女子篮球运动员运球侧切对膝关节负荷的影响研究

窦金柱，刘云发，李正彬，尹 松

（东北师范大学体育学院，吉林 长春 130024）

女子篮球运动员运球侧切对膝关节负荷的影响研究

窦金柱，刘云发，李正彬，尹 松

（东北师范大学体育学院，吉林 长春 130024）

目的 ：探讨女子篮球运动员运球侧切对膝关节负荷的影响，以了解造成前交叉韧带（ACL）损伤的风险因素。方法 ：使用 Vicon motion System 红外摄像系统（ 200HZ）、Kistler 测力台（1000HZ）以及 Noraxon 生物电信号采集系统（1000HZ）收集 15 名二级女子篮球运动员运球侧切动作支撑期的资料 ；Visual 3D 软件计算膝关节角度和力矩 ；Noraxon 软件计算肌肉活动 ，所有参数进行配对样本 t检验。结果 ：在支撑缓冲前 20% 阶段，运球女子运动员膝关节的屈曲、外翻角度峰值、外翻力矩及旋转力矩峰值、股四头肌和腘绳肌的共同收缩比值大于不运球的运动员，膝关节旋转角度和膝关节屈曲/伸展力矩并没有差异。结论：女子篮球运动员在进行运球侧切时，膝关节承受较大的关节负荷，这可能是造成ACL损伤的原因。

女子篮球运动员 ；前交叉韧带（ACL）；膝损伤 ；侧切

前交叉韧带（ACL）损伤是一种常见的创伤性膝关节损伤。在美国每年发生约80 000例ACL损伤，大约 有50 000 例 需 要 手术 重 建，耗 资 近 十亿 美 元[1]。约70%的ACL损伤发 生在非接 触性的情况下[2]，特 别是在突然地改变方向或者减速缓冲时，如侧切。研究发现女子运动员非接触ACL损伤发生率是男子的5～7倍[3]。当快 速行 进 急停 并 侧切 变向时，膝关节内外 翻、旋转以及突然减速的制动力量等因素都可能会造成ACL的损伤[4]。

尽管有大量的ACL损伤研究，但是关于ACL损伤的确切机制仍然没有准确答案。大多数ACL损伤预防相关的生物力学研究多集中在解剖因素、支撑站立腿的运动学因素和神经肌肉因素的性别差异上。而这些研究都是在没有限制运动员手臂活动的情况下进行的。运动员在空中、落地和平衡活动的不同情况中对手臂的运动会有不同的限制。在一些特定的项目中，如体操、自由式跳台滑雪，运动员可以自由地使用手臂来辅助平衡。其他的运动项目也会有约束单臂或双臂来持球、球棒或球拍。在这种情况下，手臂的运动变化可能会影响膝关节负荷。Cowling 和Steele1[5]对 澳 大利亚网球运 动员的研 究发现，运动员接球后以单脚落地支撑，因为手臂的限制引起股四头腘绳肌激活模式的改变产生了较高的胫骨前向剪切力，因为上肢活动的限制影响了关节周围肌肉稳定关节的收缩机制，而增加了ACL的损伤几率。Chaudhari[6]研究发现，在侧切运动时，手持曲棍球杆以及与支撑脚同侧的手臂持橄榄球的运动员比没有持杆及异侧持橄榄球的运动员表现出更大的膝关节外翻力矩，同侧手臂的限制影响了运动员的身体平衡，增加了膝关节的异常运动，因而增加了ACL损伤风险。

侧切动作是篮球运动中常见的进攻技术，并且具有较高的ACL损伤发生率[7]。同时，篮球运动需要运动员进行运球，因此，了解篮球运球侧切是否也会导致肌肉协调和膝关节负荷产生上述相似变化，对于了解前交叉韧带的损伤具有重要的意义。由于触地支撑的前20%阶段被认为是前交叉韧带损伤的重要阶段[8]，因此本研究选取前20%阶段进行分析，比较二级女子篮球运动员在运球和不运球侧切时膝关节的负荷变化，了解女子篮球运动员在侧切过程中是否因运球限制了上肢活动，增加了膝关节负荷，造成ACL损伤。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象以女子篮球运动员运球侧切对膝关节负荷的影响为研究对象。

