖停止奔跑，每名受試者完成3次有效的變向跑動作。

2.3 數(shù)據(jù)處理

下肢運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)參照Yu等[34]研究的數(shù)據(jù)處理方法。通過體表標(biāo)志點分別建立大腿和小腿三維坐標(biāo)系。膝關(guān)節(jié)角度為大腿坐標(biāo)系和小腿坐標(biāo)系之間的歐拉角。膝關(guān)節(jié)三維力矩則通過逆動力學(xué)方法計算獲得(MS3D 7.0版，MotionSoft,Inc.Chapel Hill,NC,USA)。肌電數(shù)據(jù)處理方式與張美珍等[4]、Lin等[20]的方法一致。先將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑濾波得到各肌肉的線性包絡(luò)線，然后通過MVC進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，同時參考Pflum等[25]的研究結(jié)果確定肌肉用力情況(表2)。所有肌電數(shù)據(jù)的處理采用MotionSoft MS3D 7.0版運動數(shù)據(jù)處理軟件(MoitonSoft,Inc.,Chapel Hill,NC,USA)。

表2 本研究受試者完成側(cè)切動作時肌肉平均肌力

本研究應(yīng)用膝關(guān)節(jié)ACL負(fù)荷的隨機(jī)生物力學(xué)模型模擬ACL損傷的危險性和危險因素[2]。首先，建立ACL負(fù)荷模型，該模型將ACL負(fù)荷分解為由膝關(guān)節(jié)向前剪切力、內(nèi)收外展力矩和旋內(nèi)旋外力矩產(chǎn)生的負(fù)荷之和，且最終將ACL負(fù)荷表達(dá)為地面反作用力、膝關(guān)節(jié)屈角、足底壓力中心(COP)相對踝關(guān)節(jié)中心的水平距離、踝關(guān)節(jié)距地面高度、小腿長度、小腿傾角、股后肌群和腓腸肌收縮力以及膝關(guān)節(jié)內(nèi)收外展力矩和旋內(nèi)旋外力矩的函數(shù)。ACL負(fù)荷的隨機(jī)生物力學(xué)模型通過蒙特卡羅模擬技術(shù)以ACL負(fù)荷為因變量，根據(jù)ACL負(fù)荷模型中自變量的分布特征隨機(jī)選取數(shù)值，每組受試者以10×10萬次模擬計算ACL受力，當(dāng)受力超過臨界值(男性2 250 N，女性1 800 N)[8]則記錄為一次損傷，同時獲得損傷和未損傷動作生物力學(xué)特征以及損傷概率。

2.4 數(shù)據(jù)分析

通過統(tǒng)計分析獲得下肢運動生物力學(xué)指標(biāo)的偏度和峰度。在此基礎(chǔ)上，通過正態(tài)性檢驗(Shapiro-Wilk 檢驗)來確定各參數(shù)是否屬于正態(tài)(Normal)分布。

所有統(tǒng)計分析都應(yīng)用SPSS 21.0(SPSS Inc,IL,USA)軟件完成，通過獨立樣本t檢驗比較損傷與未損傷試跳中下肢生物力學(xué)參數(shù)的差異；運用2×2獨立設(shè)計的雙因素方差分析(Two-way ANOVA)確定運動水平(籃球運動員 vs. 普通大學(xué)生)和性別(男 vs.女)對模擬得到的損傷試跳時的各下肢生物力學(xué)特征的影響，統(tǒng)計分析的顯著性標(biāo)準(zhǔn)定為一類誤差概率不大于0.05。具有交互作用的變量進(jìn)行分組別后續(xù)簡單效應(yīng)檢驗，其中屬于正態(tài)分布的參數(shù)，運用獨立樣本t檢驗分析性別或運動水平間的差異；對于屬于伽馬分布的參數(shù)，則通過Mann-Whitney進(jìn)行檢驗，考慮到性別間和運動水平間各指標(biāo)存在相關(guān)關(guān)系，顯著性水平調(diào)整為0.025。

