疲劳因素影响膝关节前交叉韧带的非接触性损伤生物力学

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.07.020

中国组织工程研究 ›› 2014, Vol. 18 ›› Issue (7): 1101-1108.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2014.07.020

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疲劳因素影响膝关节前交叉韧带的非接触性损伤生物力学

刘海瑞¹，伍勰²，吴瑛¹

上海体育学院，¹体育教育训练学院，²运动科学学院，上海市 200438

修回日期:2013-12-05 出版日期:2014-02-12 发布日期:2014-02-12
通讯作者: 吴瑛，博士，教授，博士生导师，上海体育学院研究生处，上海市 200438
作者简介:刘海瑞，男，1988年生，河南省安阳市人，汉族，上海体育学院在读博士，主要从事运动生物力学，运动训练学研究。
基金资助:
上海市教委重点学科建设资助项目(J51001)；2012年上海市研究生教育创新计划；上海市地方高校大文科研究生学术新人培育计划(xsxr2012034)

Biomechanical progress of fatigue effect on non-contact anterior cruciate ligament injury

Liu Hai-rui¹, Wu Xie², Wu Ying¹

¹School of Physical Education and Coaching, Shanghai University of Sport, Shanghai 200438, China; ²School of Kinesiology, Shanghai University of Sport, Shanghai 200438, China

Revised:2013-12-05 Online:2014-02-12 Published:2014-02-12
Contact: Wu Ying, M.D., Professor, Doctoral supervisor, School of Physical Education and Coaching, Shanghai University of Sport, Shanghai 200438, China
About author:Liu Hai-rui, Studying for doctorate, School of Physical Education and Coaching, Shanghai University of Sport, Shanghai 200438, China
Supported by:
the Leading Academic Discipline Project of Shanghai Education Committee, No. J51001; Shanghai Postgraduate Education Innovation Program in 2012; New Academic Development Plan for Liberal Arts Graduate Students in Local Universities of Shanghai, No. xsxr2012034

摘要/Abstract

摘要：

背景：膝关节前交叉韧带的损伤会触发膝关节的其他损伤，如慢性膝关节不稳，骨关节炎等。梳理非接触性膝关节前交叉韧带损伤有助于掌握损伤机制，降低损伤发病率。
目的：对膝关节前交叉韧带非接触性损伤的生物力学机制和疲劳落地有关的损伤及生物力学变化进行阐述，探究有关疲劳因素在跳跃-落地运动时前交叉韧带损伤的研究进展。
方法：由作者应用计算机检索PubMed数据库1988至2013年相关文献，在标题中以“ACL”、“landing”、“fatigue”等关键词检索，选择内容与膝关节前交叉韧带损伤的生物力学研究、疲劳落地与下肢损伤有关的文献，共纳入文献42篇。
结果与结论：跳跃落地时膝关节外翻角、力矩、膝关节旋外和落地时较小的膝关节屈曲角是造成非接触性膝关节前交叉韧带损伤产生的主要生物力学机制。疲劳因素是非接触性前交叉韧带损伤的另一个重要因素，但在跳跃-落地运动中，疲劳效应对膝关节交叉韧带的生物力学作用并不清晰。这可能是由于疲劳水平、疲劳诱导方式和动作控制方面的差异所导致。疲劳诱导是研究疲劳状态下膝关节前交叉韧带损伤的关键，因而，量化的疲劳水平、专项性的疲劳模型和落地方式可以为探究疲劳状态下膝关节前交叉韧带损伤生物力学机制提供新的思路，同时为损伤的干预和恢复提供借鉴。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

全文链接：

关键词: 组织构建, 组织工程, 膝关节交叉韧带, 非接触性损伤, 损伤机制, 生物力学, 疲劳效应, 跳跃-落地

Abstract:

