侧切落地模式和角度对下肢运动生物力学的影响

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研究目的:侧切是人体在体育运动中快速的改变方向的动作。诸多影响侧切动作生物力学的因素中,不同落地模式和角度会对膝关节产生不同的负荷,是前交叉韧带损伤的潜在风险因素。然而,关于不同侧切落地模式和角度的运动学与动力学研究还缺少统一的结论。因此本研究的目的在于探究不同的落地模式和角度在执行侧切动作时,人体的下肢生物力学相关参数的基本规律特征。研究方法:本研究招募了采用后足落地的男性球类运动爱好者20名(平均年龄为22.4±2.5岁,身高为1.74±0.8m,体重为75.2±10.5kg)。首先要求受试者运用后足落地模式以最大速度进行45°,90°,135°侧切,然后转换为前足落地模式,再向上述三个角度进行侧切。运用8台Vicon红外摄像机和一台kistler测力台同步采集受试者在侧切过程中的运动学、动力学数据,采样频率分别为200HZ和1000HZ。使用Visual 3D软件对数据进一步处理,所有数据均以平均值±标准差表示。使用SPSS 20.0软件进行统计学分析。重复性方差测量用于判断不同条件下的平均速度是否存在差异。采用配对样本T检验对不同落地模式的运动学和动力学数据进行分析。采用单因素协方差分析比较不同侧切角度的运动学和动力学数据,Bonferroni方法用于多重比较,显著性水平为p<0.05。研究结果:1.不同落地模式下的平均速度不存在显著性差异;当侧切角度增大时,平均速度降低(p<0.05)。2.关节峰值角度:分别进行45°,90°和135°侧切时,后足落地模式的屈髋、膝内翻、膝外旋峰值角度大于前足落地模式(p<0.05),而踝外翻和外旋峰值角度小于前足落地模式(p<0.05)。在进行45°或90°侧切时,后足落地模式的伸髋和踝跖屈峰值角度降低(p<0.05),而前足落地模式的屈膝峰值角度更小(p=0.035)。在进行90°或135°侧切时,后足落地模式的髋内收、髋外展,髋外旋峰值角度大于前足落地模式(p<0.05);髋内旋,伸膝,膝外翻,踝背屈,踝内翻,踝内旋峰值角度小于前足落地模式(p<0.05)。在两种落地模式下,45°侧切的髋外展、屈膝、踝内翻峰值角度低于90°或135°(p<0.05)。3.触地角度:分别向45°,90°和135°侧切时,后足落地模式的屈髋触地角度显著增高(p<0.05);而前足落地模式踝内翻触地角度显著增加(p<0.001)。踝背/跖屈触地角度在不同落地模式均处于不同的运动状态(p<0.001)。在进行45°侧切时,后足落地模式的髋内/外旋触地角度减小(p=0.015);前足落地模式的膝内/外旋触地角度也减小(p<0.001);而膝内/外翻,踝内/外旋触地角度在不同落地模式均处于不同的运动状态(p<0.05)。在进行90°或135°侧切时,后足落地模式的屈膝、膝外翻触地角度小于前足落地模式(p<0.05);膝内/外旋、踝内外旋触地角度大于前足落地模式(p<0.05);而髋内/外旋触地角度在不同落地模式处于不同的运动状态(p<0.001)。采用后足或前足落模式向45°侧切时的髋关节外展触地角度小于90°和135°(p<0.05)。4.关节力矩:在三种侧切角度下,后足落地模式的伸髋,屈膝、伸膝、踝背屈峰值力矩大于前足落地模式(p<0.05);踝跖屈、踝内翻峰值力矩小于前足落地模式(p<0.05)。向90°或135°侧切时,后足落地模式的屈髋,膝外旋,踝内旋峰值力矩小于前足落地模式(p<0.05);髋内收、膝外翻、踝外旋峰值力矩大于前足落地模式(p<0.05)。在向45°或135°侧切时,后足落地模式具有更大的髋内旋峰值力矩(p<0.05)。无论采用何种落地模式,45°侧切的髋内收、膝内翻、膝内旋、踝外旋峰值力矩小于90°或135°(p<0.05);伸膝峰值力矩大于90度和135°侧切(p<0.05)。采用前足落地时,与45°和90°侧切相比,135°侧切具有更大的髋外展峰值力矩(p<0.05)。采用后足落地时,与90°和135°侧切相比,45°侧切具有更小的踝内翻、踝外翻峰值力矩(p<0.05)4.地面反作用力:分别进行45°,90°和135°侧切时,后足落地模式的向前、向后、垂直方向的地面反作用力大于前足落地模式(p<0.05),而向内和向外方向的地面反作用力小于前足落地模式(p<0.05)。无论采用何种落地模式时,与45°和90°侧切相比,135°侧切具有更大的向后地面反作用力(p<0.05)和更小的向内地面反作用力(p<0.05)。采用前足落地模式时,45°侧切的向前和垂直方向的地面反作用力大于90°和135°侧切(p<0.05),而向外地面反作用力小于90°和135°侧切(p<0.05)。研究结论:(1)后足落地模式具有更小屈膝触地角度,这意味着后足落地模式采用“硬着地”的落地策略,主要依靠膝关节吸收冲击,这可能会增加前交叉韧带损伤的风险。前足落地模式具有较大的踝关节峰值角度与力矩,这表明前足落地模式主要依靠踝关节吸收负荷,从而增加踝关节扭伤风险。此外,前足落地模式具有更大的髋关节内旋峰值角度和触地角度,这意味着采用前足落地模式髋关节会进行更多的旋转。(2)当侧切角度角度增大时,髋关节的外展触地角度和峰值角度均增大,这可能会增加膝关节的外翻力矩,从而导致膝关节的损伤。此外,膝关节和踝关节、冠状面和水平面上的角度和力矩也随着侧切角度的增大而增大,这可能会增加膝关节、踝关节冠状面和水平面上的负荷。
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