3 結(jié)果

3.1 自變量的概率密度檢驗

經(jīng)Shapiro-Wilk正態(tài)分布檢驗，本研究男性籃球運動員身高、水平向后地面反作用力和內(nèi)收外展力矩屬于伽馬分布，女性籃球運動員身高、小腿傾角和水平向后地面反作用力屬于伽馬分布(表3)。普通男大學(xué)生小腿傾角、水平向后地面反作用力和股后肌肌力為正態(tài)分布，普通女大學(xué)生身高為伽馬分布(表4)。由于COP到踝水平距離過零且Q-Q圖吻合度很好，因此，盡管檢驗得到為伽馬分布，本研究認(rèn)為該指標(biāo)屬于正態(tài)分布。

表3 籃球運動員獨立自變量分布檢驗、分布形式及統(tǒng)計量

表4 普通大學(xué)生獨立自變量分布檢驗、分布形式及統(tǒng)計量

以往研究表明，水平向后地面反作用力峰值時刻的下肢動力學(xué)指標(biāo)間存在相關(guān)關(guān)系(r=0.67，P<0.001)[34]。根據(jù)這一結(jié)果，本研究將標(biāo)準(zhǔn)化后的水平向后地面反作用力作為一級自變量，標(biāo)準(zhǔn)化后垂直地面反作用力作為二級自變量。此外，模型中還將受試者身高和體重作為運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)一般化的參數(shù)，而運動員身高和體重存在顯著相關(guān)關(guān)系(r=0.69，P<0.001)[19]，因此，本研究根據(jù)受試者測試數(shù)據(jù)建立身高和體重(表5)以及垂直地面反作用力和水平向后地面反作用力峰值的回歸方程(表6)。

表5 身高和體重的回歸方程

表6 垂直地面反作用力和水平向后地面反作用力的回歸方程

3.2 蒙特卡羅模擬ACL損傷結(jié)果

3.2.1 模擬損傷與未損傷動作的差異

通過蒙特卡羅模擬得到的籃球運動員和普通大學(xué)生均表現(xiàn)出女性損傷率顯著大于男性(P<0.001)，籃球運動員女、男ACL損傷比率高達(dá)18.36，普通大學(xué)生該比率為13.04(表7)。

表7 蒙特卡羅模擬得到的ACL損傷率以及女男損傷比

蒙特卡羅模擬結(jié)果顯示：在水平向后地面反作用力峰值時刻，普通大學(xué)生和籃球運動員不論男女均表現(xiàn)出損傷試跳比未損傷試跳具有更小的膝關(guān)節(jié)屈角，壓力中心(COP)更靠近踝關(guān)節(jié)中心(足跟著地)，小腿后傾程度小，更大的水平向后地面反作用力以及股后肌肌力小。除普通男大學(xué)生外，所有受試者損傷試跳還具有更大的地面反作用力?；@球運動員和普通男大學(xué)生損傷試跳表現(xiàn)出更大的內(nèi)收力矩，普通女大學(xué)生則相反。普通大學(xué)生和籃球男運動員損傷試跳比非損傷試跳膝關(guān)節(jié)旋內(nèi)力矩具有顯著性差異，而女性籃球運動員該指標(biāo)無顯著性差異。所有男性受試者腓腸肌肌力在損傷與非損傷試跳間無差異，女性受試者有顯著性差異(表8，表9)。

