萬(wàn)祥林，曲 峰，劉 卉，于 冰

股后肌群拉傷是體育運(yùn)動(dòng)中最為常見(jiàn)的損傷之一，多發(fā)于田徑、足球、澳式橄欖球、英式橄欖球、美式橄欖球等涉及快速奔跑、跳躍、踢等動(dòng)作的項(xiàng)目（Mendiguchia et al.，2012；Opar et al.，2012），其中，疾跑是最主要的損傷動(dòng)作形式（Brooks et al.，2006;Woods et al.，2004）。拉傷的高損傷率和復(fù)發(fā)率會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)員缺席比賽，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失等（Askling et al.，2006;Ekstrand et al.，2012;Hickey et al.，2014）。盡管大量的人力、物力、財(cái)力被投入用于預(yù)防股后肌群的拉傷和提高拉傷的康復(fù)效果，然而近30年來(lái)，股后肌群的損傷率一直沒(méi)有下降（Liu et al.，2012;Ramos et al.，2017），因此，當(dāng)前迫切需要研究并提出預(yù)防拉傷和提高康復(fù)效果的有效措施。

明確損傷機(jī)制是預(yù)防股后肌群拉傷和提高損傷后康復(fù)效果的前提，而了解疾跑時(shí)股后肌群拉傷的生物力學(xué)條件對(duì)于探明拉傷機(jī)制具有重要意義。目前，針對(duì)股后肌群拉傷易發(fā)生在跑步周期的支撐相還是擺動(dòng)相仍存在爭(zhēng)議。由于人的痛覺(jué)的滯后性，很難通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)視頻或傷者本人的描述來(lái)判斷運(yùn)動(dòng)中拉傷發(fā)生的時(shí)刻，因此，實(shí)驗(yàn)室生物力學(xué)研究是分析跑動(dòng)過(guò)程中股后肌群易傷時(shí)相的主要方法。Mann（1981）和魏書(shū)濤等（2009）發(fā)現(xiàn)，屈膝力矩和伸髖力矩的峰值出現(xiàn)在疾跑支撐相初期，因此認(rèn)為股后肌群承受巨大負(fù)荷使得支撐相初期成為拉傷發(fā)生的高危時(shí)相。Sun 等（2015）還發(fā)現(xiàn)，在擺動(dòng)相末期，有一個(gè)比支撐相初期更大的屈膝、伸髖力矩，認(rèn)為支撐相初期和擺動(dòng)相末期均是疾跑股后肌群拉傷的高危時(shí)刻。然而，許多學(xué)者通過(guò)動(dòng)物模型研究表明，拉傷主要是在肌肉處于拉長(zhǎng)狀態(tài)下發(fā)生的，拉傷的直接原因是肌肉應(yīng)變過(guò)大，而與肌肉收縮力和速度不相關(guān)（Yu et al.，2017），因此，屈膝、伸髖力矩大并不一定是股后肌群拉傷的原因。肌肉應(yīng)變是指肌肉相對(duì)靜息長(zhǎng)度的增量與肌肉靜息長(zhǎng)度的比值（Enoka，2008）。Thelen 等（2005）發(fā)現(xiàn)，在跑臺(tái)上疾跑的擺動(dòng)相末期，股后肌群出現(xiàn)長(zhǎng)度峰值且處于離心收縮狀態(tài)，故認(rèn)為拉傷易發(fā)生在擺動(dòng)相末期。Yu等（2008）分析了地面上跑時(shí)股后肌群的運(yùn)動(dòng)學(xué)及肌電特征，發(fā)現(xiàn)在擺動(dòng)相末期和支撐相末期，股后肌群均出現(xiàn)長(zhǎng)度峰值并處于離心收縮狀態(tài)，且擺動(dòng)相末期的長(zhǎng)度更長(zhǎng)、激活程度最高，因此得出疾跑的擺動(dòng)相末期和支撐相末期是股后肌群易拉傷的時(shí)相，且擺動(dòng)末期拉傷的風(fēng)險(xiǎn)可能更高。這些分析運(yùn)動(dòng)中股后肌群拉傷機(jī)制的研究，或是采用股后肌群的絕對(duì)長(zhǎng)度，或是采用肌肉長(zhǎng)度相對(duì)直立時(shí)肌肉長(zhǎng)度的形變量來(lái)間接反應(yīng)肌肉的應(yīng)變，鮮見(jiàn)討論與拉傷直接相關(guān)的股后肌群應(yīng)變特征。

