膝前交叉韧带损伤后垂直起跳能力评价：运动力学指标的有效性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.51.007

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：
运动力学：是应用力学的原理和方法研究生物体外在机械运动的一门科学。狭义的运动生物力学研究体育运动中人体的运动规律。按照力学观点，人体或一般生物体的运动是神经系统、肌肉系统和骨骼系统协同工作的结果。神经系统控制肌肉系统，产生对骨骼系统的作用力以完成各种机械动作。
前交叉韧带：又称前十字韧带，位于膝关节内，连接股骨与胫骨，主要作用是限制胫骨向前过度移位，它与膝关节内其他结构共同作用，来维持膝关节的稳定性，使人体能完成各种复杂和高难度的下肢动作。

摘要
背景：垂直弹跳能力的评价通常只限于高度测量。包括运动力学因素在内的测量参数可能会为患者的垂直起跳能力提供一个较好的评估。
目的：明确前交叉韧带重建后患者单腿垂直起跳能力的缺损，并阐明最大弹跳高度和跳跃时的最大功率、最大力量以及最大速度之间的关系。
方法：25名健康受试者(男10例，女15例)和25例前交叉韧带术后患者(男10例，女15例)参加了这项研究。通过测量所有受试者单腿垂直起跳时的弹跳高度、功率、力量和速度来评估单腿垂直起跳能力。
结果与结论：①健康受试者单腿垂直起跳时的最大高度只和最大力量有显著的关联(P < 0.05)；②前交叉韧带重建后患者的重建侧和非重建侧单腿垂直跳跃时的最大高度和最大功率、最大力量以及最大速度之间都有显著的关联(P < 0.05)；③结果提示前交叉韧带重建后患者单腿垂直起跳能力的康复训练中采用膝伸展战略的重要性；用最大功率来评价前交叉韧带术后患者的垂直起跳能力可能比最大垂直起跳高度更有效。

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
ORCID: 0000-0003-4666-6775(谢地)

关键词: 组织构建, 组织工程, 前交叉韧带重建, 垂直起跳, 加速度计, 国家自然科学基金

Abstract:

BACKGROUND: Evaluation of vertical jumping ability is usually only limited to height measurements. The measurements of parameters that describe kinetic factors may provide a better assessment of a patient’s jumping ability.
OBJECTIVE: To determine the deficit in one-legged vertical jumping ability and to clarify the relationships between the maximum jumping height and the maximum power, force and velocity during one-legged vertical jumps after anterior cruciate ligament reconstruction.
METHODS: Twenty-five healthy subjects (10 males and 15 females) and 25 anterior cruciate ligament reconstructed patients (10 males and 15 females) participated in this study. The isokinetic quadriceps femoris strength and one-legged vertical jumping ability were evaluated by the height, power, force and velocity in all subjects.
RESULTS AND CONCLUSION: (1) The maximum height of the one-legged vertical jumps was only significantly correlated with the maximum force in the healthy subjects (P < 0.05). (2) However, for the reconstructed and unreconstructed legs in anterior cruciate ligament reconstructed patients, the maximum jumping height was significantly correlated with the maximum power, force and velocity during one-legged vertical jumps (P < 0.05). (3) These findings suggest the importance of a knee strategy during one-legged vertical jumps for rehabilitation after anterior cruciate ligament reconstruction. Assessment of the jumping ability after anterior cruciate ligament reconstruction may be determined by the maximum power instead of the maximum jumping height.

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

Key words: Anterior Cruciate Ligament, Vertical Jumps, Acceleration, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

谢地，陈卉芳，亓建洪，刘海斌，高锋，朱振华，杨文宁. 膝前交叉韧带损伤后垂直起跳能力评价：运动力学指标的有效性[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(51): 7648-7653.

Xie Di, Chen Hui-fang, Qi Jian-hong, Liu Hai-bin, Gao Feng, Zhu Zhen-hua, Yang Wen-ning . Validity of kinetic factors on evaluating the vertical jumping ability after anterior cruciate ligament reconstruction[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(51): 7648-7653.