BACKGROUND: Anterior cruciate ligament injury can trigger knee instability, knee osteoarthritis which decreases human beings’ life quality. Exploration on non-contact anterior cruciate ligament injury mechanism can prevent the occurrence of anterior cruciate ligament injury.
OBJECTIVE: To investigate the mechanism of fatigue effect on non-contact anterior cruciate ligament injury and to introduce the progression of fatigue effect on non-contact anterior cruciate ligament injury in jump-landing activities.
METHODS: The author retrieved the PubMed database from 1988 to 2013 by computer. The key words were set as: ACL, landing, and fatigue. A total of 42 articles were included which related to biomechanics research on anterior cruciate ligament injury, fatigue landing and low-limb injury.
RESULTS AND CONCLUSION: In jump-landing activities, knee valgus, moment, knee joint rotation and smaller knee flexion are main biomechanics underlying non-contact anterior cruciate ligament injury. In addition, fatigue effect is another critical factor for non-contact anterior cruciate ligament injury. However, the cause-effect between fatigue effect and anterior cruciate ligament injury is not clearly investigated and summarized, especially on fatigue level, fatigue induction and movement control. Introduction of fatigue induction is crucial for better understanding how fatigue effect results in anterior cruciate ligament injury. Thus, the quantification of fatigue level, fatigue models and landing ways will provide new ideas for exploring biomechanical mechanism underlying anterior cruciate ligament injury in fatigue state, as well as provide more information on intervention design and injury rehabilitation.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

全文链接：

Key words: anterior cruciate ligament, knee joint, fatigue, biomechanics, knee injuries

中图分类号:

R318

刘海瑞，伍勰，吴瑛 . 疲劳因素影响膝关节前交叉韧带的非接触性损伤生物力学[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(7): 1101-1108.

Liu Hai-rui, Wu Xie, Wu Ying. Biomechanical progress of fatigue effect on non-contact anterior cruciate ligament injury[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(7): 1101-1108.

图/表（结果） 1

2.1 前交叉韧带损伤机制 从机械的角度看前交叉韧带损伤多发生在前交叉韧带承受过大的张力时。因此，了解人体在运动时前交叉韧带负载的机制是了解非接触性前交叉韧带损伤的重要因素。前交叉韧带损伤的机制主要发生在3个解剖面上增加的膝关节外翻角度，增加的膝关节旋内和降低的膝关节屈曲角度。

2.1.1 膝关节外翻 Berns等^[11]研究发现发现较大的膝关节负荷(胫骨近端和膝关节外翻力矩的前切力)会导致前交叉韧带的紧绷。类似的研究也观察了胫骨近端的前切力和膝关节外翻，内翻，内外旋转力矩应用在前交叉韧带上的情况。一个100 N的前切力和10 N·m的膝关节内外翻和内外旋力矩被应用到尸体的膝关节上。前交叉韧带的负载被记录下来并显示膝关节从伸展的90°显示胫骨的前切力使前交叉韧带产生明显的负荷。同时，膝关节内外翻和内外旋对前交叉韧带也产生了明显的负荷，但研究显示仅是当前切力在胫骨近端时，前交叉韧带才有较为明显的负荷。这项研究进一步显示前交叉韧带的负载在前切力加上外翻或者内翻力矩时比仅有前切力时要大，同时，前交叉韧带的负载在前切力加上膝关节外旋力矩时比仅有前切力时要小。因此外翻力矩会增加前交叉韧带的负载已被以往的文献得到证实^[12]。但是也有文献显示施加外翻负载后前交叉韧带张力增加并不明显，特别是在2003年，Mazzocca等^[13]的研究显示副侧韧带被外翻负荷破坏后才观察到前交叉韧带张力的增加。Hewett等^[14]的流行病研究显示在垂直落地-跳跃的任务中外旋的膝关节外翻力矩是预测前交叉韧带损伤的一个因素。研究跟踪了共205名高中足球、篮球和排球运动员3个赛季的比赛训练，并记录了受试者在垂直的落地-跳跃触地时，最大的膝关节屈曲和外翻角度和最大的力矩。9名受试者在3个赛季后出现前交叉韧带损伤。研究结果显示落地时前交叉韧带损伤发病者的膝关节外翻角是8°，远高于非损伤的受试者，前交叉韧带损伤者的膝关节外旋外翻力矩和反作用力分别是非受伤者的2.5倍，大约高20%。调查结果进一步揭示膝关节外翻角度，膝关节外翻力矩与前交叉韧带损伤的关系。