本研究在測(cè)量計(jì)算受試者股后肌群最優(yōu)長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，分析疾跑一個(gè)步態(tài)周期過(guò)程中股后肌群應(yīng)變特征，同時(shí)結(jié)合疾跑過(guò)程中下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和股后肌群激活特征等參數(shù)的分析，探討股后肌群拉傷的危險(xiǎn)時(shí)相，深入分析疾跑時(shí)股后肌群拉傷的機(jī)制。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 受試者

本研究受試者為男、女各20名有短跑訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)的大學(xué)生（表1）。所有受試者無(wú)股后肌群拉傷史，下肢及足部半年內(nèi)無(wú)明顯損傷，實(shí)驗(yàn)前48 h未從事劇烈運(yùn)動(dòng)。所有受試者均簽署了知情同意書(shū)。

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理

受試者著緊身衣褲，在身上粘貼反光標(biāo)志點(diǎn)（第4、5腰椎棘突中點(diǎn)，以及左右側(cè)的髂前上棘、髂嵴最高點(diǎn)、股骨大轉(zhuǎn)子、股骨外側(cè)髁、股骨內(nèi)側(cè)髁、脛骨粗隆、腓骨外踝、脛骨內(nèi)踝、足跟及足尖），通過(guò)肌電儀（NoraxonTeleMyo 2400T G2，Noraxon Inc.，Scottsdale，AZ，USA，3 000Hz）采集兩側(cè)股二頭肌和半腱半膜肌的肌電信號(hào)，同時(shí)通過(guò)8鏡頭紅外高速運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（Motion Analysis Raptor-4，Motion Analysis Corp.，Santa Rosa，CA，USA， 200Hz）、三維測(cè)力臺(tái)（Kistler 9281CA，Kistler Instruments，Winterthur，Switzerland，1 000 Hz）與肌電同步采集體表標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)和地面反作用力數(shù)據(jù)。跑步距離約35 m，受試者在距離測(cè)力臺(tái)直線距離約20 m處以站立式起跑姿勢(shì)準(zhǔn)備，聽(tīng)到口令后盡最快的速度跑過(guò)測(cè)試區(qū)域。受試者以正常步態(tài)、無(wú)任何步伐調(diào)整并以測(cè)試腳著在測(cè)力臺(tái)上視為1次有效測(cè)試。受試者每側(cè)腿完成3次有效測(cè)試，每次之間休息60 s，疾跑測(cè)試獲得的指標(biāo)取3次結(jié)果的平均值。

表1 受試者基本信息Table 1 Basic Information of Subjects

受試者完成疾跑測(cè)試后，保持原有體表標(biāo)志點(diǎn)不變，坐在等速測(cè)試儀上（Isomed 2000，D&R Ferstl GmbH，Hemau，Germany），保持髖屈約90°，測(cè)試腿的大腿及小腿分別被固定在座椅和機(jī)械臂上，防止代償動(dòng)作以保證只能完成膝的屈伸運(yùn)動(dòng)，膝的屈伸軸與機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)軸對(duì)齊。測(cè)試的機(jī)械臂活動(dòng)范圍為110°，膝完全伸直時(shí)機(jī)械臂的位置為0°。受試者每側(cè)腿盡全力完成3次角速度為10°/s的等速屈膝運(yùn)動(dòng)，每次之間休息90 s。體表標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)通過(guò)10鏡頭紅外運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（Qualisys，Gothenburg，Sweden）采集，并與等速力矩?cái)?shù)據(jù)同步。