图/表（结果） 2

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引言

在运动人群中前交叉韧带损伤的发病率很高。在相同的体育运动中，前交叉韧带损伤的女青少年比男青少年要多。在美国，估计每年有38 000名女性运动员前交叉韧带损伤^[1]。前交叉韧带损伤后患者常有膝关节的不稳定，膝关节不稳定的复发常导致膝关节炎的早期发展^[2]。为了预防膝骨性关节炎，医院里频繁使用前交叉韧带重建手术。

临床上，不但使用肌肉力量测试评估前交叉韧带重建后膝关节的功能，而且也频繁使用功能性测试。闭链运动如垂直起跳测试已经用来评估前交叉韧带损伤患者下肢的力量和功能^[3-6]，并且应用它去识别前交叉韧带损伤患者健侧和患侧的不同^[7]，通常将弹跳测试时健侧和患侧在力量和功能上大约不到10%的差别作为能返回赛场的标准^[8]。

垂直弹跳能力的评价通常只限于高度测量，以前的研究已经显示膝伸肌的肌力和垂直起跳高度有显著相关^[9-10]。然而，在某些情况下，尽管股四头肌的肌力已经恢复，但是单腿垂直起跳能力并没有恢复^[11-12]。先前文献已经确认运动力学因素对膝损伤患者的垂直起跳能力有贡献^[13-14]，因此，包括运动力学因素在内的测量参数可能会为患者的垂直起跳能力提供一个较好的评估。

运动力学因素，如功率、力量和速度可以为评价人体的负载和压力提供有用的信息^[15]。一些研究人员已经调查了用测力台测量垂直起跳中地面反作用力的可靠性。他们得出结论，单腿垂直起跳期间所测量的力峰值是可靠的，并可能成为下肢功能评价的一种替代方法^[16]。垂直速度通过垂直加速度的时间积分来获得^[17]；功率就是工作量的变化率，另一种表示方法是力量和速度的乘积；最新研究发现肌肉力量和垂直起跳阶段的速度、力量以及功率之间呈正相关^[18]。作者认为，功率、力量和速度可以评估身体的负负荷和压力，并可能成为评价单腿垂直起跳能力的一个较好的指标。

然而，迄今为止只有极少数的研究比较了患者和健康人单腿垂直起跳时的最大高度、最大功率、最大力量以及最大速度的差异。并且，还没有完全阐明单腿垂直起跳时最大弹跳高度和最大功率、最大力量以及最大速度之间的关系。因此，研究的目的是确定：①前交叉韧带重建患者重建侧单腿垂直起跳时的最大弹跳高度、最大功率、最大力量以及最大速度的下降程度；②前交叉韧带重建患者重建侧和非重建侧及健康受试者的优势侧单腿垂直起跳时最大高度和最大功率、最大力量、最大速度之间的关系。研究假设重建侧单腿垂直起跳时将显示最大功率、最大力量和最大速度的降低，并且最大弹跳高度和最大功率、最大力量以及最大速度之间没有显著的相关。

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材料方法

1 对象和方法 Subjects and methods

1.1 设计病例-对照。

1.2 时间及地点试验于2016年1月在日本广岛大学完成。

1.3 对象 25名健康受试者(男10名，女15名)和25例前交叉韧带重建6-12个月的患者(男10例，女15例)参与研究。研究方案通过了所在机构伦理审查委员会的批准。

1.3.1 患者纳入标准所有的前交叉韧带重建患者经历了重建材料为腘绳肌(半腱肌/股薄肌)的相同的手术过程。参与研究前，所有受试者提交了知情同意书。

1.3.2 患者排除标准重建材料为髌韧带或人工韧带的前交叉韧带重建患者、复合韧带损伤及其他运动骨关节系统损伤患者。

1.4 方法

1.4.1 肌力测试利用BIODEX系统III(BIODEX公司，USA)测量股四头肌肌力(图1)。要求受试者坐在BIODEX座椅上主动伸腿。记录肢体的质量用于重力校正。收集数据之前，受试者尽自己最大努力进行至少4次重复练习。测量4次角速度为60 (°)/s时的峰力矩值，最大值用体质量调整，并且用作股四头肌肌力的测量指标。测量健康受试者的优势侧(常用于踢足球的一侧腿^[19])和前交叉韧带重建患者的重建侧、非重建侧的肌力。

1.4.2 垂直起跳能力的测试测试前，受试者接受垂直起跳测试的指导，给予受试者足够的时间来熟悉测试的过程，并让他们在专业人员的直接监督下进行练习。利用MYOTEST系统(图2)来评估受试者的垂直起跳能力。MYOTEST系统是一种可以把感应器连接到腰带上的加速度计，可用于测量起跳时的垂直加速度。MYOTEST系统可将将速度转换成功率(W)、力量(N)和速度(cm/s)来表示。受试者的体质量将功率和力量标准化。

单腿垂直起跳测试的初始姿势是垂直下蹲，双手置于腰部，以减少任何助力(图3)。要求受试者立刻向上跳以达到最大的弹跳高度。为了预防再受伤，要求两脚同时落地。在测量过程中，受试者的手始终保持放在他们的腰上。受试者进行两三次的练习之后再记录数据，比较练习和测试时的跳跃高度。采用测试时起跳高度达到最大时的数据。