2.1.2 膝关节旋内 Olsen等^[15]认为膝关节的外翻加上下肢较大的冲击负荷，会导致胫骨的内外旋，在这种条件下极易出现前交叉韧带损伤。Shin等^[16]采用模型模拟的方式评估了外翻角度，外翻力矩，胫骨的旋转和内副侧韧带的张力对前交叉韧带损伤的影响。研究证实增加的外翻力矩和前交叉韧带的张力峰值并非永远呈线性关系。研究还显示因为骨和软组织的限制，外翻力矩增加时会导致胫骨的外旋。研究认为单纯的增大的外翻力矩会增加前交叉韧带的张力，但是并不足以造成前交叉韧带损伤，除非内副侧韧带被破坏。因为，胫骨的旋外和增加的内副侧韧带的张力会抑制前交叉韧带张力的增加。这一结论也印证了之前的研究结果：单纯的膝关节外翻角度可能会造成前交叉韧带损伤，但是更多的前交叉韧带损伤出现在胫骨的旋内(外)时，伴随的膝关节完全的伸展和较大的外翻角度和外翻力矩。膝外翻和旋外力矩是导致膝关节动态运动时外翻的主要因素，这也是现有很多前交叉韧带损伤预防训练想要避免的方面。落地时，髋关节屈曲的减小，会增大膝关节的冲击力。较为伸展的的髋关节落地角度极易导致产生较大的膝关节外展力矩。相比男性，女子运动员落地时膝关节外翻力矩较大。研究还显示前交叉韧带的负载在膝关节内翻加上内旋力矩时要比仅膝关节内翻力矩或者仅内旋力矩要大。而比较前交叉韧带的负载在膝关节外翻加上外旋力矩时比仅膝关节外翻或者外旋力矩要小。除此之外，前交叉韧带的负荷在前切力和膝关节外翻，内翻和内旋力矩在膝关节屈曲角度减小时会增大。Feagin等^[17]的研究显示体质量的影响和胫骨外旋的负荷可以造成前交叉韧带的紧绷。他们在1个受试者的前交叉韧带的前内侧植入了可变磁阻变换器来独立检测胫骨前后切力，内外翻力矩和内外旋力矩来模拟体质量对膝关节负载的影响。研究结果表明前交叉韧带在胫骨近端的前切力和膝关节内旋力矩增加的情况下紧绷明显增大。同时，膝关节内外翻和外旋力矩在承受体质量的条件下对前交叉韧带的紧绷影响有限。上述研究一致表明前切力在胫骨近端对前交叉韧带负载的大小起主要的作用。同时当胫骨近端的前切力作用于膝关节时，会导致胫骨的旋内，从而可能增加前交叉韧带的负载。通过这些前交叉韧带负载机制，较小的膝关节屈曲角度，四头肌强有力的收缩或者额状面向后较大的地面反作用力都能够增加前交叉韧带的负荷。

2.1.3 膝关节屈曲角 四头肌通过髌腱在胫骨近端是主要作用于前切力的肌肉。Dargel等^[18]发现四头肌的肌力在膝关节从0°-45°屈曲时能够明显的增加。Durselen等^[19]发现膝关节从完全伸展至30°屈曲，四头肌能导致前交叉韧带承受较高的张力，当膝关节屈曲角度增加且超过30°时，前交叉韧带的紧绷程度开始减小。其他的研究也有类似结果(等动肌力中四头肌肌力在屈曲15°-30°时，明显的使得前交叉韧带绷紧，张力增加)。

Shoemaker等^[20]的研究显示四头肌对胫骨的额状面移动和和转移前交叉韧带的张力有显著的效果。四头肌最大的张力转接发生在膝关节3°屈曲。降低的膝关节屈曲角度通过髌腱-胫骨角(patella tendon-tibia shaft angle) (图1)可以增加胫骨近端的前切力。在给定四头肌肌力的条件下，胫骨近端的前切力主要由髌腱-胫骨角决定，定义为髌腱和胫骨纵向轴线之间的夹角。在四头肌给定的条件下，这个角度越大，胫骨的前切力也就越大。Nunley等^[21]研究了这个角度和膝关节屈曲角度的关系。研究显示当髌腱-胫骨角增大时，膝关节屈曲角度减小。女性的这个角度的平均值约4°左右，大于男性。这项研究中有关髌腱-胫骨角与膝关节屈曲角度的研究结果也与Boden等^[5]的研究相一致：膝关节屈曲角度的减小会导致前交叉韧带倾斜角和偏移角增大，进而导致增大前交叉韧带负载。纵轴上的前交叉韧带的合力等于cosines之后的前交叉韧带倾斜角和偏移角除以前交叉韧带的前切力。前交叉韧带倾斜角和偏移角越大，基于在前交叉韧带上的前切力，前交叉韧带的负载也就越大。Herzog等^[22]研究的显示膝关节屈曲的减小导致前交叉韧带活动的直线更垂直，意味着前交叉韧带倾斜角的增加。Dargel等^[18]研究还显示四头肌收缩在0°-45°明显会导致前交叉韧带的紧绷。类似的结论也出现在落地的研究中，落地或者变向时矢状面和额状面的不规则的关节角度和力矩都有可能导致非接触性的前交叉韧带损伤，特别是女子运动员。大量体内和体外的研究显示前交叉韧带张力的峰值一般出现在膝关节15°-40°屈曲时，并在超过40°以后减小至0°。计算机模拟的研究进一步显示触地后25 ms时前交叉韧带的张力峰值最大，此时膝关节接近于完全伸展。而研究也证实前交叉韧带损伤经常出现在落地减速阶段或者变向阶段^[23]。也有研究认为前交叉韧带损伤一般出现在触地后(initial contact)的 50 ms左右，在这个时刻股二头肌的作用是作为对抗前交叉韧带的角色。在体实验也显示单足跳的测试中，前交叉韧带张力的峰值和垂直地面反作用力峰值出现时刻一致，这主要与触地时刻较为伸展的膝关节屈曲角度有关。

