2.2.1 研究背景

2.2.1 研究背景

2.2.1.1 人体偏利性对下肢生物力学的影响

在着陆动作的生物力学研究中，经常涉及的参数包括关节运动学参数、地面反力和肌电活动性等。在大多数双足着陆研究中，为了便于分析，研究者们通常默认为这些参数具有左右侧对称性。在一些研究中，运动学数据可通过高速摄像机获得。由于身体的遮蔽，一套高速摄像机系统只能对一侧肢体进行面内运动分析，所以在这些研究中仅能分析一侧的关节运动。虽然三维运动捕捉系统可以分析双侧肢体的三维运动，并在很多着陆研究中得到应用，但是这些研究也普遍对单侧肢体进行了测量和分析。

在多数双足着陆实验中，受试者通常被要求两只脚同时落在测力台上，所以，测量的地面反力是两只脚受到的合力。Yeow等人[15]测量了着陆动作右足的地面反力，但是没有考虑左足的地面反力。张松宁等人[16]虽然应用两块测力台分别测量了两足所受地面反力，但是在数据分析中仅采用了右足数据。同样，在研究着陆过程中肌电图的研究中，关于体侧偏利性问题依然没有得到应有的认识。

这种对人体下肢两侧差异性视而不见的做法貌似有一定道理，因为有研究者已经发现，使用左腿或使用右腿单腿着陆，二者生物力学特征差别不明显[10，15]。但是，严谨地说，这种观点并不一定适用于双腿着陆中两腿的表现。对着陆过程中人体生物力学响应的体侧偏利性缺乏充分的认识，影响我们对很多问题的正确理解。如果某些参数的确存在一定程度的非对称性，这些非对称性也许可以用来解释流行病学调查中发现的实际损伤中的一些问题。现有的研究基本上都是基于单侧数据测量的，如果某些参数的双侧差异性足够显著，那基于这些数据的结论就需要被重新审查。在临床研究中，经常使用未受伤一侧肢体作为另一侧受伤肢体的对照，或者使用不同人的不同侧肢体作为对照组进行比较研究，这样做是否具有足够的依据，也依赖于对体侧偏利性的认识。

近年来，人们对走和跑步态中的体侧偏利性的认识不断提高。事实上，在很多情况下人体下肢生物力学存在双侧差异性。Sadeghi等人[16]认为，健康成人通常善于使用右足进行能动性活动，而使用左足进行姿势平衡性活动。在临床上，患者的步态的非对称性通常伴随着许多副作用。有证据表明：强度、结构和步态生物力学上的这些双侧差异性能够提高某一侧肢体损伤的风险[17]。

目前，也有研究考虑体侧偏利性对着陆等动作生物力学的影响。例如，Wikstrom等人[10]发现，在单足跳跃着陆中动态姿势稳定性不存在显著的双侧差异性。Vander Harst等人[13]发现，在单足跳远着陆动作中，偏利侧和非偏利侧跳远距离和髋伸角具有显著性差异。但是，这两项研究都是针对单足着陆，本质上是偏利侧和非偏利侧着陆两种不同动作，而在双足着陆中所讨论的偏利侧和非偏利侧差异性所比较的本质上是同一种动作中的两侧肢体。

双足着陆是一种从表现上来说对称性动作，所以其下肢生物力学响应的体侧偏利性与下肢生理和解剖的对称性相关。关于人体下肢生理和解剖的对称性问题有很多研究，但是没有被公认的结论。有些研究认为在髋关节前倾角、Q角、膝关节松弛、舟骨沉降、后足角和胫骨扭转角等两侧没有显著性差异。但是在其他一些研究中，显著性差异存在于两侧下肢长骨长度、重量和强度，髋关节前倾、骨盆角、膝关节松弛、膝反屈、Q角，胫骨扭转角、舟骨沉降、股胫角和后足内翻角等。因此，在着陆生物力学研究过程中考虑双侧下肢的对称性或非对称性，是非常有意义的。

