2017, Vol. 41
2. 江西科技师范大学 体育学院，江西 南昌 330013;
3. 江西省体育科学研究所，江西 南昌 330038
2. School of Physical Education, Jiangxi Normal University of Science and Technology, Nanchang 330013, Jiangxi, China;
3. Jiangxi Research Institute of Sport Science, Nanchang 330038, Jiangxi, China
大腿后肌群(腘绳肌,包括半腱肌、半膜肌、股二头肌长头和股二头肌短头)在运动中容易受伤,经常表现为快跑时的急性拉伤。大腿后肌拉伤具有不可预知性、症状持久、恢复期长等特点。在所有的肌肉拉伤类型中,大腿后肌拉伤的复发率最高[1-5]。双关节肌大腿后肌能在多个关节影响运动,所以大腿后肌的生物力学分析也很困难,判断拉伤的风险性和预防拉伤都是很大的挑战。为防止大腿后肌拉伤及改善拉伤后的康复手段,很多学者都在致力于研究大腿后肌拉伤的生物力学机制,尤其是快速跑时拉伤发生的时相。
近年来,关于快速跑时大腿后肌拉伤的生物力学机制及发生时相的研究较为活跃,但大多数研究均仅仅分析了支撑期[6-10]或摆动期[5, 11-12],对于完整步态[13-14]的研究较少,且采用的生物力学指标也较为局限。先前对于研究大腿后肌拉伤发生时相的结果大多集中于着地初期和摆动末期。
早期的研究采用了基于地面反作用力的逆向动力学方法,发现在短跑的支撑阶段,肌力矩主要使膝关节屈和髋关节伸展,且力矩的最高值均发生在着地初期,认为大腿后肌拉伤很可能发生在支撑期[6, 8-9]。近期有学者应用环节互动动力学(Intersegmental Dynamics)探讨了快速跑支撑期髋膝关节的力矩分量,发现大腿后肌群在触地初期时收缩产生屈膝力矩和伸髋力矩分别为(231.09±99.04)N·m和(453.15±199.06)N·m,外加作用于髋膝关节的外力力臂远远大于肌力臂,说明触地初期腿后肌承受极大的外力负荷,是腿后肌损伤发生的高危险期。实际上,人体每个关节周围的肌肉都是冗余的,产生同一关节力矩的单块肌肉力量组合有很多种,尤其对于跨过多个关节的多关节肌(如大腿后肌)而言,关节力矩的大小还难以直接说明单块肌肉的受力程度[15]。上述基于地面反作用力的动力学研究未能对“缺乏外力干预”(地面反作用力)的摆动期进行分析。环节互动动力学方法能将关节力矩进一步分解为关节净力矩、重力矩、肌力矩、惯性力矩和外力矩等,且魏书涛等[10, 16]在研究中也发现了惯性力矩和重力矩在高速跑的摆动期对肌肉产生重要的影响,但其研究并未从各种力矩(动力学)角度深入探讨高速跑时肌肉的损伤机制。此外,几乎所有的肌肉拉伤的实验室模仿研究发现肌肉的拉伸(肌肉或肌纤维的总的拉长量)与肌肉拉伤具有较大的相关关系。在支撑初期,髋关节和膝关节的角度变化并不大[7],说明当时大腿后肌并未被大幅拉伸。
有学者借助动作三维解析方法或建立模型量化了快速跑时下肢肌肉的长度、速度等数据,进而从运动学角度分析大腿后肌拉伤的生物力学机制。早期的研究采集了快速跑摆动期的下肢影像数据,通过下肢关节角度的变化估算了摆动期大腿后肌长度和速度变化,发现其长度峰值和速度峰值均出现在摆动末期,认为大腿后肌的拉伤时相发生于摆动末期[12, 17]。Yu等[13]对大腿后肌的起止点三维坐标进行了定义,测量了一个完整步态的右大腿后肌的运动学数据,发现大腿后肌在着地后期的离心收缩速度的峰值显著大于摆动末期,在产生离心收缩速度的峰值瞬间,着地后期大腿后肌的长度大于摆动末期(无显著性差异),故支持大腿后肌拉伤的时相可能存在于摆动末期,提示着地后期也是可能拉伤的时期,但发生概率要低于摆动末期且具有个体差异。Thelen 等[11]通过建立下肢模型,研究了在跑台上进行快速跑时摆动期大腿后肌长度和收缩速度的变化,同样发现股二头肌长头在摆动后期离心收缩,但股二头肌长头长度和力量峰值均出现在摆动末期,认为拉伤仅可能发生在摆动后期[11],但他们的数据来自于跑台上的快速跑,这和地面上快速跑时的生物力学数据存在较大的差异[18]。
