高帮球鞋对侧切时踝关节生物力学特征的作用,运动生物力学论文.docx

高帮球鞋对侧切时踝关节生物力学特征的作用,运动生物力学论文摘 要： 慢性踝关节不稳是篮球运动中常见伤病，可导致再次扭伤风险增大。高帮球鞋是预防扭伤的常用手段，但能否对踝关节不稳者具有防护作用仍不明确。确定鞋帮高度对有、无慢性踝关节不稳者侧切时踝关节生物力学特征的影响。选取13名慢性踝关节不稳者和13名对照者分别穿着高、低帮球鞋进行45°侧切变向动作，通过红外运动捕捉系统和测力台采集踝关节运动学和动力学数据。慢性踝关节不稳者和对照者穿着高帮球鞋侧切时最大踝内翻角、最大踝内翻角速度和踝内翻活动幅度均小于低帮。高帮球鞋在一定程度上可提高踝关节侧向稳定性和降低扭伤风险，且对慢性踝关节不稳者与正常者均具有一样的防护效果。 本文关键词语 : 慢性踝关节不稳;鞋帮高度;侧切变向;踝关节韧带;损伤风险; Abstract： Chronic ankle instability(CAI) is the most common injury in basketball, which could lead to high risk for recurrent ankle sprains. High-top shoes are commonly used to prevent ankle sprains, but it is still unclear whether they have a protective effect on CAI. The effects of shoe collar height on ankle joint kinematics and kinetics during side-cutting task in individuals with and without chronic ankle instability should be determined. Thirteen participants with CAI and 13 healthy control participants wore high-top and low-top basketball shoes performed side-cutting task, ankle kinematics and kinetics data were collected by using motion capture system and force platform. Wearing high-top shoes resulted in smaller peak ankle inversion angle, perk ankle inversion velocity and total range of inversion during side-cutting task for both CAI and control groups. Wearing high-top basketball shoes could improve the lateral stability and reduce the risk of ankle sprains for both individuals with and without CAI. Keyword： chronic ankle instability; shoe collar height; cutting; ankle ligaments; injury risk; 引言 踝关节扭伤是日常生活和体育运动中最常见的下肢损伤。踝关节扭伤在普通人群中的发生率约为2.15人次/1000人1，在球类项目中发生率更高层次，如篮球运动中可达15.3%20.3%1,2。踝关节扭伤引起的疼痛、肿胀和功能障碍等异常感觉和状态虽可较快恢复，但仍有40%70%的患者会留下后遗症，发展为慢性踝关节不稳chronic ankle instability,CAI)2,3。慢性踝关节不稳的异常感觉和状态包括本体感觉和神经肌肉控制机能下降、踝关节肌力减退和关节稳定性下降等4,5。慢性踝关节不稳不仅可导致患者生活质量下降，还会显着增大踝关节骨性关节炎的患病风险6。慢性踝关节不稳引起的功能障碍还会增大踝关节再次扭伤风险，构成不良循环。除此之外，踝关节功能的改变还可能影响下肢动力链其他环节的功能活动，甚至增大其他环节的损伤风险7。 明确踝关节扭伤的发病机制及危险因素，是制订损伤预防策略的先决条件。