1.5 主要观察指标最大力矩，最大跳跃高，最大功率，最大力量，最大速度。

1.6 统计学分析利用统计软件包社会科学版12 (SPSS Inc)分析所有的统计数据。获取的描述性统计包括x(_)±s。使用配对样本t 检验比较前交叉韧带重建患者的重建侧和非重建侧的生物力学参数及起跳高度。通过独立样本t 检验，比较前交叉韧带重建患者的重建侧或非重建侧和健康受试者的优势侧的生物力学参数及起跳高度。考虑到多个因素，确定显著性水平为P < 0.05/3= 0.017。用皮尔森相关系数检测起跳高度同生物力学参数之间的关系，显著性水平为P < 0.05。用组内相关系数(ICC(1.1))来评价MYOTEST系统评估单腿垂直起跳能力的再现性。

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讨论

有研究表明，角速度为60 (°)/s时测得的前交叉韧带重建术后重建侧的股四头肌肌力与非重建侧相比显著低下^[11^，^20]。基于以上研究，作者测量了角速度为60 (°)/s时的股四头肌肌力。Gustavsson等^[3]报道健康受试者两侧下肢的功能没有明显差异，但前交叉韧带重建患者的重建侧和非重建侧有显著差异。本研究中所有健康受试者的右侧为其优势侧。

研究测量了单腿垂直起跳时的最大功率、最大力量、最大速度，还有最大弹跳高度。在大多数社会科学研究论文中，再现系数为0.80或者更高是“可信赖的”^[21]。在本研究中所有参数的ICC值均在0.80以上，表明跳跃高度、功率、力量和速度的测量具有信赖性。

单腿垂直起跳需要臀大肌、腘绳肌收缩使髋关节伸展，股四头肌收缩使膝关节伸展，腓肠肌收缩使踝关节跖屈。要求受试者跳的尽可能高。单腿垂直起跳过程中髋关节的伸展或踝关节的跖屈可能补偿膝关节伸展功能的缺陷^[22]。此外，髋关节伸展是垂直速度的主要贡献者，因为它增加了髋关节的垂直速度^[17]。为了达到最大跳跃高度，患者可能会改变他们的垂直起跳策略去创造更快的速度。据推测，运用髋关节伸展或踝关节跖屈的战略而不是膝伸展的战略做单腿垂直起跳，跳跃高度和速度是相助相关的。

健康受试者的优势侧只有最大力量和最大弹跳高度是显著相关的。健康受试者可以使用较强的力量去获得最大跳跃高度。可以理解当使用过多的力量时速度是不能增加的，这必定影响功率的大小，也就是说当力量最大时功率不一定也最大。

前交叉韧带重建患者重建侧的最大股四头肌肌力是健康受试者优势侧的65.3%。尽管已经进行了康复治疗，前交叉韧带损伤患者损伤侧持续的股四头肌肌力低下似乎很常见，并且肌肉功能的缺损可能持续到前交叉韧带重建术后长达18个月^[16]。单腿垂直起跳时前交叉韧带重建患者非重建侧的最大弹跳高度、功率、力量和速度分别为健康受试者优势侧的80.4%，66.4%，86.1%和75.4%。单腿垂直起跳时髋关节伸展或踝关节跖屈的补偿作用可能产生较高的跳跃高度，较快的跳跃速度。然而，由于力量的影响，功率不能达到一个较高的值。单腿垂直起跳时达到最大功率、力量和速度时的时间是不同的。前交叉韧带重建患者较差的协调性也可能影响单腿垂直跳跃时的功率。因此，最大功率可能是评估前交叉韧带重建患者跳跃能力的一个较好的指标。

评估前交叉韧带重建术后6至12个月患者的运动功能，可知前交叉韧带重建术后6个月和12个月时肌力是不同的。此外，研究没有按康复的水平和肌力对患者进行分类或排除。这些方面可能影响了实验的结果。将来，应通过肌肉力量对患者进行分类，并比较单腿垂直起跳时的最大功率、力量和速度。

在研究中，作者分析了单腿垂直跳跃动作的运动力学因素。不同的跳跃策略可能是产生单腿垂直弹跳时前交叉韧带重建患者的重建侧和非重建侧以及健康受试者的优势侧的最大跳跃高度、最大功率、力量和速度之间的相关性差异的原因。目前的研究结果已经表明，在单腿垂直跳跃动作的康复训练中膝伸展战略的重要性。此外，Castanharo等^[23]报道前交叉韧带重建2年后，尽管跳跃的高度相同，但重建侧膝关节的最大功率比非重建侧低13%。前交叉韧带重建后垂直跳跃能力的评价中，最大功率可能是比最大弹跳高度更好的指标。本研究的数据可以改善之前对前交叉韧带重建后恢复的预测，从而指导术后康复。

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