有关前交叉韧带损伤机制方面的文献一致认为：在落地任务时，额状面的外翻角，力矩和较小的膝关节屈曲角度可能是造成非接触性前交叉韧带损伤的一个风险因素。运动员在进行体育活动时额状面较大的地面反作用力能够诱导四头肌肌肉收缩的增强，进而增加前交叉韧带的负载。额状面较大的地面反作用力能够使膝关节产生较大的屈膝力矩，因而需要四头肌收缩产生一个伸膝力矩来平衡。如前人研究提及，四头肌收缩通过髌腱增加了胫骨近端的前切力。额状面的地面反作用力越大，四头肌肌力也就越大，同时前交叉韧带的负载也就越大。Kingma等^[24]在跳跃-落地的测试中也发现，前交叉韧带张力的峰值与地面反作用力峰值出现时刻一致。在生物力学的研究上，尽管外旋的膝关节外翻力矩被证实与前交叉韧带损伤有关，现有文献依旧没有证据表明在没有较高的矢状面的力的前提下，膝关节内外翻和内外旋力矩能造成非接触性前交叉韧带损伤。

2.2 疲劳效应在跳跃-落地类运动中有关前交叉韧带的研究

2.2.1 疲劳效应与损伤的关系 有报告显示，比赛中损伤多发于比赛末或者邻近比赛结束阶段，具体统计显示足球比赛中多发于半场比赛的最后15 min或者第2个半场的最后30 min^[25]；橄榄球比赛中的数据统计显示损伤多出现于第二节和赛季末期。

疲劳状态下运动通常与降低的关节本体感觉和增加的关节松弛联系在一起，从而导致在参与维持姿态的活动时人体的静态和动态平衡能力降低，最终增加损伤产生的风险^[26]。减低身体的关节对冲击的吸收能力，主要表现为膝关节屈曲角度的降低，即落地更为僵硬。僵硬落地时降低的膝关节屈曲角度通常与前交叉韧带损伤联系紧密。另外疲劳还会导致肌肉吸收能量的能力降低和神经功能的改变，如增加的前切力，降低的神经肌肉反应也都会造成损伤的产生^[27]。前切力时造成前交叉韧带损伤的另一个重要因素。较大的前切力加上膝关节的外翻或内翻力矩极易造成前交叉韧带断裂。

2.2.2 疲劳的客观评定 不管在那种条件下需要产生力，神经肌肉系统产生力的能力降低被视为可以客观确定疲劳已产生^[28]。这种疲劳主要可以分为：中枢和外周疲劳。当神经-肌肉接头的改变发生在末端时，肌肉产生力的能力降低，这被称为外周疲劳；与之相反，神经-肌肉接头近端神经元的改变，则会使运动导致肌肉自主收缩的降低，这种疲劳称为中枢疲劳。

2.2.3 疲劳的主观评定 在体育运动中，主观确定疲劳的方式则多采用体力感觉等级量表。体力感觉等级量表(session rating of perceived exertion，RPE量表)主要用来主观感觉来推算运动负荷强度的一种有效方法，并用来参照控制运动强度，现已经广泛用来自主确定人体在运动时的疲劳程度。RPE量表的使用可以分为两类，一类是0-10的分级，0被定义为安静，10被定义为非常疲劳；另一类为6-20的分级，这一类也最为常用，6被定义为安静，对应心率为<70，19-20被定义为非常疲劳，对应心率为195或者以上的心率^[29]。

