本文是一篇医学论文，本研究探讨步长和落地方式对羽毛球运动员左前场蹬跨动作膝关节运动表现的影响，分析三种蹬跨动作中胫股关节的6自由度运动运动特征、动力学特征及膝关节肌群激活特征，可为运动员的专业训练提供一定的理论参考。同时，本研究也存在一定的局限性。
1.前言
1.1 研究背景
羽毛球运动在我国开展广泛，较为普及。同时羽毛球运动也是一项高技巧的竞赛项目，2006年起国际羽联全面推行21分每球得分制，同以往15分赛制相比，新赛制下羽毛球单场比赛的时间缩短了四分之一，比赛节奏明显加快、比赛强度增大，运动员多次进行极限蹬跨以在短时间内完成击球[1]，同时不断进行变向、折返和制动，重复多次蹬跨、不停地跑动会对膝关节造成较大的冲击，较大的负载作用于下肢增大膝关节受伤的风险[2]，长期承受剧烈载荷可能导致膝关节的过度使用[3]，蹬跨触地时较高的垂直和水平冲击力会对下肢韧带产生较大的关节力矩[4]，可能诱发髌腱挛缩和前交叉韧带损伤[5]。研究发现，与其他方向的蹬跨步相比，左前场蹬跨步中全足和足跟区域具有更高的垂直地面反作用力、更高的负荷率和更大的足底压力[6]。运动员快速重复进行左前场蹬跨时，下肢可能会承受更大的负荷，触地时产生的剧烈冲击有可能导致下肢关节损伤。
步长和落地方式是影响运动员蹬跨步中膝关节负荷的重要因素，了解不同步长、不同落地方式蹬跨时膝关节的运动特征十分重要。前人分别研究了1.5倍下肢长[6]，2.5倍下肢长[7-8]，3倍下肢长[9]及个人极限距离[1， 9]蹬跨时下肢关节的运动学和动力学特征，但不同步长蹬跨时膝关节运动特征是否存在差异、存在何种差异目前仍不清楚，不同步长蹬跨时膝关节内部骨结构的三维动态运动亦未知。关于羽毛球运动员蹬跨步中不同的落地方式，目前尚未发现相关报道，而落地方式的不同将直接影响触地时下肢所承受的负荷，过大的负载是诱导关节损伤的直接因素。因此，获取不同步长、不同落地方式蹬跨步中膝关节的运动特征尤为重要，对于认识蹬跨步中运动员的膝关节损伤、加强损伤的预防具有重要意义。分析不同步长和不同落地方式蹬跨时膝关节的六自由度运动、动力学特征和肌肉激活特征，进一步了解步长和落地方式对蹬跨动作的影响十分必要，进一步为运动员预防损伤、促进运动健康及提高成绩提供理论指导。
1.2 研究目的与意义
本实验基于胫股关节6自由度特征研究羽毛球运动员左前场蹬跨步中步长与落地方式对膝关节运动特征的影响，通过分析羽毛球运动员蹬跨时胫股关节的6自由度运动，揭示蹬跨过程中运动员膝关节骨性结构的三维动态变化，利于精确分析羽毛球运动员蹬跨步中膝关节的运动表现。通过分析两种步长、两种落地方式蹬跨时运动员胫股关节的运动学特征、动力学特征及肌肉激活特征，比较不同步长、不同落地方式蹬跨步中膝关节运动特征的差异，探讨步长与落地方式对膝关节运动表现的影响，了解不同条件蹬跨时出现膝关节损伤的风险因素，期望为羽毛球运动员的专项训练及预防损伤提供理论参考。
2. 文献综述
2.1 胫股关节的结构与六自由度运动
膝关节——人体全身最大、结构最复杂的关节，由股骨的远端、髌骨和胫骨的近端构成，其结构上包括胫股关节和髌股关节。其中胫股关节是膝关节的主要构成部分，由股骨的内外侧髁与胫骨的内外侧髁构成。膝关节关节囊内外有许多辅助结构加强其稳固性，其中前交叉韧带（Anterior Cruciate Ligament，ACL）和后交叉韧带（Posterior Cruciate Ligament，PCL）起着重要的作用，分别能限制胫骨的前移和后移，并能调整膝关节的旋转复位。在股骨内外侧髁的关节面间有两块纤维软骨板，呈半月形，即膝关节半月板，其中内侧半月板较大，呈“C”形；外侧半月板较小，呈“O”形，半月板同股骨髁一同对胫骨作旋转运动，可增大膝关节的运动范围，同时纤维软骨具有一定的弹性，可缓冲外力对关节的冲击和震荡[10]。