表8 蒙特卡羅模擬得到籃球運動員ACL損傷與未損傷試跳的下肢生物力學(xué)特征

總之，所有受試者損傷試跳比非損傷試跳具有更大髕韌帶力、脛骨近端向前剪切力、膝伸展力矩、矢狀面和非矢狀面負(fù)荷。

3.2.2 模擬的損傷動作在性別和運動水平間的差異

雙因素方差分析結(jié)果顯示：COP到踝關(guān)節(jié)水平距離(F1，36=2.62，P=0.114)、矢狀面(F1，36=3.73，P=0.061)和非矢狀面負(fù)荷(F1，36=0.32，P=0.58)在性別和運動水平間無交互作用。其中，籃球運動員和普通大學(xué)生COP到踝關(guān)節(jié)水平距離無顯著性差異，但男、女受試者足的著地方式具有顯著性差異(P=0.008)，女性更傾向于足跟著地。另外，女性矢狀面和非矢狀面負(fù)荷均小于男性(P<0.001)，而籃球運動員矢狀面負(fù)荷大于普通大學(xué)生(P<0.001)，而非矢狀面負(fù)荷則是普通大學(xué)生顯著高于籃球運動員(P=0.028)。而膝關(guān)節(jié)屈角(F1，36=382.75，P<0.001)、小腿前傾角(F1，36=106.08，P<0.001)、水平向后地面反作用力(F1，36=9.34，P=0.004)、垂直地面反作用力(F1，36=55.70，P<0.001)、內(nèi)翻力矩(F1，36=7.71，P=0.009)、內(nèi)旋力矩(F1，36=406.36，P<0.001)、股后肌肌力(F1，36=16.89，P<0.001)、腓腸肌肌力(F1，36=21.11，P<0.001)、髕韌帶力(F1，36=10.74，P=0.002)、脛骨向前剪切力(F1，36=17.45，P<0.001)和膝關(guān)節(jié)屈伸力矩(F1，36=10.65，P=0.002)均表現(xiàn)為顯著性交互作用，對具有交互作用的變量經(jīng)后續(xù)簡單效應(yīng)檢驗，具有組間(運動水平間和性別間)顯著性差異的表述如圖1所示。

表9 蒙特卡羅模擬得到普通大學(xué)生ACL損傷與未損傷試跳的下肢生物力學(xué)特征

圖1 性別和運動水平對模擬得到的損傷試跳特征參數(shù)的影響

男性受試者中，籃球運動員膝關(guān)節(jié)屈角小于普通大學(xué)生，女性受試者則相反。此外，不論運動水平高低，女性膝關(guān)節(jié)屈角小于男性，普通大學(xué)生尤為明顯。從小腿前傾方式來看，男性籃球運動員后傾程度小于普通大學(xué)生，而女性普通大學(xué)生與籃球運動員相比表現(xiàn)為前傾程度顯著；籃球運動員男性比女性后傾角度小，而普通女大學(xué)生比男性小腿明顯前傾。

不論運動水平高低，男性水平向后地面反作用力大于女性；不論男女，籃球運動員水平向后地面反作用力大于普通大學(xué)生，但同時男性普通大學(xué)生水平向后地面反作用力卻低于女性籃球運動員。對于垂直地面反作用力來說，不論男女，籃球運動員高于普通大學(xué)生，但比較性別間差異，則顯示籃球運動員中男性高于女性，而普通大學(xué)生則相反。另外，不論運動水平高低，女性膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩比男性小，而男性和女性受試者中均得出籃球運動員膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩小于普通大學(xué)生。此外，膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋力矩在運動水平和性別間也具有顯著性交互作用，男性受試者中，籃球運動員比普通大學(xué)生內(nèi)旋力矩大，而女性則相反；對于籃球運動員而言，男性膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋力矩大于女性，而普通大學(xué)生該指標(biāo)的性別差異則相反。

男性籃球運動員股后肌肌力比男性普通大學(xué)生小，而女性受試者在運動水平間無顯著性差異；不論運動水平的高低，女性受試者股后肌肌力比男性大。此外，男、女籃球運動員腓腸肌肌力低于普通大學(xué)生，女性籃球運動員和普通大學(xué)生腓腸肌肌力分別高于男性。

分性別來看，男、女籃球運動員髕韌帶力、脛骨近端向前剪切力、膝關(guān)節(jié)伸展力矩分別大于普通大學(xué)生；從不同運動水平來分析，男性該3個指標(biāo)均高于女性。