2.2.1.2 下肢生物力学的性别差异

男女有别，在着陆生物力学中，也是如此。在跳伞活动中，易发典型的着陆损伤，其中男女两性表现明显不同。女性跳伞者所遇到的着陆环境一般较男性更为安全。在军事跳伞中，通常是男性承担危险的作战任务，所以背负武器等荷载重量对着陆也有较大影响。另外，为执行军事任务的跳伞活动通常深入敌后，为避免敌方发现和躲避地面火力袭击，通常着陆速度非常高，而且对着陆场地选择的余地较小。但是，根据跳伞损伤流行病学调查报告，即使在较为安全的条件下，女性也更容易遭受损伤，尤其是严重损伤。更值得注意的是，与男性相比，女跳伞者更容易遭受下肢损伤。如表2-2所示，女性损伤更多源自于不正确的跳伞姿势和降落伞机械故障，而男性损伤更多源自于地面危险。

在体育活动中，女性也更容易因着陆而发生损伤。例如，在跳跃动作频繁的篮球运动中，女性的损伤概率是男性的1.6倍。另有研究发现，在参与跳跃性动作的体育项目时，女性膝关节严重损伤的概率是男性参与同项目时损伤概率的4～6倍。相对于男性，女性在着陆中使用更大的髋关节和踝关节活动度，以及更大的极值关节角速度。与男性相比，女性的膝关节伸直肌和踝关节跖屈肌表现为更大的能量吸收和最大功率。从对能量吸收贡献的分析来看，膝关节都是最为主要的能量吸收部位。其次的部位，对于女性来说是踝关节跖屈肌，而对男性来说是髋关节伸肌。因此，在着陆中女性倾向于采用更加末端的关节来吸收能量，踝关节发挥的作用对于女性来说更加重要。

Salci等人[19]比较研究了排球运动员在着陆时的下肢关节运动学和动力学的性别差异，发现：40cm高扣杀后着陆，女性的膝关节和髋关节屈曲角度比男性显著较小，40cm拦网后着陆，女性髋关节屈曲角度比男性显著较小。该研究同时揭示，在60cm拦网后着陆中，男性运动员最大膝关节伸肌力矩与女性显著不同，女性运动员着陆时地面反力较大，男性运动员的膝关节屈曲角度和大腿的肌肉强度高度正相关，而相同的关系在女性运动员身上并未发现。貌似在着陆中，女性运动员没有像男性那样较有效地利用大腿肌肉。

关于着陆损伤的性别差异，在儿童时期并未被发现，只有到了12岁以后，着陆损伤才特别偏爱女性。因此，有学者怀疑是青春期后性激素的分泌导致了女性在着陆运动中更加容易损伤。例如，Hewett等人[20]认为，女性在排卵期更加容易发生着陆前交叉韧带损伤。在着陆时，相对月经初潮前少女，月经初潮后女子最大膝关节屈曲角度降低，最大膝关节外展角度、最大胫骨旋转角度、最大膝关节外展力矩、和腘绳肌 四头肌活动性比率都有所增加，这些因素导致较大的膝关节荷载，并因此提高了其前交叉韧带在着陆中更易发非接触性损伤。

2.2.2 着陆动作实验

2.2.2.1 运动学测试

本研究招募16名青年志愿者（8名男性，8名女性）参加测试，受试者具体资料，地面反力和肌电图的采集如2.1节所述。此外，我们还应用三维运动捕捉系统对踝关节的运动轨迹进行了采集。使用Optotrak Certus三维运动捕捉系统（加拿大北方数据公司， NDI）两台位移传感器来对标志点进行跟踪捕捉。每台传感器分别包括三个摄像机，其中发光标志点标志点连接在strober上，strober再通过连接线连接在中央处理器上。同时使用Lightning RDTTM高速摄像机系统等采集的数据作为一种重要参照，验证三维运动捕捉系统采集的数据的精确性。但在结果分析中，都以三维运动捕捉系统数据为准。实验过程中采用的软件包括Optotrak Certus三维运动捕捉系统控制软件First Principles和C-motion Visual3D运动分析软件。