胫股关节对于膝关节的功能十分关键，同时也是人体站立和行走的主要功能关节。胫股关节的运动较为复杂，包括屈伸及水平面上的旋转。有学者提出，胫股关节的屈伸是滚动和滑动的复合运动，通常认为0°~20°属于滚动，20°以上属于滑动。膝关节屈曲时胫骨发生内旋，伸直时胫骨发生外旋，在屈曲至完全伸直的最后20°，股骨发生内旋，膝关节完全伸直后旋转即停止，称为膝关节的“扣锁机制”，此机制与股骨髁的形态、关节屈伸时滑动向滚动的转换及关节韧带的约束等因素密切相关[11]。而唐纳德·A.诺伊曼则提出膝关节完全伸直的最后30°时出现股骨的旋转[12]。目前认为胫股关节可进行6自由度运动（Degrees Of Freedom，DOF），Grood和Suntay提出描述胫股关节的运动时，胫骨相对固定作为参照，然后建立胫骨三维坐标系，X轴位于胫骨前后冠状面的中线，Y轴位于胫骨矢状面正中线，Z轴位于胫骨表面的水平面[13]。因此，将胫股关节的6DOF运动描述为股骨相对于胫骨的内外移、股骨相对于胫骨的前后移和股骨相对于胫骨的上下移，股骨相对胫骨的屈伸、股骨相对于胫骨的内外翻和股骨相对于胫骨的内外旋。了解胫股关节的六自由度运动特征对于深入分析膝关节的生物力学表现、探讨膝关节的损伤风险及预防损伤具有重要意义。
2.2 胫股关节运动的研究方法
2.2.1 医学影像学检查
影像学图像具有客观、直接及量化的特点，利于分析关节形态特征、评估软组织损伤和关节退变，对于膝关节疾病的诊断及鉴别诊断具有重要意义。常见的影像学方法主要包括X线平片、电子计算机断层扫描（Computed Tomography，CT）、磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）、超声（Ultrasound，US）、关节造影（Arthrogram）和关节镜检查（Arthroscopy），其中X线平片常用于诊断骨质破坏和骨折，CT用于观察关节三维结构、关节面骨折情况和移位情况，MRI用于观察脂肪、韧带等软组织结构变化，超声检查可显示膝关节韧带轮廓和结构、诊断肌腱断裂和其他肌腱病理改变，关节造影和关节镜分别通过注射造影剂后利用X光和内镜直接观察关节内部，但二者为有创检查。常规MRI扫描仪空间不足，接触病人较困难，且无法负重。目前，MRI扫描仪已被设计成具有接近患者的空间，允许在扫描领域内进行各种干预，即开放式核磁扫描仪（open access MRI）。开放式磁共振成像系统可在介入治疗时提供高质量的图像，改善治疗过程中患者的舒适度，同时扩大了适用人群[14]，但目前高场强的MRI扫描仍需在平卧位下进行，因此仍无法获取负重位下膝关节的运动。此外，X线立体摄影测量分析法对于关节假体设计和开发研究意义重大[15]，已成为检测假体稳固性的重要工具。
3. 研究方法 ........................................... 7
3.1 研究对象 ...................................... 7
3.2 实验仪器 ............................... 7
4. 研究结果 ............................................... 17
4.1 不同蹬跨步中膝关节的运动学特征 ......................................... 17
4.1.1 不同动作阶段胫股关节6自由度运动的比较 ........................... 17
4.1.2 不同特征时刻胫股关节6自由度运动的比较 .............................. 17
5. 讨论 ....................................... 28