2.2.4 疲劳诱导的分类 疲劳诱导在以往的研究中可以大致分为两类。一类为短时间的疲劳诱导模式，主要采用一系列连续。重复性的爆发式运动，如：垂直跳跃加上短跑冲刺，单腿蹲起或者双腿蹲起加上快速起跳，此类疲劳诱导模式通常都较为短暂，持续时间一般低于10 min。另一类为延长运动时间的疲劳诱导模式，主要采用超过10 min，长约30 min或者60 min的综合性任务，如走，跑，跳和冲刺的结合。

2.2.5 短时间急性疲劳与运动表现的关系 落地和跳跃时改变的神经控制策略是非接触性前交叉韧带损伤产生的机制之一。疲劳也是造成损伤的潜在的外在因素之一。Madigan等^[30]的研究观察了下肢在疲劳状态下落地对于地面反作用力，下肢运动学和动力学的影响。结果显示疲劳状态下落地时的地面反作用力值降低和最大关节屈曲增加。相比疲劳前落地，研究认为疲劳状态下落地身体姿态在能量吸收和缓冲上起重要的作用。触地时关节的机制也能调整骨骼肌肉的负载，髋关节活动范围和功的增加显示对力的缓冲，身体较为依靠较大的关节肌肉群(髋，膝关节)。在此之后，Coventry等^[31]进行了类似的研究，结果显示疲劳状态下身体对能量吸收和疲劳前并无差异。髋关节和膝关节屈曲在疲劳落地时增加了，踝关节跖屈却降低了。髋关节的功增加而踝关节的功减小了。Orishimo等^[32]随后的研究主要观察大腿肌肉疲劳后的单足跳的落地特征。研究显示疲劳会增加膝关节的活动范围并使踝关节背屈增大，髋关节屈曲减小。疲劳还导致了膝关节伸膝力矩的减小，同时踝关节和髋关节伸肌力矩峰值增大。通过Karl的研究可知疲劳状态下单足跳-落地时降低的膝关节力矩和增加的膝关节屈曲表明尽管股内侧肌，外侧肌和股直肌的活动增加了，但是膝关节在疲劳状态的关节活动却受到了抑制。也可以推测踝关节活动的增强是对降低的膝关节的补偿，进而维持下肢落地时的稳定。这些结果与之前的研究结果的差异可能是由于运动形式和疲劳诱导模式的不同所导致。

Chappell等^[33]采用了3种不同形式的疲劳状态下的急停-跳跃实验观察到胫骨前切力的峰值和外翻力矩都显著的增加，膝关节屈曲角度明显下降，且疲劳并不会影响男子，女子运动员膝关节伸肌力矩的峰值变化。Chappell等^[33]的结论与以往研究中显示的疲劳状态下膝关节屈曲增加这一结果相反。急停-跳跃的动作与跳跃-落地动作的区别可能是这一研究结果有别于其他研究的原因之一。急停跳跃更关注急停后至跳跃前的膝关节变化，与之相对应的跳跃-落地，则是集中在触地-膝关节最大屈曲这一阶段。不同的动作和疲劳诱导模式会可以改变业余体育锻炼者的神经控制机制，进而产生不同的研究结果。

