疾跑时股后肌群的生物力学特征——对拉伤危险时相的分析
万祥林;曲峰;刘卉;于冰
【摘 要】木瓜能吃吗目的:旨在通过分析疾跑过程中下肢和股后肌群的生物力学特征参数,探讨股后肌群拉伤的危险时相,进一步深入了解疾跑时股后肌群拉伤的机制.方法:有短跑训练经历的大学生男、女各20名,采集受试者疾跑时的运动学、地面反作用力和肌电数据以及10°/s的等速向心屈膝练习时的力矩和运动学数据,进而获得下肢的关节角度、净力矩、关节功率、股后肌群肌肉应变和激活特征等参数.结果:疾跑时股后肌群3块双关节肌的应变峰值出现在步态周期的90％左右.性别对疾跑时肌肉最大应变影响的主效应不显著(P=0.387),股二头肌长头(P=0.002)和半腱肌(P=0.029)的最大应变大于半膜肌.结论:疾跑时股后肌群最大应变出现在摆动阶段末期,提示,股后肌群拉伤更易发生于疾跑摆动末期.疾跑时股后肌群最大应变无性别差异.疾跑时股后肌群各肌肉最大应变不同,这可能是疾跑时各肌肉拉伤率不同的原因之一.
【期刊名称】《中国体育科技》
【年(卷),期】2019(055)002
【总页数】6页(P70-75)
【关键词】肌肉拉伤;损伤机制;肌肉生物力学;肌肉应变;骨骼肌肉模型
【作 者】万祥林;曲峰;刘卉;于冰
【作者单位】北京体育大学,北京 100084;北京体育大学,北京 100084;北京体育大学,北京 100084;北卡罗来纳大学 教堂山分校,北卡罗来纳 27599
【正文语种】中 文
【中图分类】英语谓语动词G804.6
股后肌群拉伤是体育运动中最为常见的损伤之一，多发于田径、足球、澳式橄榄球、英式橄榄球、美式橄榄球等涉及快速奔跑、跳跃、踢等动作的项目（Mendiguchia et al.，2012；Opar et al.，2012），其中，疾跑是最主要的损伤动作形式（Brooks et al.，2006;Woods et al.，2004）。拉伤的高损伤率和复发率会导致运动员缺席比赛，造成巨大的经济损失等（Askling et al.，2006;Ekstrand et al.，2012;Hickey et al.，2014）。尽管安全平台教育平台>服装大品牌
大量的人力、物力、财力被投入用于预防股后肌群的拉伤和提高拉伤的康复效果，然而近30年来，股后肌群的损伤率一直没有下降（Liu et al.，2012;Ramos et al.，2017），因此，当前迫切需要研究并提出预防拉伤和提高康复效果的有效措施。
明确损伤机制是预防股后肌群拉伤和提高损伤后康复效果的前提，而了解疾跑时股后肌群拉伤的生物力学条件对于探明拉伤机制具有重要意义。目前，针对股后肌群拉伤易发生在跑步周期的支撑相还是摆动相仍存在争议。由于人的痛觉的滞后性，很难通过现场视频或伤者本人的描述来判断运动中拉伤发生的时刻，因此，实验室生物力学研究是分析跑动过程中股后肌群易伤时相的主要方法。Mann（1981）和魏书涛等（2009）发现，屈膝力矩和伸髋力矩的峰值出现在疾跑支撑相初期，因此认为股后肌群承受巨大负荷使得支撑相初期成为拉伤发生的高危时相。Sun 等（2015）还发现，在摆动相末期，有一个比支撑相初期更大的屈膝、伸髋力矩，认为支撑相初期和摆动相末期均是疾跑股后肌群拉伤的高危时刻。然而，许多学者通过动物模型研究表明，拉伤主要是在肌肉处于拉长状态下发生的，拉伤的直接原因是肌肉应变过大，而与肌肉收缩力和速度不相关（Yu et al.，2017），因此，屈膝、伸髋力矩大并不一定是股后肌群拉伤的原因。肌肉应变是指肌肉相对静息长度的增量与肌肉静息长度的比值（Enoka，2008）。Thelen 等（2005）发现，在跑台上疾