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料法 通过中国知网以“前交叉韧带”“损伤”“侧切”为主题词进行相关检索，共检索文献27篇，通过pubmed数据库以“anterior cruciate ligament or ACL”“injuries or injury”“Sports or sports or sport or athletes or athletes or athlete”“cutting or sidestep”进行检索，共检索文献195篇，对查阅的相关文献进行筛查、总结、归纳和分析，为本研究的顺利开展提供理论依据。

1.2.2 实验法 以15名二级女子篮球运动员为实验对象。受试者均没有下肢关节损伤或手术史、背部受伤或疼痛（表1）。

表1 受试者基本资料

1.2.2.1 实验时间与地点 2017年3月至5月，泰山医学院生物力学实验室。

1.2.2.2 实验仪器及设备 Vicon红外摄 像头6个 (Vicon MX series, c T-20S, Oxford Metrics,UK)，2块40×60cm的测力台(9286BA,Kistler Corporation,Switzerland)，Noraxon生物电遥测采集系统，V3D(C-Motion,Inc.,Germantown,MD,USA)数据处理软件，spss17.0统计软件；笔记本电脑、酒精、棉签、剃毛器、剪刀、压敏胶带、细砂纸、两面胶、插排等。

1.2.2.3 实验步骤 1）校验实验仪器，红外摄像头（200Hz）、测力台(1000Hz)和Noraxon(1000Hz)生物电信号采集系统进行同步。

2）测量受试者身高、体重、左右髂前上棘的宽度、膝关节宽度、踝关节宽度。

3）粘贴反光球与电极片：反光球粘贴于肩峰、第七颈椎棘突、髂前/后上棘、股骨大转子、膝、踝关节、足跟、第一和第五跖骨粗隆(见图1)；电极贴放于股外侧肌、股内侧肌、股二头肌、半腱肌肌腹处且平行于肌纤维走向（间隔20mm）。

4）受试者进行10min的热身和整理活动。

5）采集受试者自然解剖位置的静态站立动作，以建立身体各环节在实验室中的坐标。

6）动态实验动作采集：受试者按要求进行运球和不运球侧切。离测力台5m处开始助跑，用非优势腿触及力台，然后优势腿向90°的位置进行变向，并继续跑几步后缓冲停止。每次侧切要求运动员进行3次练习，侧切实验中运动的速度达到2～3m/s,认为此次测试成功。运动速度的监控与McLean[9]的方法相一致。通过测试采集的5次视频中选取3次成功视频进行分析。

优势腿的定义以常用踢足球的腿[10]，所有的受试者均以右侧为优势腿，把非优势腿作为运动支撑腿是因为ACL重建的外科手术肢体多来自非优势腿[11]。

1.2.3 数理统计法 Visual3D软件(C-Motion，Inc. Germantown，MD,USA)处理反光球在空间中的运动轨迹及测力台数据，运动学进行截止频率为7Hz的低通滤波处理，测力台资料使用50Hz的低通滤波进行处理，计算膝关节角度和关节力矩。关节力矩用体重进行标准化。支撑期的股外侧肌、股内侧肌、股二头肌、半腱肌肌电信号用Noraxon软件对数据进行10～400Hz的带通滤波处理，全波整流，截止频率为10Hz的低通滤波进行平滑处理，进行线性包络，求取肌肉的共同收缩比。肌电数据用活动峰值进行标准化处理。所有参数进行配对样本t检验，显著性水平定义为0.05。