采集的所有體表標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)，運(yùn)用Butterworth低通濾波法進(jìn)行平滑，截?cái)囝l率為13 Hz（Yu et al.，1999）。根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)建立骨盆、大腿、小腿和足的環(huán)節(jié)坐標(biāo)系。參照前人研究（Wan et al.，2017；Yu et al.，2008）計(jì)算股后肌群各肌肉起、止點(diǎn)在大地坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。肌肉的長(zhǎng)度為大地坐標(biāo)系中肌肉起、止點(diǎn)連線的距離。由于目前難以獲取在體肌肉的靜息長(zhǎng)度，肌肉的最優(yōu)長(zhǎng)度可近似當(dāng)作肌肉的靜息長(zhǎng)度（Kaufman et al.，1991），肌肉的最優(yōu)長(zhǎng)度是指肌肉產(chǎn)生最大收縮力時(shí)的長(zhǎng)度（Chang et al.，1999）。股后肌群每塊肌肉的收縮力根據(jù)等速屈膝力矩、肌肉的生理橫截面積、肌肉力臂計(jì)算獲得，具體的計(jì)算方法可參照我們之前的研究（Wan et al.，2017）。某一時(shí)刻某塊肌肉的應(yīng)變（εt）由這一時(shí)刻肌肉的長(zhǎng)度（Lt）和肌肉的最優(yōu)長(zhǎng)度（L0）計(jì)算獲得，即εt=（Lt-L0）/L0。

一個(gè)步態(tài)周期定義為腳著地到該腳再次著地。跑速定義為第4、5腰椎棘突中點(diǎn)在一個(gè)步態(tài)周期中的平均速度。肌肉拉伸速度為單位時(shí)間內(nèi)肌肉長(zhǎng)度的變化。采用歐拉角的方法（Kadaba et al.，1990）計(jì)算髖、膝、踝的三維角度。采用逆動(dòng)力學(xué)的方法（Frankel et al.，1950）計(jì)算下肢關(guān)節(jié)的三維凈力矩，其中人體慣性參數(shù)采用DeLeva（1996）修正后的Zatsiorsky-Seluyanovs人體慣性參數(shù)。關(guān)節(jié)功率為關(guān)節(jié)凈力矩與關(guān)節(jié)角速度的乘積。疾跑過(guò)程中肌電的原始信號(hào)采用帶通濾波進(jìn)行處理，濾波器范圍為10～800 Hz，之后進(jìn)行全波整流，全波整流后的信號(hào)再經(jīng)過(guò)20 Hz的低通濾波，獲得肌電的線性包絡(luò)線。采用3次樣條插值法對(duì)各指標(biāo)按步態(tài)周期進(jìn)行歸一化處理。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用混合設(shè)計(jì)雙因素方差分析檢驗(yàn)不同肌肉（股二頭肌長(zhǎng)頭、半腱肌、半膜?。┖托詣e（男、女）對(duì)疾跑時(shí)肌肉最大應(yīng)變及到達(dá)最大應(yīng)變時(shí)間的影響，將肌肉作為重復(fù)測(cè)量因素。所有統(tǒng)計(jì)學(xué)分析采用SPSS 16.0軟件（SPSS，Chicago，IL，USA）完成，統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性的定義為一類(lèi)錯(cuò)誤概率不大于0.05。

2 結(jié)果

男性受試者的跑速為8.16±0.52 m/s，女性受試者的跑速為6.78±0.55 m/s。在跑步周期中支撐相所占百分比男、女分別為25.93%±0.03%、27.02%±0.02%。

疾跑時(shí)1個(gè)步態(tài)周期內(nèi)股后肌群3塊雙關(guān)節(jié)肌的應(yīng)變（圖1）從著地開(kāi)始先逐漸減小至步態(tài)周期的55%左右，之后開(kāi)始增大，應(yīng)變峰值出現(xiàn)在步態(tài)周期的90%左右（表3），此后減小至足觸地。3塊肌肉的收縮速度在應(yīng)變減小階段表現(xiàn)為負(fù)值，在應(yīng)變?cè)龃箅A段表現(xiàn)為正值（圖1）。