5.1 不同蹬跨动作中胫股关节运动学的差异 ......................... 28
5.1.1 步长对胫股关节6自由度运动的影响 ......................... 28
5.1.2 落地方式对胫股关节6自由度运动的影响 ......................... 30
5. 讨论
5.1 不同蹬跨动作中胫股关节运动学的差异
5.1.1 步长对胫股关节6自由度运动的影响
两种步长蹬跨时，触地时刻胫股关节表现为屈曲、内翻、外旋，股骨靠内移、靠后移和靠上移，不同步长和不同落地方式的蹬跨步中触地时刻胫股关节的屈曲存在显著性差异。研究发现步行中足跟触地时刻胫骨发生内旋[29]，在支撑相早期胫骨内旋逐渐增加，至对侧足趾离地后出现胫骨最大内旋，然后在支撑相中期胫骨外旋，脚趾着地后再次内旋。研究发现40cm跳台触地时，受试者股骨相对于胫骨表现为为屈曲、外翻和前移[68]，触地时胫骨早期的内外旋转具有高度的受试者特异性，在水平行走、下坡行走和下楼梯三种活动中受试者膝关节都表现出一致的内外旋转特征，但个体旋转值不等；在摆动期，受试者膝关节功能性屈曲轴外侧的前移与膝关节的伸展相关，水平行走和下楼梯动作中功能性屈曲轴内外侧的前后移为0.8~2.0mm，具有显著差异[69]。Shin等人提出触地时膝关节出现外翻、内旋或两者存在可能与ACL损伤相关[70]。
尽管目前尚未发现关于羽毛球蹬跨步中胫股关节6DOF的报道，但已有相关研究分别对膝关节动态屈曲、弓步、日常步行及跑步中的胫股关节6DOF运动展开分析。前人研究发现，弓步深蹲时屈膝角度增加，胫骨表现为前移[71] ，屈膝30°~120°时，胫骨持续内旋[72-73]。Qi发现膝关节由完全伸直到最大屈曲时，股骨的后移逐渐增加；屈膝30°~120°时，股骨相对于胫骨的后移为13.3±3.2mm，胫骨相对于股骨内旋2.1±8.2°，胫骨相对于股骨内翻4.1±3.6°[74]，这与本研究中蹬跨步制动阶段的膝关节6DOF结果相近，但前后移数据大于本研究结果，外内翻数据小于本研究结果，分析与其测试动作为静态单腿下蹲相关。Defrate等人发现静态弓步下屈膝角度增加时，出现胫骨前移，胫骨内翻[75]；膝关节在由完全伸直到屈曲90°过程中，胫骨相对于股骨最大外移3.9±1.9mm、后移3.2±3.0mm；随着屈膝角度的增加，胫骨内旋增加，屈膝90°时，胫骨出现最大内旋为8.0±4.5°；由完全伸直到屈膝30°时，胫骨出现最大下移，为28.5±4.2 mm，此实验中上下移结果与本研究相近，前后移结果比本研究测试结果大，内外翻结果比本研究测试结果小，其测试动同样为静态单腿下蹲。Wang等人发现跑步落地缓冲时，股骨相对于胫骨外旋2.5±1.5°、前移2.9±1.3mm以及上移30.7±1.3mm，前后移结果小于本研究结果，上移结果略大于本研究结果，分析与其测试动作为10km/h的跑步动作相关[76]。
6. 结论
（1）两种步长蹬跨时，与1.5倍下肢长蹬跨相比，极限蹬跨时膝关节的屈曲和内翻均显著增加，特征时刻股骨相对于胫骨的屈曲、内翻及后移显著增加，可能使膝关节同时承受前移剪切力和内翻力等载荷；极限蹬跨时的垂直地反力显著增大，这可能使更大的载荷作用于膝关节；极限蹬跨时股前股后肌群均维持较强的收缩活动，过大的肌肉收缩力可能使关节承受较大负载。因此与1.5倍下肢长蹬跨相比，极限蹬跨时膝关节可能存在更高的损伤风险。
（2）两种落地方式蹬跨时，与极限蹬跨相比，极限蹬跨足外摆特征时刻下股骨相对于胫骨的后移显著减小，胫骨后移显著增大，膝关节可能承受更大的后移作用力；极限蹬跨足外摆下股后肌群和小腿前后肌群表现出较高的活动水平，而过度的肌肉收缩、过强的肌肉力量也可能会导致关节损伤。因此，在极限蹬跨中落地时足偏角增加20°后，膝关节的潜在损伤风险可能更高。
参考文献（略）