少量研究采集了快速跑时完整步态下肢部分肌肉的肌电图,试图结合肌肉活化程度(力量)及运动学数据探讨大腿后肌的拉伤时相。Yu等[13]研究发现，大腿后肌在整个步态中都处于活化状态,摆动末期和着地初期的活化值是摆动初期和着地后期的活化值的2~3倍,结合该研究所展示的大腿后肌收缩性质、长度速度峰值等结果[13],认为拉伤时相主要为摆动末期。借助基于肌电图正向动力学(Muscle Activation Dynamics)的研究,发现在摆动期标准步态的70%~80%时,股二头肌长头快速活化,这种高载荷一直持续到触地前的摆动末期,股二头肌长头的长度也在此阶段达到峰值[11],此结果呼应了上述认为大腿后肌拉伤时相发生在摆动末期的研究结论。Chumanov等[14]的肌电图研究呈现了不同的结果,他们发现大腿后肌活化的峰值出现在支撑期[14, 19-20],故支持大腿后肌的拉伤时相在于支撑期的观点。事实上,肌电图主要的功能是考量肌肉发力时序及是否发力,而肌肉力量与肌电图之间并不存在线性关系。肌电图数据在反映肌力时受到肌肉收缩形式、长度、最大力量、疲劳程度等因素的影响,此外,采集肌电图信号的过程其他“噪音”也不能被完全过滤[21-22]。
基于上述讨论,本文量化短跑运动员途中跑时下肢各关节力矩分量,建立肌肉-骨骼模型并采用静态最优化估算方法将肌力矩分解为单块肌肉力量。建立下肢肌肉功能模型量化快速跑时下肢各单块肌肉的长度和速度等运动学数据,结合肌肉力量估算大腿后肌时间、功率变化,进一步分析大腿后肌力量、长度、速度、功率等肌肉拉伤危险因子的交互作用,以探讨高速跑时大腿后肌损伤时相及其内在力学机制。
1 研究对象与方法 1.1 研究对象测试对象为8名优秀短跑运动员,均为国家一级或健将级运动员,100 m跑成绩为(10.56±0.16)s,年龄为(22.4±3.2)岁,身高为(180.7±6.3)cm,体重为(74.3±5.5)kg。每周训练不少于3次,在6个月内无下肢受伤史,且确认实验前24 h内未从事剧烈运动,数据均来自于优势腿——右腿。
1.2 数据采集应用英国VICON系统(采样频率300 Hz)和瑞士Kistler测力台(采样频率1.2 kHz),严格执行上述数据采集系统的测试规范,同步采集受试者途中跑时三维动作解析及测力台数据,采集每个测试对象2次自然而准确地踏上测力台而非刻意踏上测力台导致动作变形或减速的数据。
参照单大卯[23]的文献,测量受试者骨盆、股骨、胫骨、足部及用于回归髋-膝、膝-踝关节中心距的人体骨性形态学参数。
1.3 建立模型(1) 肌肉-骨骼模型:建立4个刚体(躯干、大腿、小腿和脚)下肢肌肉-骨骼模型,其中的髋、膝、踝关节均为1个自由度的关节,选取臀大肌、股直肌、骼肌、股四头肌群、股二头肌长头5块单关节肌和股二头肌短头、半膜肌、半腱肌、比目鱼肌、腓肠肌和胫骨前肌等下肢主要的11块骨骼肌。因各关节周围的骨骼肌个数远大于各关节的自由度个数而导致未知数多于方程数,故优化求解方法是解决这一问题的有效途径。
(2) 环节互动动力学模型:以经典的环节互动动力学方程[24]为基础,设计程序并量化下肢3个环节间的肌肉力矩、外力矩、惯性力矩等力矩分量及各环节间动力的相互作用。探讨各分力矩对动作的作用,分析一个环节的运动对另一个环节运动的相互作用关系[10, 16]。