跑的摆动相末期，股后肌群出现长度峰值且处于离心收缩状态，故认为拉伤易发生在摆动相末期。Yu等（2008）分析了地面上跑时股后肌群的运动学及肌电特征，发现在摆动相末期和支撑相末期，股后肌群均出现长度峰值并处于离心收缩状态，且摆动相末期的长度更长、激活程度最高，因此得出疾跑的摆动相末期和支撑相末期是股后肌群易拉伤的时相，且摆动末期拉伤的风险可能更高。这些分析运动中股后肌群拉伤机制的研究，或是采用股后肌群的绝对长度，或是采用肌肉长度相对直立时肌肉长度的形变量来间接反应肌肉的应变，鲜见讨论与拉伤直接相关的股后肌群应变特征。
本研究在测量计算受试者股后肌群最优长度的基础上，分析疾跑一个步态周期过程中股后肌群应变特征，同时结合疾跑过程中下肢运动学、动力学和股后肌群激活特征等参数的分析，探讨股后肌群拉伤的危险时相，深入分析疾跑时股后肌群拉伤的机制。
1 研究对象与方法
1.1 受试者
本研究受试者为男、女各20名有短跑训练经验的大学生（表1）。所有受试者无股后肌群
拉伤史，下肢及足部半年内无明显损伤，实验前48 h未从事剧烈运动。所有受试者均签署了知情同意书。
1.2 数据采集与处理
受试者着紧身衣裤，在身上粘贴反光标志点（第4、5腰椎棘突中点，以及左右侧的髂前上棘、髂嵴最高点、股骨大转子、股骨外侧髁、股骨内侧髁、胫骨粗隆、腓骨外踝、胫骨内踝、足跟及足尖），通过肌电仪（NoraxonTeleMyo 2400T G2，Noraxon Inc.，Scottsdale，AZ，USA，3 000Hz）采集两侧股二头肌和半腱半膜肌的肌电信号，同时通过8镜头红外高速运动捕捉系统（Motion Analysis Raptor-4，Motion Analysis Corp.，Santa Rosa，CA，USA， 200Hz）、三维测力台（Kistler 9281CA，Kistler Instruments，Winterthur，Switzerland，1 000 Hz）与肌电同步采集体表标志点坐标和地面反作用力数据。跑步距离约35 m，受试者在距离测力台直线距离约20 m处以站立式起跑姿势准备，听到口令后尽最快的速度跑过测试区域。受试者以正常步态、无任何步伐调整并以测试脚着在测力台上视为1次有效测试。受试者每侧腿完成3次有效测试，每次之间休息60 s，疾跑测试获得的指标取3次结果的平均值。
表1 受试者基本信息Table 1 Basic Information of Subjects男24.3±2.5 175.9±4.1 68.3±7.4女23.7±1.4 163.9±3.3 54.0±4.3
新年乐陶陶受试者完成疾跑测试后，保持原有体表标志点不变，坐在等速测试仪上（Isomed 2000，D&R Ferstl GmbH，Hemau，Germany），保持髋屈约90°，测试腿的大腿及小腿分别被固定在座椅和机械臂上，防止代偿动作以保证只能完成膝的屈伸运动，膝的屈伸轴与机械臂的转动轴对齐。测试的机械臂活动范围为110°，膝完全伸直时机械臂的位置为0°。受试者每侧腿尽全力完成3次角速度为10°/s的等速屈膝运动，每次之间休息90 s。体表标志点的坐标通过10镜头红外运动捕捉系统（Qualisys，Gothenburg，Sweden）采集，并与等速力矩数据同步。
采集的所有体表标志点三维坐标，运用Butterworth低通滤波法进行平滑，截断频率为13 Hz（Yu et al.，1999）。根据标志点坐标建立骨盆、大腿、小腿和足的环节坐标系。参照前人研究（Wan et al.，2017；Yu et al.，2008）计算股后肌群各肌肉起、止点在大地坐标系中的坐标。肌肉的长度为大地坐标系中肌肉起、止点连线的距离。由于目前难以获取在体肌肉的静息长度，肌肉的最优长度可近似当作肌肉的静息长度（Kaufman et al.，1991）
，肌肉的最优长度是指肌肉产生最大收缩力时的长度（Chang et al.，1999）。股后肌群每块肌肉的收缩力根据等速屈膝力矩、肌肉的生理横截面积、肌肉力臂计算获得，具体的计算方法可参照我们之前的研究（Wan et al.，2017）。某一时刻某块肌肉的应变（εt）由这一时刻肌肉的长度（Lt）和肌肉的最优长度（L0）计算获得，即εt =（Lt - L0）/ L0。