4 討論

4.1 性別比較

本研究結(jié)果支持第一個研究假設(shè)。本研究結(jié)果中除足的著地方式外，其他指標(biāo)在性別間均具有顯著性差異。本研究結(jié)果在一定程度上支持以往研究結(jié)果[13,22]，但與Lin等人[20]得出的業(yè)余體育鍛煉者進(jìn)行急停起跳時下肢運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)無性別差異不一致。還有研究者提出，專業(yè)的現(xiàn)代舞和芭蕾舞者從30 cm高跳箱落地時，下肢運動學(xué)和動力學(xué)指標(biāo)無性別差異，舞蹈者這種性別間落地動作的一致性可能與其早期接受的特殊的著地方式以及平衡訓(xùn)練有關(guān)[23]。造成本研究結(jié)果與這兩個研究結(jié)果不一致的原因可能在于測試動作的不同。Lin等人的測試動作為急停起跳，對舞蹈演員的研究則測試的是垂直下落，而本研究測試的側(cè)切動作是ACL損傷的另一個高危動作。因此，可以認(rèn)為，不同測試動作其損傷危險因素是不同的。

本研究得出不論運動水平的高低，女性比男性膝關(guān)節(jié)屈角更小、壓力中心(COP)到踝關(guān)節(jié)水平距離短(足跟著地)和膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩小，這些均為ACL損傷的危險因素，同時女性比男性還具有使其ACL負(fù)荷減小的因素，如大的水平向后反作用力、股后肌肌力和腓腸肌肌力大。但是，小腿傾角大小、足的著地方式以及膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋力矩對性別的影響可能更大。本研究結(jié)果表明，男、女籃球運動員損傷試跳的膝關(guān)節(jié)屈角分別為19.1°和16.9°，而普通大學(xué)生中女生比男生膝關(guān)節(jié)屈角小(13.0°vs.20.4°)，這一研究結(jié)果也支持以往研究提出的非接觸性ACL損傷多發(fā)生于膝關(guān)節(jié)屈角小于30°時[8,19,20]。

以往研究提出由于ACL受力相關(guān)的解剖結(jié)構(gòu)等特征男女存在差異，使得女性ACL損傷的臨界值低于男性(1 800 N vs.2 250 N)[8]，因此，雖然男性膝關(guān)節(jié)伸展力矩、矢狀面和非矢狀面負(fù)荷顯著大于女性，但由于女性ACL損傷閾值更小，使得女性損傷危險性更突出，本研究通過模擬得到的籃球運動員和普通大學(xué)生女、男ACL損傷比率高達(dá)13倍以上。

本研究得到的女男ACL損傷比率高于以往研究提出的2～10倍[15,16]，這種差異可能是由于本研究模擬得到的是每完成10萬次動作的ACL損傷概率，這與流行病學(xué)中常用的每10萬人的ACL損傷率或每1 000 h運動暴露的損傷率不同，在未來的研究中可以進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換，嘗試找出一個轉(zhuǎn)換因子，這樣更具有比較性。

4.2 運動水平對ACL損傷危險因素的影響

本研究結(jié)果支持假設(shè)二。男、女籃球運動員ACL損傷率分別為普通大學(xué)生的10.5倍和13.5倍，運動水平越高ACL損傷危險性越高，且不同運動水平人群ACL損傷危險因素不同。有關(guān)運動水平對ACL損傷危險性的研究很少。Parkkari等[24]的研究發(fā)現(xiàn)，同年齡階段的青少年活動強(qiáng)度越大，發(fā)生交叉韌帶損傷的危險性越大，這在一定程度與本研究結(jié)果一致。

而也有研究者提出，青少年運動員比大學(xué)生或俱樂部運動員更易產(chǎn)生 ACL損傷[34]，但是并不能確定產(chǎn)生這種差異的原因是年齡、運動水平亦或二者皆有。因此，目前文獻(xiàn)報道的ACL損傷率存在差異，這可能與各研究選取的研究對象不同有關(guān)，如有專業(yè)運動員或業(yè)余體育鍛煉者，以及來自不同運動水平[22]或運動項目的人群[23,29]，這也在一定程度上說明不同運動水平可能對ACL損傷具有影響[26,28,32,33]。