(3) 下肢肌肉功能模型:将肌肉在不同环节坐标系中所表达的起止点(或代起止点)的坐标转换到肌肉起点所在环节坐标系中,根据前人通过尸体解剖所计算的回归方程,建立了下肢肌肉功能模型和下肢肌肉功能评定软件[23, 25]。
(4) 优化模型:选取度量肌肉疲劳的肌肉应力平方和最小化作为目标函数,在满足下肢关节运动时的关节力矩方程之外,以单块骨骼肌的应力值不超过其生理极值作为模型的约束方程。模型中所涉及的各单块肌肉的解剖横截面积和最大力量值分别参考Sofia[26]和Richard等[27],各肌肉相对于各关节的力臂数据出自下肢肌肉功能评定软件[25]。采用静态优化求解方法:调用Matlab语言工具库中的fmincon函数,设置为中尺度序列二次规划拟牛顿线性搜索算法,以目标函数误差值≤10-10 作为迭代求解精度,迭代停止次数确定为 105。
1.4 数据计算及处理过程采用V3D软件建立下肢模型,对运动学数据进行优化处理且量化各关节二维运动学数据。将优化的二维运动学数据及动力学数据输入下肢互动动力学模型计算各关节力矩分量。
将各受试者个体的下肢骨性形态学参数及快速跑时下肢运动学参数输入下肢肌肉功能模型,分别计算受试者快速跑时下肢各主要肌肉对于各关节力臂值、单块肌肉长度、速度、加速度等运动学数据。
采用前期研究所确立的优化模型,结合下肢动力学数据(主要为肌力矩)及各肌肉伪力臂等肌肉功能参数,建立优化方程并设定目标函数及求解方法,估算快速跑时下肢各单块肌肉的应力变化。
以各单块肌肉的肌肉应力与其收缩速度的乘积作为下肢各单块肌肉单位面积功率。将一个完整步态中单块肌肉的单位面积所做正功和负功的总和作为正功和负功积累[22]。本文定义:收缩速度为负值时,肌肉离心收缩,故单块肌肉单位面积功率为正值代表肌肉向心收缩做正功,单位面积功率为负值则相反。
1.5 统计学方法数据的表达方式为平均值±标准差,所有数据资料用SPSS13.0软件进行统计分析,采用独立样本t检验分析各阶段不同肌肉间对于各参数的影响,显著性水平α设为0.05。
2 研究结果受试者步长为(1.91±0.34)m,支撑时间和腾空时间为(0.11±0.01)s和(0.16±0.03)s。
图 1、图 2的横坐标为标准化后一个步态周期的百分比。本文将受试者完整步态分为3个时期(支撑期、摆动前期和摆动后期),支撑期和摆动前期临界点为总时间的17.7%,摆动前期和摆动后期的临界点为总时间55.1%(大腿竖直摆在重心垂线位置)。其中,角速度为正代表伸展关节(其中踝关节为背屈),为负代表屈曲关节(其中踝关节为跖屈)。
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图 1 某受试者髋、膝和踝关节角度和角速度 Figure 1 The curve of angle and angular velocity of hip, knee and ankle joint for one subject |
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图 2 某受试者完整步态中髋关节、膝关节和踝关节肌力矩 Figure 2 The curve of muscular moment of hip,knee and ankle joint during the whole gait for one subject 注:肌力矩为正值代表该力矩的功能为伸展髋膝关节(踝关节为背屈);反之,肌力矩为负值代表屈曲髋膝关节(踝关节为跖屈) |