方差分析結(jié)果顯示（表2），疾跑過(guò)程中股后肌群不同肌肉的最大應(yīng)變有顯著性差異（F =6.156，P =0.003），但在性別間差異不顯著（F =0.757，P =0.387），肌肉與性別的交互作用不顯著（F =0.682，P =0.507）。后續(xù)檢驗(yàn)表明，股二頭肌長(zhǎng)頭（P =0.002）和半腱?。≒ =0.029）的最大應(yīng)變大于半膜肌。

肌肉與性別對(duì)疾跑過(guò)程中股后肌群最大應(yīng)變出現(xiàn)時(shí)間（表3）的影響有顯著的交互作用（F =8.213，P =0.001）。后續(xù)獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)表明，股二頭肌長(zhǎng)頭（F =5.976，P =0.515）、半膜肌（F =7.480，P =0.657）和半腱?。‵ =8.904，P =0.084）最大應(yīng)變出現(xiàn)時(shí)間在性別之間無(wú)顯著性差異。單因素重復(fù)測(cè)量方差分析結(jié)果表明，不同肌肉最大應(yīng)變出現(xiàn)時(shí)間在男（F =50.041，P =0.001）、女（F =99.598，P =0.001）上均有顯著性差異，后續(xù)檢驗(yàn)表明男性（P=0.001，P =0.001，P =0.001）與女性（P =0.001，P =0.001，P =0.018）均呈現(xiàn)半膜肌最大應(yīng)變出現(xiàn)時(shí)間晚于股二頭肌長(zhǎng)頭和半腱肌，股二頭肌長(zhǎng)頭晚于半腱肌。

表2 疾跑過(guò)程中股后肌群的最大肌肉應(yīng)變Table 2 Peak Muscle Strains during the Sprinting Gait Cycle

表3 疾跑過(guò)程中股后肌群最大肌肉應(yīng)變出現(xiàn)時(shí)間Table 3 Time of Occurrence of Peak Muscle Strain during the Sprinting Gait Cycle

下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)矢狀面關(guān)節(jié)凈力矩（圖2）表明，在觸地初期，髖、膝、踝關(guān)節(jié)表現(xiàn)為伸髖、屈膝和跖屈力矩，之后的支撐相主要表現(xiàn)為伸髖、伸膝和跖屈力矩。在擺動(dòng)相，髖關(guān)節(jié)先后表現(xiàn)為屈髖和伸髖力矩，而膝關(guān)節(jié)則先后表現(xiàn)為伸膝和屈膝力矩，擺動(dòng)相踝關(guān)節(jié)處于放松，力矩幾乎為零。矢狀面關(guān)節(jié)功率曲線（圖2）表明，在支撐相前期，伸髖力矩做正功，支撐相末期至擺動(dòng)相初期，屈髖力矩做負(fù)功，之后屈髖力矩做正功，擺動(dòng)相中后期伸髖力矩先做負(fù)功后做正功。支撐相膝關(guān)節(jié)主要為伸膝力矩先做負(fù)功后做正功，擺動(dòng)相前期伸膝力矩做負(fù)功，擺動(dòng)相后期屈膝力矩做負(fù)功。踝關(guān)節(jié)在支撐相表現(xiàn)為跖屈力矩先做負(fù)功后做正功，擺動(dòng)相功率幾乎為零。

股后肌群的肌電線性包絡(luò)線的變化（圖3）表明，內(nèi)外側(cè)的股后肌群均在疾跑支撐相初期和擺動(dòng)相末期激活程度較高，而在支撐相末期和擺動(dòng)相初、中期激活程度較低。

圖3 疾跑步態(tài)周期內(nèi)股后肌群的肌電線性包絡(luò)線Figure 3. Linear Envelop EMG of Hamstring during the Sprinting Gait Cycle