本研究結(jié)果表明，專業(yè)籃球運動員比無訓(xùn)練經(jīng)驗的同齡大學(xué)生發(fā)生ACL損傷的危險性更大，且其危險因素主要體現(xiàn)在較大的水平向后和垂直地面反作用力、小的腓腸肌肌力以及大的伸膝力矩，進(jìn)而使得籃球運動員ACL矢狀面負(fù)荷顯著大于普通大學(xué)生。本研究結(jié)果在一定程度上支持劉卉等[3]的研究。專業(yè)的訓(xùn)練使籃球運動員完成側(cè)切的落地動作時具有與普通大學(xué)生不同的下肢動作特征，而且由于運動能力更強(qiáng)，落地時地面反作用力更大，伸膝力矩更大。但是，普通大學(xué)生完成側(cè)切動作時比籃球運動員具有更大的膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩，使得普通大學(xué)生ACL非矢狀面負(fù)荷顯著大于籃球運動員。

因此，本研究的結(jié)果表明，籃球運動員要加強(qiáng)腓腸肌力量及在運動過程中的激活程度，以預(yù)防變向跑時的ACL損傷，而普通大學(xué)生則要強(qiáng)調(diào)減小著地時的膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩，從而降低ACL非矢狀面負(fù)荷。

4.3 性別和運動水平對ACL損傷的交互影響

通過雙因素方差分析得出性別和運動水平對ACL損傷危險因素具有交互影響，結(jié)果支持第3個研究假設(shè)，說明運動水平對ACL損傷危險因素的影響受性別的影響，性別間的差異也因運動水平的高低而不同。

雖然女性ACL損傷率高于男性，但是男、女間的ACL損傷率大小的差異與運動水平的高低有關(guān)。對于籃球運動員來說，女性比男性著地時刻明顯趨于更垂直、膝關(guān)節(jié)屈角小的姿勢落地和落地時更大的腓腸肌肌力，而男性比女性在著地時刻小腿后傾程度小、地面反作用力大，并伴隨膝關(guān)節(jié)內(nèi)收和內(nèi)旋。未經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練的普通男、女大學(xué)生通過的ACL損傷危險因素均有差異，女大學(xué)生損傷的危險因素包括膝關(guān)節(jié)屈角小、小腿明顯前傾、垂直地面反作用力膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋力矩大和腓腸肌肌力大，而男生則是由大的水平向后地面反作用力、膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩和小的股后肌引起的。

專業(yè)的籃球運動員比無訓(xùn)練背景的普通大學(xué)生ACL損傷風(fēng)險更高，但是損傷的危險因素有所不同。本研究中，男子籃球運動員比男性普通大學(xué)生在完成側(cè)切動作時具有更小的膝關(guān)節(jié)屈角、小腿后傾程度小、水平向后和垂直地面反作用力大、股后肌力小但膝關(guān)節(jié)旋內(nèi)力矩大，這些因素均使ACL負(fù)荷增加。同時，男子籃球運動員具有更小的膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩，可以降低ACL負(fù)荷?？傮w上，男子籃球運動員ACL在矢狀面上的負(fù)荷比普通男大學(xué)生大13.5%，而非矢狀面上負(fù)荷比普通大學(xué)生小21.9%。而對于女性受試者而言，普通大學(xué)生比籃球運動員膝關(guān)節(jié)屈角小、小腿更前傾、足跟著地和較大的膝關(guān)節(jié)旋內(nèi)力矩。但同時，女子籃球運動員卻具有更大地面反作用力，使女性籃球運動員ACL損傷時矢狀面負(fù)荷顯著大于普通女大學(xué)生(2 293 N vs.1 888 N)。值得關(guān)注的是，普通女大學(xué)生ACL損傷時非矢狀面負(fù)荷顯著大于籃球運動員(151 N vs.99 N)，這可能是由于普通女大學(xué)生更大的膝關(guān)節(jié)內(nèi)旋力矩引起的。