Mckay等人8的研究证实大多数踝关节扭伤为外侧韧带扭伤，多数由进行侧切变向、跳跃落地等动作时不良的足踝着地姿势所引起。落地时存在较大的踝内翻角和内翻角速度、较大的地面反作用力等，被以为是导致踝关节外侧韧带发生扭伤的主要机制9,10。对于慢性踝关节不稳者而言，由于其神经肌肉控制能力下降，运动时更易出现较大幅度的踝关节内翻活动11,12,13,14及更大的地面反作用力14，进而导致再次扭伤风险增加2,3,11,12。因而，为降低踝关节损伤风险，尤其是对慢性踝关节不稳患者而言，在运动时怎样控制和减少踝关节的过度内翻活动是伤病预防及康复的重要策略。 为减少篮球运动中较高的踝关节扭伤发病率及伤病影响，科研工作者和运动装备厂商在踝关节运动防护装备方面进行了较多的研发和设计。高帮球鞋作为篮球运动的常用装备，其功能设计主要为限制踝关节额状面活动及提高侧向稳定性，以期有助于降低扭伤风险15。如Lam等16和Liu等17人研究发现，男子篮球运发动穿着高帮球鞋进行侧切变向运动时可较穿着低帮球鞋有更小的踝内翻触地角16,17、更小的最大踝内翻角速度和内翻活动幅度17，进而可能有助于增加踝关节侧向稳定性及降低扭伤风险。在运动实践中，为降低较高的再次扭伤风险，慢性踝关节不稳者还会使用种踝关节防护装备作为损伤预防的手段。如尹彦18研究发现，慢性踝关节不稳者在穿戴踝关节护具时可较裸足落地时提高动态姿势稳定性。除此之外，De Ridder等人19的研究发现，与裸足落地相比，踝关节绷带贴扎可助于降低慢性踝关节不稳者落地前的踝内翻角。但慢性踝关节不稳者能否可以通过穿着高帮球鞋来控制和减少运动时踝关节内翻活动以降低扭伤风险尚未得到充分研究。 因而，本研究旨在比照慢性踝关节不稳者与对照组分别穿着高、低帮球鞋进行侧切变向动作时的踝关节生物力学特征，分析其对踝关节扭伤风险的影响，为篮球鞋鞋帮设计提供一定的理论根据。 图1 高、低帮测试篮球鞋 Fig.1 Basketball shoes conditions 图2 45°侧切变向测试动作 Fig.2 45°side-cutting task 1 、方式方法 1.1 、试验对象 本研究共募集26名男性篮球喜好者作为测试对象，华而不实单侧踝关节不稳组13人年龄(21.1±2.4)a，身高(1.80±0.05)m，体重(74.8±7.8)kg，篮球运动年限(8.0±1.8)a，并根据踝关节不稳者的年龄、身高、体重和篮球运动年限等进行匹配选取13名正常健康受试者作为对照组,年龄(21.9±3.0)a，身高(1.81±0.04)m，体重(75.9±5.9)kg，篮球运动年限(8.5±2.6)a。踝关节不稳组纳入标准6,18为：(1)至少有1次以上严重踝关节扭伤，损伤发生至少在6个月以上，出现疼痛和肿胀等异常感觉和状态，不能正常参加活动至少1天以上；(2)踝关节发生“失控 giving way或不稳感觉2次及以上；(3)坎伯兰踝关节不稳量表20(Cumberland Ankle Instability Tool,CAIT得分 24分。除此之外，所有受试者均要求无其他下肢损伤史，并在告知实验测试流程后签署知情同意书。 1.2、 实验材料与测试方案 测试用鞋选取国内知名运动品牌公司生产的篮球鞋，同一号码球鞋除鞋帮高度差约4 cm及单只球鞋质量差约30 g之外，鞋底花纹、大底、中底、鞋垫等其他设计均一样图1。 选取45°侧切变向作为测试动作16,17，该动作是篮球运动中频繁使用的技术，同时也是非接触性踝关节扭伤的高风险动作8。侧切变向动作要求受试者从测力台前5 m处以最大速度跑至测力台，以测试腿踝关节不稳组以患侧下肢为测试腿，对照组则选择匹配侧下肢进行测试踏在测力台上完成支撑，再以最大速度向对侧45°侧切变向跑离测力台，并要求跑出至少3步后再减速缓冲结束测试图2。 受试者测试时要求穿着紧身短裤，由一名测试人员向受试者讲解测试动作及注意事项，待充分热身及熟悉测试动作后，每名受试者需完成3次有效测试。为免疲惫影响，每次测试间要求休息至少1 min。 1.3、 数据采集与处理方式方法 运动学数据采集采用8镜头红外高速运动捕捉系统Motion Analysis Raptor-4,USA采集粘贴在受试者身上的27个反光标志点粘贴位置为髂后上棘中点、左/右髂前上棘点、左/右股骨外侧髁点、左/右股骨内侧髁点、左/右外踝点、左/右内踝点、左/右鞋后跟点、左/右鞋尖点、左/右大腿各3个追踪点和左/右小腿各3个追踪点的三维坐标信息，采样频率为200 Hz。动力学数据采集采用三维测力台Kistler 9281 CA,Switzerland采集测试时的地面反作用力数据，采样频率为1000 Hz。