3 討論

疾跑過(guò)程中股后肌群拉傷機(jī)制的一個(gè)重要問(wèn)題便是明確拉傷易發(fā)生的時(shí)相。本研究的結(jié)果表明，股后肌群3塊雙關(guān)節(jié)肌的最大應(yīng)變均出現(xiàn)在疾跑擺動(dòng)相末期，此前有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，在跑臺(tái)上（Thelen et al.，2005）和地面上（Wood，1987；Yu et al.，2008）跑時(shí)，股后肌群的最大長(zhǎng)度出現(xiàn)在擺動(dòng)相末期。研究已經(jīng)表明，肌肉拉傷是離心收縮狀態(tài)下肌肉應(yīng)變過(guò)大導(dǎo)致的。本研究的結(jié)果和前人的研究共同表明，疾跑擺動(dòng)相末期是股后肌群拉傷的危險(xiǎn)時(shí)相。此外，有研究（Wood，1987；Yu et al.，2008）還發(fā)現(xiàn)，在疾跑支撐相末期，股后肌群也存在一個(gè)長(zhǎng)度峰值，因此，他們認(rèn)為，支撐相末期也是一個(gè)危險(xiǎn)時(shí)相。這種前人研究之間的差異可能是跑臺(tái)上跑和地面上跑之間動(dòng)作模式不同導(dǎo)致的（Yu et al.，2008）。而本研究的結(jié)果并不支持支撐相末期是危險(xiǎn)時(shí)相的結(jié)論，對(duì)比本研究和Yu等（2008）的研究方法可以發(fā)現(xiàn)，他們研究中的受試者在疾跑時(shí)可能仍處在明顯的加速階段，因?yàn)槭茉囌叩钠鹋芪恢镁嚯x動(dòng)作采集區(qū)域僅有約10 m。有研究（Higashihara et al.，2015）表明，與疾跑速度保持階段軀干基本保持直立相比，在加速跑階段軀干傾向于前傾姿勢(shì)，軀干前傾會(huì)使得骨盆前傾角和髖關(guān)節(jié)屈角增大，骨盆前傾和髖關(guān)節(jié)屈角增大使得股后肌群被拉得更長(zhǎng)，而這便可能導(dǎo)致在疾跑加速跑的支撐相后期股后肌群存在一個(gè)長(zhǎng)度峰值。

部分研究者根據(jù)屈膝和伸髖力矩峰值出現(xiàn)時(shí)間認(rèn)為，支撐相初期（Mann，1981；Sun et al.，2015；魏書(shū)濤 等，2009）和擺動(dòng)相末期（Sun et al.，2015）是疾跑股后肌群拉傷的高危時(shí)刻。本研究的下肢關(guān)節(jié)力矩結(jié)果與前人的發(fā)現(xiàn)基本一致，在著地初期，由于地面反作用力通過(guò)髖、膝關(guān)節(jié)的前方，地面反作用力在髖、膝關(guān)節(jié)處產(chǎn)生了一個(gè)很大的屈髖、伸膝力矩，為了抵抗地面反作用力的作用，腿部的肌肉，主要是股后肌群收縮產(chǎn)生了較大的伸髖、屈膝力矩。在擺動(dòng)末期，股后肌群收縮產(chǎn)生一個(gè)很大的屈膝、伸髖力矩來(lái)抵抗小腿加速前擺。從肌電信號(hào)也可以發(fā)現(xiàn)，股后肌群在支撐相初期和擺動(dòng)相末期處于劇烈收縮的狀態(tài)。但是，從本研究的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，股后肌群的肌肉拉伸速度在疾跑支撐相為負(fù)值，即處于縮短的狀態(tài)。在支撐相初期，下肢髖、膝關(guān)節(jié)的凈功率為正值，伸髖屈膝肌群做正功，意味著肌肉向心收縮產(chǎn)生能量并向肢體傳遞。上述結(jié)果均表明，在疾跑支撐相初期股后肌群是處于向心收縮狀態(tài)的，盡管這一階段肌肉會(huì)產(chǎn)生巨大的屈膝和伸髖力矩，但肌肉拉傷是由過(guò)大的應(yīng)變導(dǎo)致的，而巨大的肌肉收縮力并不是必要條件，目前沒(méi)有研究可以直接表明肌肉會(huì)在向心收縮狀態(tài)下發(fā)生拉傷。因此，本研究并不支持疾跑支撐相初期是股后肌群易拉傷的危險(xiǎn)時(shí)相。