性別和運動水平對足的著地方式無交互作用，說明不論男女，不論運動水平的高低，完成側(cè)切動作時均應(yīng)避免足跟著地的落地方式，從而降低ACL負(fù)荷。此外，其他指標(biāo)均具有交互作用，這也再次證實ACL損傷預(yù)防訓(xùn)練方案的設(shè)計應(yīng)考慮性別、運動水平高低的差異。男性籃球運動員完成側(cè)切著地時應(yīng)避免直膝落地和小腿前傾，避免膝關(guān)節(jié)內(nèi)收內(nèi)旋，此外還應(yīng)加強(qiáng)股后肌肌力；而女性籃球運動員則主要需要強(qiáng)調(diào)膝關(guān)節(jié)屈曲程度增加，減小著地力并且注意鍛煉腓腸肌肌肉力量。對于無訓(xùn)練背景的普通男大學(xué)生來說，更需要關(guān)注落地時刻，積極減小水平向后地面反作用力和膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩；而普通女大學(xué)生側(cè)切落地時刻需要避免垂直伸展的膝關(guān)節(jié)運動方式、小腿前傾、膝關(guān)節(jié)旋內(nèi)，并注意進(jìn)行腓腸肌肌力訓(xùn)練。

總之，在對不同群體ACL損傷的危險因素進(jìn)行正確評價后，針對性地設(shè)計損傷預(yù)防手段，才能真正有效降低非接觸性ACL損傷概率。

5 結(jié)論

1.基于隨機(jī)生物力學(xué)模型分析得出不論籃球運動員還是普通大學(xué)生女性ACL損傷率明顯高于男性，損傷比率為13以上。

2.通過蒙特卡羅模擬得到的籃球運動員ACL損傷率約為無訓(xùn)練背景普通大學(xué)生的12倍。

3.運動水平和性別都會影響ACL損傷危險因素，且危險因素在性別間的差異受運動水平的影響。

4.男性籃球運動員ACL損傷的危險因素主要是著地時膝關(guān)節(jié)屈角小，地面反作用力大，小腿后傾程度小，膝關(guān)節(jié)內(nèi)收和內(nèi)旋力矩大以及薄弱的股后肌肌力。

5.女性籃球運動員更垂直的著地方式，大的著地力和小的腓腸肌肌力是ACL損傷的主要因素。

6.男性普通大學(xué)生ACL損傷主要因素是較大的水平向后地面反作用力和膝關(guān)節(jié)內(nèi)收力矩。

7.女性普通大學(xué)生更為垂直伸展的膝關(guān)節(jié)屈角，小腿明顯前傾，足跟著地，垂直地面反作用力大，膝關(guān)節(jié)旋內(nèi)力矩大和腓腸肌肌力不足是造成其ACL損傷的危險因素。

[1]敖英芳,田得祥,崔國慶,等.運動員前交叉韌帶損傷的流行病學(xué)研究[J].體育科學(xué),2000,20(4):47-48，88.

[2]李翰君,劉卉,張美珍,等.確定前交叉韌帶損傷概率及危險因素的隨機(jī)生物力學(xué)模型與模擬[J].體育科學(xué),2014,34(12):37-43.

[3]劉卉,張美珍,李翰君,等.足球運動員在急停起跳和側(cè)切動作中前交叉韌帶損傷的生物力學(xué)特征研究[J].體育科學(xué),2011,31(12):38-43.

[4]張美珍,劉卉,李翰君,等.側(cè)切和急停起跳對籃球運動員前交叉韌帶運動生物力學(xué)特征的影響[J].北京體育大學(xué)學(xué)報,2015,38(4):65-70.

[5]AGEL J,ARENDT E A,BERSHADSKY B.Anterior cruciate ligament injury in national collegiate athletic association basketball and soccer:a 13-year review[J].Am J Sports Med,2005,33(4):524-530.

[6]ARDERN C L,WEBSTER K E,TAYLOR N F,etal.Return to sport following anterior cruciate ligament reconstruction surgery:a systematic review and meta-analysis of the state of play[J].Br J Sports Med,2011,45(7):596-606.

[7]ARMS S W,POPE M H,JOHNSON R J,etal.The biomechanics of anterior cruciate ligament rehabilitation and reconstruction[J].Am J Sports Med,1984,12(1):8-18.

[8]BODEN B P,DEAN G S,FEAGIN J A J R,etal.Mechanisms of anterior cruciate ligament injury[J].Orthopedics,2000,23(6):573-578.