图1 反光球粘贴位置（正、背）示意

2 结 果

表2呈现的是支撑缓冲前20%阶段膝关节负荷峰值变化情况以及关节肌肉的共同收缩比值。在支撑缓冲的前20%阶段，运球的女子运动员膝关节的屈曲、外翻角度峰值显著大于不运球的女子运动员（P=0.022；0.028）。在膝关节的旋转角度上并没有发现差异（P=0.735）。动力学方面，运球的女子篮球运动员表现出的外翻力矩峰值以及旋转力矩峰值大于不运球的运动员（-0.66 (0.32) vs-0.52(0.31)Nm/kg、P=0.017，0.51(0.28) vs.0.28(0.23)Nm/kg、P=0.001），而在膝关节屈曲/伸展力矩上不存在差异（P=0.203）。运球的女子篮球运动员与不运球的运动员之间在股四头肌和腘绳肌的共同收缩比值上存在差异，运球的女子篮球运动员的共同收缩比值显著大于不运球的运动员（3.94vs3.58、P=0.037）。

表2 侧切动作膝关节角度、关节力矩及肌肉活动结果

3 讨论与分析

研究结果发现，女子篮球运动员在进行侧切时，运球和不运球的情况对膝关节运动学、动力学以及肌肉活动会有影响。准确地来讲，女子篮球运动员在运球侧切时，比起不运球的运动员而言，表现出更大的膝关节外翻角度、屈曲角度，以及在支撑的前20%会有更大的膝关节的外翻力矩和旋转力矩（表2）。而且在支撑阶段的前20%阶段，运球与不运球的女子运动员都表现出膝关节的外翻角度、膝关节的外翻力矩与旋转力矩，这些因素都是ACL损伤的潜在风险因素。这与早期Boden[8]的研 究结果 相似，缓冲支撑的前20%阶段是前交叉韧带损伤的重要阶段，并且膝关节的角度都小于40°。

本研究中运球与不运球的女子篮球运动员的关节屈曲角度分别为38.45°和36.73°。膝关节屈曲角度的减小会增加ACL的倾斜角(elevation angle)和偏向角(deviation angle)，因而会使ACL负荷增加。因为，ACL所受到的合力等于其受到的前向剪切力除以倾斜角和偏向角的余弦[12]。因此，在前交叉韧带受到前向剪切力一定的情况下，倾斜角和偏向角越大，ACL承担的负荷也越大。

Arms[13]发现，膝关节弯曲角度在0°～45°之间时，股四头肌的收缩能对ACL产生较大的拉力。可见足触地支撑以及之后，膝关节屈曲定位在某一个角度时，股四头肌收缩可能会拉伤前交叉韧带，并且增大膝关节的屈曲角度，可能会降低ACL损伤风险。在支撑脚触地支撑的时候，膝关节刚好处于对ACL的牵拉位置。因此本研究中女子篮球运动员表现出较小的屈曲角度（<40°），增加了ACL负荷，促进了损伤发生。

在支撑期的前20%阶段，无论运球与不运球，女子篮球运动员都出现膝关节外翻位，并且承受膝关节的外翻力矩。研究中运球与不运球的运动员表现出了不同的下肢生物力学，表明运球与不运球的侧切方式有不同的特征，并且损伤机制可能会与上肢的位置有关。有研究指出膝关节外翻是ACL损伤的危险体位，而且膝关节外翻力矩对预测ACL损伤的特异性和敏感度达到73%与78%，准确率将近 90%[4]。

由于外在地面反作用力的作用，造成触地支撑膝关节的明显外翻，从而产生内在肌肉的制衡作用，造成了膝关节外翻力矩的增加。然而从Hewett的观点来看，即使没有运球的女子篮球运动员也会增加受伤的风险，本研究中她们也表现出了膝外翻肢位。因此，无论运动员运球与不运球，她们似乎都会增加损伤风险。

Olsen研究指出：侧切动作发生ACL损伤时，膝关节外 翻角度 为5～20°[7]。本 研 究中运 球 的 女子篮 球 运动员膝关节外翻角为5.3°，结果说明与ACL损伤有关联，虽然没有运球的运动员的关节角度小于5°，但是也处于ACL损伤的边缘。运动中膝关节外翻会增加关节韧带结构应变，这样就促进了篮球运动中ACL损伤的发生。在膝关节的屈曲力矩方面运球与不运球的女子篮球运动员之间并没有呈现差异，这与早期的研究结果 相矛盾[14]，这可能与本 研 究测试 动作的变向角度不同有关。