随着疲劳效应在体育活动研究中的深入，针对损伤发病率在性别中表现出的不同。Kernozek等^[12]召集了30名运动员(14女，16男)完成了50 cm疲劳状态前后的单腿落地。结果显示疲劳导致所有受试者在落地时髋关节都更为屈曲。疲劳后单腿落地时，男子运动员的膝关节屈曲角度峰值更大，女子运动员则在疲劳前后没有变化。男子运动员还表现出较大的膝关节内收角，女子运动员则表现出较大的外展角。疲劳和性别之间并无相互作用。疲劳后，女性的膝关节前切力更大。男女都表现出较低的膝关节伸肌力矩和外展力矩。Pappas等^[34]则是采用疲劳状态前后的双腿落地 (40 cm)观察评估了男女(n=29)在落地初期(膝关节屈曲小于40°)的前交叉韧带损伤风险。研究着重关注了落地初期的膝关节屈曲角，外翻角，反作用力峰值和标准化后的四头肌，股后肌群的EMG数据。研究发现疲劳后，女子运动员反作用力的峰值和膝关节屈曲与疲劳前相比差异明显。疲劳后，反作用力峰值和膝关节屈曲都明显减小。男子运动员则在疲劳后表现出较大的股二头肌外侧头的EMG峰值和较大的膝关节屈曲角。在类似的研究中，Gehring等^[35]也征召了13男13女进行了疲劳状态前后的双腿落地(52 cm)。疲劳诱导主要采用了1RM的50%进行重复练习，直至运动员无法完成设定的运动负荷。结果显示女性在落地时的膝关节屈曲角度，速度和外展角明显增加。这一有别于Evangelos的研究结果或许可以从落地高度，疲劳诱导模式和落地的方式来解释。单腿和双腿落地在不同高度下会表现出不同的特征。单腿落地时，高度达到 40 cm性别才会显示出差异；不同疲劳诱导模式在诱导出疲劳后，如何控制疲劳的恢复是疲劳诱导的关键所在；不同的落地方式也会影响生物力学上的特征，如：脚尖-脚跟或者是脚跟-脚尖。Coventry等^[31]在Evangelos和Dominic的研究之后，将双腿落地的高度提高至61 cm，召集了10名男性志愿者进行了疲劳前后的双腿落地测试。疲劳状态下的落地则采用了两种不同的疲劳诱导模式。第1天进行最大等动重复蹲起诱导疲劳，第2天采用次最大负荷自行车骑行诱导疲劳。每天测试结束都测试了半蹲的最大肌肉收缩。研究显示疲劳效应减小了最大肌肉收缩的肌肉力量，地面反作用力第二峰值和初始的冲量。

2.2.6 长时间急性疲劳与运动表现的关系 针对男女不同性别在疲劳状态下单腿落地的研究。Brazen等^[36]采用了更为全面的疲劳诱导模式：“L drill”的疲劳模板来诱导疲劳效应。Brazen在这个模板中设计包含了跳跃类的向心-离心活动，障碍变向(cutting)，冲刺等综合类的活动。“L drill”还延长了疲劳诱导的时间长度。结果显示疲劳后，受试者都表现出较大的膝关节屈曲，踝关节跖屈和较大的反作用力峰值。但是额状面的膝关节角度与疲劳前比并无差异。性别差异在这项研究中也没有发现。Webster等^[37]的部分研究结果与Brazen的研究结果则是恰恰相反的。Webster观察了经过前交叉韧带重建手术的男性患者(15名)和健康男性(11名)在疲劳状态下30 cm单腿落地时的生物力学特征。研究发现疲劳降低了下肢的屈曲，增加了髋关节和膝关节的外展角；疲劳作用还增加了膝关节旋转和降低的膝关节力矩。研究认为经过重建手术后的前交叉韧带损伤侧在疲劳状态下落地时的生物力学特征对比健康一侧的下肢或者健康人并无差异。以往的研究认为落地研究中高度是否足够是能否发现不同性别的个体落地时生物力学差异的重要因素之一。

Mclean从性别和中枢神经控制的角度诱导出疲劳，并将诱导出的疲劳的水平分为不同级别(25%，50%，75%和100%)。在疲劳状态下测试了单腿落地(优势腿-非优势腿)。针对性别的比较发现相比男性，女性受试者落地触地时的踝关节跖屈，踝关节旋外角，膝外展和旋内都较大。女子运动员还表现出较大的膝关节内收，外展和旋内，较小的踝关节背屈力矩。疲劳效应增加了女子运动员在触地初期的膝关节的外展角和旋内活动，也增加了膝关节旋内，内收和外展的力矩峰值。研究认为疲劳的作用改变了下肢的控制可能会导致落地时出现非接触前交叉韧带损伤的风险。性别表现出的疲劳落地特征可以解释为什么女子运动员更易于出现前交叉韧带损伤。Borotikar等^[38]募集了25名NCAA的女子运动员预测性和非预测性的疲劳单腿落地(左-右腿)实验。在实验设计中将疲劳落地和决策选择两个体育比赛中的损伤因素结合后进行了测试。实验选取了疲劳前，50%疲劳和100%疲劳状态下的单腿落地进行分析。研究发现疲劳状态下向前跳跃-单腿触地触地的初试阶段，髋关节的伸展和旋内，膝关节外展角度和旋内峰值，踝关节旋外角度都明显增加。疲劳状态下无预测落地决策选择触地时髋关节的旋转和膝关节外展角度也比预测性落地要大。Mclean和Borotikar的研究中采用落地形式主要是类似于立定跳远起跳-空中决策，确定落地腿-落地的运动模式。这种运动模式下男女起跳距离一致，但是无法控制落地的高度和速度，有别于传统的垂直落地(drop landing)和落地反跳(Counter Movement Jump)的运动形式的研究。因而运动学和动力学的数据和以往垂直落地和落地反跳的研究无法直接比较。