股二头肌长头在摆动末期(标准步态80%左右)的长度到达最长,此后,股二头肌长头向心收缩直至支撑期结束,到摆动前期(标准步态45%左右)时出现一个拐点,肌肉开始离心收缩,其长度波峰分别出现在摆动末期和着地瞬间,整个步态的长度百分比峰值(113.3%±3.4%)出现在摆动末期(图 3,表 1)。股二头肌长头在整个步态中维持较高的速率水平,但其在摆动末期和整个支撑期均表现为向心收缩。股二头肌长头的肌应力在一个步态周期里出现了多次波峰。在着地瞬间,出现一次冲击波式的肌力突然增大(a点)。在随后的整个支撑中期,在较高的水平上波动且出现波峰(b点),直至支撑后期才开始下降,摆动前期一直维持在很低的应力水平。摆动后期先后出现2次应力波峰(c、d点),虽a点和d点的应力值无显著性差异,但均显著高于b点和c点(图 3,表 1)。支撑期和摆动期下压阶段,股二头肌长头一直处于做正功(向心收缩)的高功率值状态并达到整个步态做正功的功率峰值。在摆动后期离心收缩阶段,股二头肌长头发力做负功以控制屈髋和伸膝动作。做正功的单位面积功率峰值出现在支撑期的触地初期,做负功的单位面积功率峰值为(-202.819.6)W/cm2(图 3,表 1),出现在摆动后期的开始阶段。
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图 3 某受试者股二头肌长头长度、收缩速度、肌应力及单位面积功率 Figure 3 The curve of normal length,contraction velocity, muscular stress,power per unit area of BFLH for one subject |
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表 1 受试者股二头肌长头应力波峰值时肌肉长度、速率及收缩性质比较 Table 1 The comparison between muscular length,velocity,contraction features at the phase of stress peak of BFLH for one subject |
研究结果显示,3块肌肉的应力及单位面积功率变化曲线较为相似(图 4)。其中股二头肌长头长度峰值、应力峰值、做正功和负功时的单位面积功率峰值均显著大于半膜肌和半腱肌。在一个完整步态中,股二头肌长头所做单位面积负功总量(负功积累)也显著高于半膜肌和半腱肌(表 2)。
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图 4 某受试者完整步态股二头肌长头、半腱肌、半膜肌长度、应力及单位面积功率 Figure 4 The curve of length,stress and power per unit area of BFLH,SLM,SEM during the whole gait for one subject |
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表 2 受试者股二头肌长头、半腱肌和半膜肌单块肌肉长度、应力及做功比较 Table 2 The comparison of length,stress and power of BFLH,SLM,SEM for all subjects |
关于肌肉拉伤的影响因子,肌肉拉伤的实验室模仿研究发现,肌肉的拉伸(长度)与肌肉拉伤具有较大的相关关系[28-29]。在大腿后肌所有高负荷(高应力)时刻(图 3应力曲线中的a、b、c、d点),唯有摆动期c点和d点阶段时处于离心收缩状态(图 3)。摆动期中间阶段c点时,髋关节正处于持续屈曲且膝关节处于持续伸展状态(图 1),故大腿后肌被拉伸表现为离心收缩。Proske等[30]对离心收缩后肌肉的机械变化进行了研究,发现肌肉的离心工作是唯一能使肌肉拉伤的收缩形式。