[9]CHAPPELL J D,YU B,KIRKENDALL D T,etal.A comparison of knee kinetics between male and female recreational athletes in stop-jump tasks[J].Am J Sports Med,2002,30(2):261-267.

[10]COCHRANE J L,LLOYD D G,BESIER T F,etal.Training affects knee kinematics and kinetics in cutting maneuvers in sport[J].Med Sci Sports Exe,2010,42(8):1535-1544.

[11]DEVITA P,SKELLY W A.Effect of landing stiffness on joint kinetics and energetics in the lower extremity[J].Med Sci Sports Exe,1992,24(1):108-115.

[12]FLEMING B C,RENSTROM P A,BEYNNON B D,etal.The effect of weightbearing and external loading on anterior cruciate ligament strain[J].J Biomech,2001,34(2):163-170.

[13]FORD K R,MYER G D,HEWETT T E.Valgus knee motion during landing in high school female and male basketball players[J].Med Sci Sports Exe,2003,35(10):1745-1750.

[14]HOOTMAN J M,DICK R,AGEL J.Epidemiology of collegiate injuries for 15 sports:summary and recommendations for injury prevention initiatives[J].J Athl Train,2007,42(2):311-319.

[15]ITO E,IWAMOTO J,AZUMA K,etal.Sex-specific differences in injury types among basketball players[J].Open Access J Sports Med,2015,6:1-6.

[16]KIAPOUR A M,MURRAY M M.Basic science of anterior cruciate ligament injury and repair[J].Bone Joint Res,2014,3(2):20-31.

[17]KIM S,BOSQUE J,MEEHAN J P,etal.Increase in outpatient knee arthroscopy in the United States:a comparison of National Surveys of Ambulatory Surgery,1996 and 2006[J].J Bone Joint Surg Am,2011,93(11):994-1000.

[18]KROSSHAUG T,NAKAMAE A,BODEN B P,etal.Mechanisms of anterior cruciate ligament injury in basketball:video analysis of 39 cases[J].Am J Sports Med,2007,35(3):359-367.

[19]LIN C F,GROSS M,JI C,etal.A stochastic biomechanical model for risk and risk factors of non-contact anterior cruciate ligament injuries[J].J Biomech,2009,42(4):418-423.

[20]LIN C F,LIU H,GROS M T,etal.Biomechanical risk factors of non-contact ACL injuries:A stochastic biomechanical modeling study[J].J Sport Health Sci,2012,1(1):36-42.

[21]MALINZAK R A,COLBY S M,KIRKENDALL D T,etal.A comparison of knee joint motion patterns between men and women in selected athletic tasks[J].Clin Biomech (Bristol,Avon),2001,16(5):438-445.

[22]MCLEAN S G,LIPFERT S W,VAN DEN BOGERT AJ.Effect of gender and defensive opponent on the biomechanics of sidestep cutting[J].Med Sci Sports Exe,2004,36(6):1008-1016.

[23]ORISHIMO K F,KREMENIC I J,PAPPAS E,etal.Comparison of landing biomechanics between male and female professional dancers[J].Am J Sports Med,2009,37(11):2187-2193.

[24]PARKKARI J,PASANEN K,MATTILA V M,etal.The risk for a cruciate ligament injury of the knee in adolescents and young adults:a population-based cohort study of 46 500 people with a 9 year follow-up[J].Br J Sports Med,2008,42(6):422-426.

[25]PFLUM M A,SHELBURNE K B,TORRY M R,etal.Model prediction of anterior cruciate ligament force during drop-landings[J].Med Sci Sports Exe,2004,36(11):1949-1958.

[26]ROAAS A,NILSSON S.Major injuries in Norwegian football[J].Br J Sports Med,1979,13(1):3-5.

[27]ROSA B B,ASPERTI A M,HELITO C P,etal.Epidemiology of sports injuries on collegiate athletes at a single center[J].Acta Ortop Bras,2014,22(6):321-324.