2.2.7 其他类型运动疲劳研究 在其他类型，如：变向，单足跳等的研究中。Sanna等^[39]针对女子运动易于出现下肢损伤这一现象。征召了12名大学女子足球运动员参与了疲劳状态下变向(fatigue side cutting)的实验。研究显示疲劳前后，矢状面和额状面的运动学和动力学并无明显的差异。疲劳后，触地时水平面的髋、膝、踝关节变现出增大的旋外角。在站立阶段，膝关节变现出较大的旋内角度。研究认为膝关节旋内的增加暗示了当比赛中无法预知的复杂比赛环境加上膝关节旋内有潜在损伤风险增加的可能。Thomas等^[40]尝试诱导四头肌和股后肌群的疲劳后观察单腿起跳落地(hopping)的生物力学特征。25名健康人参与了实验。测得向心最大峰值力矩后，受试者被要求重复至少5次的向心收缩，直至四头肌和股二头肌峰力矩低于最大峰力矩峰值的50%后，受试者被认为已经疲劳。最后进行单腿起跳落地。四头肌和股后肌群的疲劳效应在触地阶段增加了髋关节的旋内角，膝关节的伸展角和旋外角。在在反作用力到达峰值的时刻疲劳效应还增加了膝关节的伸展角度，旋外角度。而在关节力矩上，疲劳后落地的反作用力的峰值出现时刻还表现出了较大的膝关节屈曲力矩，较小的膝关节屈曲力矩和旋外力矩。相比男性，女性在落地时表现出较大的髋关节屈曲和较小的外展，同时在反作用力峰值出现的时刻还有较大的膝关节屈曲。女性反作用力的值大于男性。性别和疲劳的效应在本并没有被发现。Lucci等^[41]则是在借鉴了Danielle的“L drill”的疲劳诱导模板之后采用两种不同疲劳诱导模板，一是类似的 “L drill”：短期运动疲劳诱导，另一种是采用最大摄氧量为基础的30 min跑台上变换节奏：VO_2max速度的70%持续 4 min-VO_2max速度的90%持续1 min，直至30 min耗尽的长期运动疲劳诱导。完成疲劳诱导后，15名大学生女子足球运动员参与了实验并完成了疲劳前后的变向测试(side cutting)。研究显示对比长期运动疲劳诱导，在短期疲劳诱导模板下的的变向，运动员在触地初试阶段表现出增加的膝关节旋内。触地初期的髋关节屈曲角度，疲劳前屈曲角度比疲劳后要大，类似的结果也出现在膝关节屈曲角上。研究认为两种疲劳模板都明显改变了髋关节和膝关节在变向活动时的生物力学特征^[42]。Alexis等认为代谢疲劳的效应会导致动态运动下膝关节稳定能力下降进而增加损伤的风险。他募集了15名女子志愿者参与了单腿跳(40 cm) -单腿落地-单腿垂直跳的实验，受试者分别完成了疲劳状态前后的测试。疲劳诱导采取了40 cm单足跳+单腿落地+单腿CMJ+单腿跳踏板上下10次+30 s的Wingate功率自行车的测试。研究发现在疲劳前后女子运动员都表现出膝关节屈曲角减小，膝关节外翻角度增大和内外翻力矩增大的结果，但是只有膝关节屈曲具有统计学上的差异。研究认为代谢上的疲劳可以破坏女子运动员动态运动时膝关节的稳定性从而增加损伤风险。

疲劳状态下的运动会导致身体对于冲击吸收能力的明显减小已被证实。疲劳后，身体姿态对于能量吸收和落地缓冲起到重要作用。大关节群，如髋、膝关节表现出增大的活动范围来吸收能量，这一点在性别上并无区别。膝关节在额状面的表现，男子在疲劳后表现出较大内收角，而女子则表现出较大的外展角。且女子运动员疲劳后在落地时的前切力比男子更大。但是也有研究得出截然不同的结论发现女子运动员在疲劳后垂直地面反作用力和膝关节屈曲并没有增加，反而减小了。对于相矛盾的研究结果如何解释并不得而知。可以推测落地高度和疲劳诱导模式或许是解释膝关节在这两个不同落地高度和疲劳诱导实验下表现出截然相反结果的重要因素。例如，Danielle和Kate的研究的设定高度为30 cm和36 cm。这一高度以往的研究中被认为不足以让受试者表现出运动学和动力学上的差异。