事实上,肌肉长度和离心收缩也并不是肌肉拉伤的唯一风险因子,如缓慢的肌肉牵张练习基本上不可能引起拉伤[31],但即使肌肉的长度变化保持一致,如拉伸速度增加时,却大大增强了肌肉拉伤的风险[32],故Brooks等[32-33]指出,肌肉应力和拉伸速度的乘积是肌肉拉伤的重要指标。本文通过环节互动学分析发现,在摆动期,影响下肢动作的外力矩主要为惯性力矩[16]。在整个摆动后期,惯性力产生的分力矩使髋关节屈曲,而控制膝关节动作的大腿后肌肌力矩相应使髋关节伸展(图 2)。惯性力对膝关节产生的力矩为屈髋力矩,达到步态标准时刻的60%~65%,惯性力矩继续产生屈髋力矩,但惯性力对于膝关节产生的屈膝力矩转换为伸膝力矩,起控制膝关节动作作用的大腿后肌肌力矩则由伸膝力矩快速转变为屈膝力矩[16]。此时,伸髋屈膝肌大腿后肌快速激活以对抗惯性力矩产生的屈髋伸膝力矩,故应力快速升至(21.76±2.58)mPa(图 3应力曲线c点)。此时,大腿后肌处于快速离心收缩阶段,故产生了整个步态中做负功的单位面积功率峰值(股二头肌长头做负功的功率峰值分别为(-202.8±19.6)W/cm2、(-184.7±17.4)W/cm2和(-90.3±13.3)W/cm2,(图 3、4,表 2)。Anthony等[22]研究展示的股二头肌长头收缩速度及功率曲线与本研究结果类似,但作者未对此阶段拉伤风险加以讨论。大腿后肌在摆动期中间阶段高速离心收缩下产生的快速激活而处于单位面积做负功的功率高峰,导致被拉伤的可能性极大。
3.2 摆动末期Yu等[13]和Wood等[17]研究了快速跑时大腿后肌的长度和速度变化,发现在快速跑的着地后期和摆动末期大腿后肌快速离心收缩,导致其拉伤。研究还发现肌肉长度的峰值也出现在摆动末期,且收缩速度峰值出现的时间也在摆动末期[12-13, 17],显著高于支撑期长度峰值[22]。故以上研究均认为拉伤最可能发生在摆动末期。本文通过下肢肌肉功能模型量化出快速跑时单块肌肉长度速度变化结果显示,大腿后肌在摆动末期(标准步态80%左右)和支撑期着地瞬间出现长度波峰,但整个步态的长度峰值出现在摆动末期(图 3,表 1),和上述研究结果相似。
本文中大腿后肌在整个步态中一直维持较高的收缩速度,但高速离心收缩阶段主要在标准步态的40%~80%的摆动期中间阶段,其他时期主要表现为向心收缩(图 3,表 1)。此外,Griffiths等[34]建立动物模型,发现肌肉在负荷较小情况下被动拉伸时所储存的能量主要是被肌腱吸收,肌纤维有时保持等长收缩甚至缩短。Fukunaga等通过对人体运动时腓肠肌的超声影像分析发现了同样的结果。在快速跑摆动末期,大腿后肌肌腱能否像机械弹簧一样吸收和释放能量而降低肌纤维的拉伸长度从而防止大腿后肌纤维的拉伤？故仅以拉伸长度和收缩速度判断快速跑时大腿后肌拉伤的时相还具有一定的局限性,还应考量肌肉在被拉长情况下快速离心收缩时的肌肉负荷。有研究采集了快速跑时大腿后肌整个步态的表面肌电图,发现大腿后肌在整个步态中均表现为较高的活化状态,摆动末期和着地初期的激活程度远远高于其他时期的激活程度[13]。Thelen等[11]通过基于肌电图的正向动力学仿真出跑台上快速跑时完整步态的肌肉力量,发现大腿后肌的力量峰值出现在摆动末期,与Anthony等[22]的研究结果类似,均支持大腿后肌拉伤时相为摆动末期。本文量化快速跑时下肢单块肌肉应力,发现在摆动末期和着地瞬间出现应力波峰(图 3肌肉应力曲线d点和a点)分别为(22.87±1.91)mPa和(21.25±3.71)mPa(两者无显著性差异,表 1),且显著高于其他时刻的应力峰值(如b点和c点,图 3)。综合本文的结果,虽未得出大腿后肌的速度峰值(尤其是离心收缩的速度峰值)出现在摆动末期,但大腿后肌长度和应力的峰值均出现在摆动末期(标准步态80%左右,图 3),且在长度峰值之前的摆动后期,大腿后肌一直处于离心收缩状态,故本文认为摆动末期存在大腿后肌拉伤的可能性。