一个步态周期定义为脚着地到该脚再次着地。跑速定义为第4、5腰椎棘突中点在一个步态周期中的平均速度。肌肉拉伸速度为单位时间内肌肉长度的变化。采用欧拉角的方法（Kadaba et al.，1990）计算髋、膝、踝的三维角度。采用逆动力学的方法（Frankel et al.，1950）计算下肢关节的三维净力矩，其中人体惯性参数采用DeLeva（1996）修正后的Zatsiorsky-Seluyanovs人体惯性参数。关节功率为关节净力矩与关节角速度的乘积。疾跑过程中肌电的原始信号采用带通滤波进行处理，滤波器范围为10～800 Hz，之后进行全波整流，全波整流后的信号再经过20 Hz的低通滤波，获得肌电的线性包络线。采用3次样条插值法对各指标按步态周期进行归一化处理。
1.3 统计分析
采用混合设计双因素方差分析检验不同肌肉（股二头肌长头、半腱肌、半膜肌）和性别（
男、女）对疾跑时肌肉最大应变及到达最大应变时间的影响，将肌肉作为重复测量因素。所有统计学分析采用SPSS 16.0软件（SPSS，Chicago，IL，USA）完成，统计学显著性的定义为一类错误概率不大于0.05。
晚渡
2 结果
男性受试者的跑速为8.16±0.52 m/s，女性受试者的跑速为6.78±0.55 m/s。在跑步周期中支撑相所占百分比男、女分别为25.93%±0.03%、27.02%±0.02%。
疾跑时1个步态周期内股后肌群3块双关节肌的应变（图1）从着地开始先逐渐减小至步态周期的55%左右，之后开始增大，应变峰值出现在步态周期的90%左右（表3），此后减小至足触地。3块肌肉的收缩速度在应变减小阶段表现为负值，在应变增大阶段表现为正值（图1）。
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方差分析结果显示（表2），疾跑过程中股后肌群不同肌肉的最大应变有显著性差异（F = 6.156，P = 0.003），但在性别间差异不显著（F = 0.757，P = 0.387），肌肉与性别的交互作用不显著（F = 0.682，P = 0.507）。后续检验表明，股二头肌长头（P = 0.002）和半腱肌（P = 0.029）的最大应变大于半膜肌。
英文原著肌肉与性别对疾跑过程中股后肌群最大应变出现时间（表3）的影响有显著的交互作用（F = 8.213，P =0.001）。后续独立样本 t 检验表明，股二头肌长头（F =5.976，P = 0.515）、半膜肌（F = 7.480，P = 0.657）和半腱肌（F = 8.904，P = 0.084）最大应变出现时间在性别之间无显著性差异。单因素重复测量方差分析结果表明，不同肌肉最大应变出现时间在男（F =50.041，P = 0.001）、女（F =99.598，P = 0.001）上均有显著性差异，后续检验表明男性（P= 0.001，P = 0.001，P = 0.001）与女性（P = 0.001，P = 0.001，P = 0.018）均呈现半膜肌最大应变出现时间晚于股二头肌长头和半腱肌，股二头肌长头晚于半腱肌。
表2 疾跑过程中股后肌群的最大肌肉应变Table 2 Peak Muscle Strains during the Sprinting Gait Cycle股二头肌长头 0.065±0.043 0.055±0.061 0.757 0.387半膜肌 0.060±0.042 0.048±0.054 0.757 0.387半腱肌 0.061±0.044 0.054±0.055 0.757 0.387 F 6.156 6.156 P 0.003 0.003