研究結(jié)果顯示，男女在疾跑時(shí)的股后肌群最大應(yīng)變并沒(méi)有顯著性差異，這一結(jié)果提示，疾跑時(shí)股后肌群的拉傷風(fēng)險(xiǎn)可能沒(méi)有性別差異。然而，這與許多臨床研究的結(jié)論并不一致，很多研究發(fā)現(xiàn)，在各種涉及高速奔跑的運(yùn)動(dòng)中，男性的股后肌群拉傷率均高于女性（Dalton et al.，2015；Opar et al.，2014）。造成這一結(jié)論不同的原因可能是在比賽和訓(xùn)練中，男女之間的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和疲勞程度不同。許多研究已經(jīng)表明，疲勞是股后肌群拉傷的一個(gè)危險(xiǎn)因素，大部分的股后肌群拉傷發(fā)生都在比賽或訓(xùn)練的后程（Brooks et al.，2006；Woods et al.，2004）。疲勞的肌肉抵抗被拉長(zhǎng)的能力下降，在吸收相同能量的情況下，相比未疲勞的肌肉，疲勞的肌肉會(huì)被拉得更長(zhǎng)，從而更容易達(dá)到被拉傷的應(yīng)變條件（Mair et al.，1996）。疲勞程度的增加使得人體的本體感覺(jué)能力下降（Allen et al.，2010），改變?nèi)思才軙r(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，從而增加股后肌群的長(zhǎng)度（Small et al.，2009，2010），進(jìn)而影響肌肉的最大應(yīng)變。今后的研究需要進(jìn)一步確定性別和疲勞對(duì)疾跑時(shí)最大應(yīng)變的影響，從而明確性別和疲勞是否對(duì)最大應(yīng)變的影響產(chǎn)生交互作用，最終有助于理解性別對(duì)股后肌群拉傷風(fēng)險(xiǎn)的影響機(jī)制。

研究結(jié)果顯示，股二頭肌長(zhǎng)頭和半腱肌的最大應(yīng)變大于半膜肌，這一結(jié)果提示，在疾跑時(shí)，股二頭肌長(zhǎng)頭和半腱肌比半膜肌的拉傷風(fēng)險(xiǎn)更高。這與許多臨床研究的結(jié)果一致，本研究的結(jié)果可以部分解釋流行病學(xué)呈現(xiàn)出的現(xiàn)象。流行病學(xué)的研究結(jié)果表明，股二頭肌長(zhǎng)頭是股后肌群多塊肌肉中拉傷率最高的肌肉（Askling et al.，2007；Slavotinek et al.，2002），一些研究表明，半腱肌的拉傷率高于半膜?。―e Smet et al.，2000；Slavotinek et al.，2002），但也有部分研究顯示半膜肌的損傷率高于半腱?。↘oulouris et al.，2003；Speer et al.，1993）。此外，本研究結(jié)果還顯示，股二頭肌長(zhǎng)頭和半膜肌疾跑時(shí)最大肌肉應(yīng)變出現(xiàn)時(shí)間晚于半腱肌，半膜肌晚于股二頭肌長(zhǎng)頭，表明，不同股后肌群肌肉拉傷出現(xiàn)的時(shí)刻可能不同。但是，通過(guò)現(xiàn)有的技術(shù)，臨床上要獲得股后肌群不同肌肉拉傷的準(zhǔn)確時(shí)刻還很困難，今后還需要進(jìn)一步驗(yàn)證本研究的結(jié)果。

4 結(jié)論

疾跑時(shí)股后肌群最大應(yīng)變出現(xiàn)在擺動(dòng)相末期，提示，股后肌群拉傷更易發(fā)生于疾跑擺動(dòng)末期。疾跑時(shí)股后肌群最大應(yīng)變無(wú)性別差異。疾跑時(shí)股后肌群各肌肉最大應(yīng)變不同，這可能是疾跑時(shí)各肌肉拉傷率不同的原因之一。