3.3 着地初期也有学者认为,快速跑时大腿后肌拉伤时相主要为支撑期,其中大多数研究基于地面反作用力的逆向动力学方法,量化了快速跑时下肢各关节的肌肉力矩[6, 8-10]。结果显示,着地后支撑腿要抵抗瞬间可达体重数倍之多地面反作用力冲击,大腿后肌群产生屈膝力矩,此肌力矩从摆动末期持续到支撑初期[6, 8-9]。在触地初期,外力产生伸膝外力矩和屈髋外力矩,双关节肌大腿后肌被激活产生屈膝力矩和伸髋力矩以抵消这一外力力矩并使髋关节伸展和膝关节持续屈曲,说明触地初期大腿后肌需抵抗极大的外力矩[10],故认为这是大腿后肌发生拉伤的高风险期。然而,考虑到大腿后肌同时受髋、膝关节的影响,同时还有其他很多冗余肌肉共同穿过髋、膝关节,其单块肌肉力量与下肢各关节力矩间还不能画上“等号”。
此外,此研究仅仅分析了支撑期而且对于大腿后肌的收缩性质也未进行探讨。Yu等[13]的采集了快速跑完整步态的肌电图,研究虽发现大腿后肌在着地初期和摆动期一样处于较高的激活状态,但此时的收缩性质为向心收缩,不赞同着地初期容易导致大腿后肌拉伤的观点[13]。本文通过肌肉-骨骼模型优化出来的应力值也得出了类似的结果,大腿后肌在着地瞬间出现了较大波峰(图 3 a点),显著高于其他时间点的应力值。此外,大腿后肌在着地瞬间已被很大程度地拉伸(达到静息长度的108.3%±2.5%,图 3长度百分比曲线)。从本研究结合应力和速度的单位面积功率(图 3单位面积功率曲线)看,大腿后肌在着地瞬间快速收缩做正功,达到整个步态做正功的单位面积功率峰值,为(201.9±34.8)W·cm-2(表 1)。虽然着地初期大腿后肌在被极大拉伸的情况下快速做功,但其所表现出的向心收缩状态(做正功,图 3收缩速度曲线)仍使其被拉伤的风险较低。
3.4 大腿后肌各单块肌肉力学特征大腿后肌的拉伤多数发生在股二头肌长头,通过对170名大腿后肌拉伤运动员的影像进行分析后发现,有近80%的大腿后肌拉伤与股二头肌长头有关。本文结果所显示的大腿后肌群中的各单块肌肉在完整步态中的长度速度曲线很相似(图 4),股二头肌长头长度峰值和离心收缩速度峰值显著高于半膜肌和半腱肌(图 4和表 2),与Thelen等[11]和Yu等[13]的研究基本相同。本文通过量化对快速跑时大腿后肌群各单块肌肉的应力值后发现,3块双关节肌在支撑期和摆动末期均出现了多个应力波峰,其中股二头肌长头和半膜肌在摆动中期(标准步态60%~65%)也出现应力波峰(图 4)。无论在支撑期还是摆动期,股二头肌长头应力峰值均显著高于其他2块肌肉(图 4、表 2)。当摆动腿大腿通过重心垂线位置后(摆动后期),半腱肌、股二头肌长头和半膜肌先后产生了做负功的单位面积功率峰值(图 4),其中股二头肌长头做负功的单位面积功率峰值显著大于半膜肌和半腱肌(表 2)。此外,运动过程中肌肉的负功积累也是拉伤的重要危险因子[11],从一个完整步态中各单块骨骼肌单位面积所做负功总量看,股二头肌长头单位面积所做的负功总量为(-6.15±1.27)W/cm2,显著大于半腱肌的(-3.67±0.58)W/cm2和半膜肌的(-3.63±0.65)W/cm2,这些数据均提示大腿后肌群的拉伤易发生在股二头肌长头。
4 结束语大腿后肌在快速离心收缩状态中做负功的功率峰值阶段(摆动期中间阶段)及大腿后肌长度百分比、速度、应力的峰值几乎同时出现的阶段(摆动末期)是容易导致拉伤的时相。虽然着地初期大腿后肌在被极大拉伸的情况下快速做功而出现做正功单位面积功率的峰值,但其所表现出的向心收缩状态(做正功,图 3收缩速度曲线)仍使其被拉伤的风险较低;在一个步态周期中,股二头肌长头的峰值应力、峰值长度、做负功时单位面积的峰值功率和一个完整步态所做负功积累均不同程度显著高于大腿后肌群其他肌肉,是大腿后肌群最易拉伤的肌肉。
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