[28]SANDELIN J,KIVILUOTO O,SANTAVIRTA S,etal.Outcome of sports injuries treated in a casualty department[J].Br J Sports Med,1985,19(2):103-106.

[29]SIGWARD S M,POWERS C M.The influence of gender on knee kinematics,kinetics and muscle activation patterns during side-step cutting[J].Clin Biomech (Bristol,Avon),2006,21(1):41-48.

[30]SWENSON D M,COLLINS C L,BEST T M,etal.Epidemiology of knee injuries among U.S.high school athletes,2005/2006-2010/2011[J].Med Sci Sports Exe,2013,45(3):462-469.

[31]VAUHNIK R,MORRISSEY M C,RUTHERFORD O M,etal.Rate and risk of anterior cruciate ligament injury among sportswomen in Slovenia[J].J Athl Train,2011,46(1):92-98.

[32]WEIGHTMAN D,BROWNE R C.Injuries in association and rugby football[J].Br J Sports Med,1984,1(8):183-187

[33]WONG P,HONG Y.Soccer injury in the lower extremities[J].Br J Sports Med,2005,39(8):473-482.

[34]YU B,LIN C F,GARRETT W E.Lower extremity biomechanics during the landing of a stop-jump task[J].Clin Biomech (Bristol,Avon),2006,21(3):297-305.

Differences of ACL Injuries Risk Factors for Basketball Player and College Students with Stochastic Biomechanical Modelling Method

ZHANG Mei-Zhen1,LIU Hui2,LIU Wan-jiang1,GUO Xin1,QING Ning-ning1,LI Han-jun2,YU Bing3

Objective:The purposes of this study were to estimated the probability of ACL injury using stochastic biomechanical model as an attempt to understand the effect of skill level and gender on ACL injuries and risk factors during sidestep cutting task.Method:Kinematic,kinetic and EMG data were collected for both basketball players and non-athlete college students during sidestep cutting task.Monte Carlo Simulation was used to obtain the data of ACL injury and biomechanical characteristics of simulated jumps.The risk factors of ACL injuries were indentified by paired t-test to compare the difference of biomechanical characteristics between injury and non-injury jumps.Two-way ANOVA was used to identify the effect of skill level and gender on ACL injuries.Resuts:The simulated female-to-male injury rate ratios for basketball players and non-athletes were 18.36 and 13.04.Except gastrocnemius force of male basketball players and normal college students (P=0.553,P=0.773),internal rotation moment for female basketball players(P=0.981),vertical ground reaction force of male college students(P=0.81),the other paremeters showed significant differences between simulated injury trials than non-injury jumps (P<0.05).Besides,the distance of COP to ankle (P=0.114),sagittal plane loading (P=0.061) and non-sagittal plane loading (P=0.58) had no interaction between gender and skill levels,the others had significant interaction (P<0.01).Conclusion:Both the skill levels and gender effect ACL injuries and they have the interaciton effect.The females and basketball players have higher risk of ACL injuries than males and college students with no trainning experience.

anteriorcruciateligament(ACL)；injury;stochasticbiomechanicalmodeling;basketball;athlete;non-athletecollege;gender

1000-677X(2016)10-0040-08

10.16469/j.css.201610006

2016-01-02；

2016-09-17

國家自然科學(xué)基金資助項目(30870600)；山西省教育廳高等學(xué)校哲學(xué)社會科學(xué)基金一般項目(2014223)；山西省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目(2015531)。

張美珍(1983-)，女，山西呂梁人，講師，博士，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向為運動生物力學(xué)，E-mail:meizhen1116@163.com；劉卉(1972-)，女，天津人，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向為運動生物力學(xué)，E-mail：liuhuibupe@163.com，劉萬將(1994-)，男，山西臨汾人，E-mail：840592685@qq.com。

1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.北京體育大學(xué) 運動生物力學(xué)教研室，北京 100084；3.美國北卡羅來納大學(xué) 人體運動科學(xué)中心，北卡羅來納 275991 1.Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China；2.Beijing Sport University,Beijing 100084,China；3.The University of North Carolina at Chapel Hill,NC 27599,USA.

G804.63

A