Optotrak Certus三维运动捕捉系统采样频率为50Hz。为便于采集数据在Visual3D软件中分析，双侧下肢小腿和足节段模型都采用Visual3D默认模型，由固定4个标志点的刚体板和数字探针共同确定。小腿建模：外髁、内髁、外踝和内踝；跟踪点为固定在小腿上的刚体板上所有点。单节段足建模：近端外侧为外踝，内侧为内踝；远端外侧为第五跖骨，内侧为第一跖骨；跟踪点则为固定在足部的刚体板上所有点。图2-6和27分别为一名女性受试者着陆动作的示意图和现场照片。

2.2.2.2 数据分析

根据关节运动参数在人体损伤因素中的重要性，本研究分析的参数包括踝关节背屈、内翻和外展运动最大角位移和最大角速度。与关节角度相比，关节角速度更快地增加到极值。在三个方向上，关节角速度在达到稳定前经历两个峰值，第一个峰值发生在初始接触后大约50～100ms，第二个峰值发生在第一个峰值后约50ms。因为第一个峰值显著大于第二个峰值，并且是在较短时间内达到，所以在分析中仅涉及第一个峰值。

地面反力的数据在每一次着陆实验中以采样频率1000Hz采集。实验测量的三个方向地面反力分别为竖直方向地面反力（vertical GRF，v GRF），前后方向地面反力（Anterior-posterior GRF，A-PGRF）和内外方向GRF（Medial-lateral GRF，M-L GRF）。每次测试所得各个方向上的力与受试者自身体重相比，进行标准化，以体重（Body Weight，BW）为单位分析。到达峰值地面反力的时间（Timetopeakv GRF， TPv GRF）作为一个重要参数，反映受试者着陆过程中的冲击时间长短，在实验过程中也进行了测量。并根据v GRF和TPv GRF计算加载速率（Rateof Loading，ROL）：

跳落着陆动作从离开平台到初始接触时刻被肌电起始反应时刻划分为两段，从离开平台到具体肌肉肌电起始反应时刻为肌电起始潜伏期（EMGonesetlatency），从肌电起始反应时刻到初始接触定义为触地前肌电持续期（Pre-landing EMGduration）。从确定高度跳落，整个空中时间（即肌电起始潜伏期和触地前肌电持续期之和）是基本确定的，所以，这两个时间段中的一个确定，另一个也随之确定。所以在本研究中，触地前肌电持续期作为一个重要分析参数。其中关键的是肌电起始反应时刻的确定。

Sidaway等人[21]应用最初高于±25m V的时刻确定股直肌的触发时间。但是，这种方法没考虑EMG活动的持续时间。在Santello和Mc Donagh[6]的研究中，幅值高于某一数值且持续10ms以上的肌电活动，可以作为肌电触发的判据。本文研究发现使用幅值高于±1.5m V且持续10ms以上的肌电活动，可以作为肌电触发的判据。如图2-8（b），下肢肌电典型活动可根据图2-8（a）中地面反力起始点时刻分为两个活动时相。前一时相为起跳前后，后一个时相即为触地前后，此相的肌电活动体现一种运动控制策略，使受试者准备吸收着陆时的冲击，维持身体稳定性。两个时相中间或有短暂肌电活动，一般高于±1.5m V的肌电活动不会持续超过10ms。由于这种肌电活动存在明显的不确定性，这种活动在分析中应该尽量规避。

取图2- 8（b）所示的原始肌电数据绝对值，进行连续积分计算，对积分肌电（Integrated EMG，IEMG）和整个积分时间段进行归一化处理，如图2-8（c）所示。积分肌电的斜率依赖于肌电信号增加的速率。归一化的积分肌电轨迹与斜率为1的参考线比较，参考线代表在着陆过程中肌电活动为常数。如果肌电短暂触发，则归一化的积分肌电斜率提高维持时间也会短暂，继而下降到正常水平，直到下一次肌电触发开始。如果肌电幅值连续增长，归一化的积分肌电斜率也会以一种连续的形式提高。其结果就是其斜率大于1。归一化的积分肌电斜率和参考线的距离d最大的时刻，被定义为肌电的初始触发时刻，这一点也是归一化积分肌电开始连续增长的起点。在这一点也意味着归一化积分肌电对归一化时间的微分大于1，所以是肌电活动性连续性积累的起点。对于肌电初始触发时刻的确定，仅需要确认肌电增长开始连续，所以短暂的肌电触发可以被忽略。