不同的疲劳诱导模板是疲劳后落地、变向的关键。因为诱导疲劳状态后，运动员在实际测试中不可避免的存在恢复的状态。因此，疲劳状态的量化是疲劳后生物力学测试的一个核心问题。尽管Mclean在疲劳诱导后将疲劳落地进行了分级，但是Mclean的疲劳状态分级也存在一定问题。疲劳确定成功诱导出以后采集到的最后一个动作定义为100%疲劳。在测试过程中的机能恢复是不可逆的，作者也没有解释此定义的来源。所以这种疲劳分级方式并不科学。关于疲劳诱导本身，单一的动作重复是疲劳诱导的主流，但是却忽略了疲劳诱导的专项性。大量的研究都是采用短时间的单一的重复运动来诱导疲劳状态。Shawn和Danielle则是采取了综合性的运动组合来诱导疲劳状态。尽管考虑了疲劳诱导的专项性，但是在综合任务内容的设置上却并没有依据说明选择内容的合理性。在将来的疲劳落地实验中，一般性和专项性的疲劳设置是运动生物力学上需要考虑和注意的问题。

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引言

“前交叉韧带”损伤在体育运动中是最常见的损伤，完全的前交叉韧带断裂能诱发膝关节其他的病理变化，如膝关节稳定性降低^[1]，半月板和软骨的损伤和关节炎^[2]。还有研究显示前交叉韧带完全断裂的患者会伴有慢性膝关节不稳^[3]，半月板和软骨二级损伤。运动员在减速，变向切入，落地和扭转动作时没有与他人进行身体接触和碰撞称为“非接触性的前交叉韧带损伤”^[4]，特别是当人体膝关节自身产生较大的力或者力矩^[5]，且有较大的负荷作用于前交叉韧带导致的损伤。相比男子运动员，女子运动员出现前交叉韧带损伤的概率较高。研究显示，在足球，篮球和排球项目中，女子运动员出现前交叉韧带损伤的概率比男子运动员高2-8倍^[6]。其中2/3非接触性的前交叉韧带损伤多发生在跑，跳等运动中，因前交叉韧带损伤造成的手术和康复治疗的花费巨大^[1]。

跳跃-落地在体育活动中是最常见的功能性活动，也被研究确定为非接触性前交叉韧带损伤产生的一种常见机制^[7]。在跳跃落地中，一般可分为单腿或和双腿落地。下肢关节对能量的吸收主要通过附着在关节的肌肉和各种软组织，因此，下肢关节主要通过关节-肌肉活动来降低落地产生的冲击。以往的研究中对双腿落地时候关节的力学和冲击吸收进行了细致的分析。这些研究发现髋关节的关节力矩和能量最大，膝关节关节角度活动范围和功最大^[8]。因而，落地时下肢关节降低冲击和吸收能量能力的不足都可能导致下肢关节的损伤。

尽管已有大量学者针对前交叉韧带损伤做出了大量卓有成效的研究工作，但是前交叉韧带损伤的发病率依然居高不下，特别是女子运动员。前交叉韧带损伤还以每年1.3%的增速在跳跃-落地运动中进一步增加^[9]。近年来有学者开始尝试模拟疲劳状态下的跳跃-落地来进一步探究疲劳状态下的落地对非接触前交叉韧带损伤的影响。过往的研究证实疲劳能降低肌肉活动，并降低在落地时身体对冲击的吸收能力进而造成损伤。疲劳状态下运动通常与降低的关节本体感觉和增加的关节松弛联系在一起，从而导致在参与维持姿态的活动时人体的静态和动态平衡能力降低，最终增加损伤产生的风险；另外疲劳还会导致肌肉吸收能量的能力降低和神经功能的改变，如增加的前切力^[10]，降低的神经肌肉反应也都会造成损伤的产生。但是也有研究显示疲劳状态下运动员在进行跳跃-落地类运动时生物力学特征与疲劳前相比并没有改变。因此，梳理近年来国外有关前交叉韧带损伤和疲劳诱导有关的生物力学研究成果，介绍成熟可靠的疲劳诱导方法，对于国内开展疲劳落地的研究和推动设计非接触性前交叉韧带损伤预防方案具有一定的参考价值。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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疲劳因素影响膝关节前交叉韧带的非接触性损伤生物力学

Biomechanical progress of fatigue effect on non-contact anterior cruciate ligament injury

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