膝关节股四头肌与腘绳肌共同收缩的主要目的是控制关节的稳定。腘绳肌的肌肉活动对膝关节的正常功能发挥具有重要的作用，其通过抵抗胫骨前移和内/外翻力以维持膝关节的动态稳定。而且，股四头肌和腘绳肌收缩加上肌肉固有的外翻和内收力臂有能力维持冠状面膝关节动态稳定[15]。

因此，股四头肌与腘绳肌平衡收缩可以很好地控制膝关节稳定，防止ACL损伤。本研究中，运球的女子篮球运动员的股四头肌与腘绳肌的共同收缩比值显著大于没有运球的运动员，与没有运球的运动员相比，运球的运动员侧切时，这种较弱的腘绳肌的收缩活动制约着股四头肌收缩引起的胫骨前移的保护机制不足，控制关节内/外翻的能力降低。

这样，运球侧切产生的胫骨前向剪切力要大于没有运球的运动员产生的前向剪切力，再加上运球侧切时更大的膝关节外翻、内旋力矩，使得女子篮球运动员的ACL承受极大的力量，处于极度紧张状态，就会很容易造成ACL损伤的发生。

综上结果可以看出，运球的运动员在完成侧切时比没有运球的运动员ACL承受更大的负荷，而且运球的运动员表现出更容易造成ACL损伤的动作特征和肌肉活动。因此在制订预防ACL损伤的训练计划时要把篮球运动自身特点考虑在内。

4 结论与建议

4.1 结论女子篮球运动员在进行运球侧切时，膝关节表现出更大的外翻体位和膝关节的内旋角、外翻力矩以及较大的H:Q值。篮球运动员在运球时会降低身体重心位置，加强控球与防守，就会使膝关节的屈曲角度增加，而膝关节屈曲角度的增加促进了关节的外翻运动，同时侧切变向造成关节旋转以及显著股四头肌的活动，造成膝关节的稳定性降低、外翻松弛，进而增加ACL负荷，促进了女子篮球运动员ACL的损伤。研究中有些运动员在触地支撑期出现内翻变化，表示触地支撑时的动作技巧因人而异，后续研究需要对运动员的训练水平与身体素质进行一定的控制，以进行合理探讨。

4.2 建议加强女子篮球运动员变向动作的神经肌肉控制训练，促进肌肉收缩平衡。另外，女子运动员要尽量增加触地支撑时的髋、膝关节屈曲角度，避免过度的关节旋转和外翻,这对预防女子篮球运动员ACL韧带损伤的发生是非常有必要的。

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The Inf l uence of Dribble on Knee Loads during Sidestep Cutting for Female Basketball Athletes

DOU Jin-zhu，LIU Yun-fa，LI Zheng-bin，YIN Song
(School of Physical Education, Northeast Normal University, Changchun 130024, Jilin China)

To identify the effect of dribble on knee loads and get to know what impact would have on the risk of non-contact anterior cruciate ligament injury. Methods: Fifteen healthy female collegiate basketball athletes performed sidestep cutting maneuvers, while vicon motion system(200Hz), Kistler force plate (1000Hz) and Noraxon electromyographic capture system(1000Hz) were recorded during the phase of side-step cutting. Using Visual 3D software and Noraxon, 3D joint angles and, knee moment and electromyographic data were calculated. Paired-samples T test were used to detect signif i cant difference of the variables. Findings: Female athletes hold a ball displayed a greater peak knee f l exor angle, knee abduction, a great knee abduction and internal rotation moment and greater H: Q co-contraction levels during early deceleration than the athletes without. No differences were noted for the athletes at knee internal rotation angle and knee f l exion/ extension moment. Conclusions: The dribble was associated with knee loads that can increase the risk of ACL injury.

female basketball athletes; anterior cruciate ligament; knee injury; sidestep cutting

G804.2

A

1004 - 7662(2017 )03- 0088-05

2016-12-01

窦金柱，硕士研究生，研究方向:运动医学。通信作者：刘云发。