运动学和动力学数据的采集均通过Cortex 2.6软件Motion Analysis Corp,USA同步触发完成。 所有标志点的三维坐标采用4阶巴特沃斯低通滤波法进行平滑处理，截断频率为13 Hz21，地面反作用力数据不平滑处理。髋关节中心通过髂后上棘中点和两侧髂前上棘点计算获取22，膝关节中心为股骨内外侧髁连线中点，踝关节中心为内外踝连线中点。采用欧拉角的方式方法计算下肢三维角度，踝关节角度定义为足部坐标系相对于小腿坐标系之间的欧拉角，通过逆动力学的方式方法计算踝关节力矩23。踝关节角度定义为静止直立站立时为中立位0°，踝内翻时为正角。地面反作用力定义垂直向上、运动方向的水平向前和向身体内侧为正值。测试指标包括：触地时刻的踝关节内翻角和内翻角速度，缓冲阶段最大踝内翻角和内翻角速度、踝内翻活动幅度、最大踝内翻力矩、向后和向内地面反作用力峰值、垂直地面反作用力峰值等。华而不实，角度和活动幅度单位为°，角速度单位为°/s，地面反作用力数据和踝内翻力矩经受试者体重Body Weight BW进行标准化处理后记为N/BW和Nm/BW。所有数据处理通过Visual 3D 6.0软件C-Motion Inc.Germantown,USA完成。 1.4、 统计分析 每名受试者各项测试指标均取3次有效测试的平均值，通过One-Sample K-S检验结果发现，本实验所有数据均符合正态分布。采用混合设计方差分析确定球鞋高帮和低帮和组别踝关节不稳组和对照组对各项生物力学指标的影响，若球鞋和组别存在交互作用，则采用简单效应分析确定各自变量对各项因变量指标的影响。统计学显着性水平定为一类误差概率不大于0.05，统计分析采用SPSS软件24.0,IBM,USA完成。 Tab.1 Effects of high-top and low-top shoes on ground reaction forces during 45°side-cutting task 表1 穿着高、低帮球鞋对45°侧切变向动作地面反作用力指标的影响 1表示踝关节不稳组和对照组之间的比拟；2表示低帮球鞋和高帮球鞋之间的比拟。 Tab.2 Effects of high-top and low-top shoes on ankle kinematics and kinetics during 45°side-cutting task 表2 穿着高、低帮球鞋对45°侧切变向动作踝关节运动学及动力学指标的影响 1表示踝关节不稳组和对照组之间的比拟；2表示低帮球鞋和高帮球鞋之间的比拟；3表示高、低帮球鞋之间差异具有统计学意义，P 0.05。 2 、结果 球鞋和组别因素在地面反作用力的3项指标上均无交互作用P 0.05，且球鞋和组别的主效应在地面反作用力各项指标上均不存在显着性差异P 0.05表1。 球鞋和组别因素在踝关节运动学和动力学各项指标上均无交互作用P 0.05。球鞋作为主效应在最大踝内翻角、踝内翻活动幅度和最大踝内翻角速度等指标上存在显着性差异P 0.05，踝关节不稳组和对照组在穿着高帮球鞋进行45°侧切变向运动时最大踝内翻角、踝内翻活动幅度和最大踝内翻角速度均小于穿着低帮球鞋P 0.05。球鞋作为主效应在触地时刻踝内翻角、触地时刻踝内翻角速度和最大踝内翻力矩等指标上不存在显着性差异P 0.05。组别因素主效应在踝关节各项指标上均不存在显着性差异P 0.05表2。 3 、讨论 本研究发现穿着高帮球鞋进行45°侧切变向运动时具有较小的最大踝内翻角、最大踝内翻角速度和踝内翻活动幅度，而各项地面反作用力指标及踝关节内翻力矩指标在球鞋之间并无差异，这一发现与以往类似研究16,17相一致，讲明本研究所选用的高帮球鞋可能有助于控制和减少踝关节的内翻活动，且不会对地面反作用力及关节力矩造成影响，提示穿着高帮球鞋有助于降低踝关节的扭伤风险。运动护具材料及功能设计的改变不仅会影响下肢关节角度活动，还可能对地面反作用力及运动能力等造成影响。如Robinson等人24研究以为，随着球鞋侧向支撑刚度的增大，对踝关节额状面和矢状面等活动的限制也会随着加大，但这也会对运动灵敏性等能力造成负面影响。除此之外，Brizuela等人25研究发现带有后跟杯加固的高帮球鞋虽可减小落地时踝关节额状面活动幅度，但同时也会增大地面反作用力及降低跑跳能力。而对于踝关节扭伤而言，其发病机制及危险因素不仅与落地早期存在较大的踝内翻角和内翻角速度有关，较大的地面反作用力尤其是较大的向内地面反作用力也是导致踝关节产生较大内翻力矩及引起踝关节过度内翻及韧带发生损伤的重要危险因素10。由此可见，运动装备厂商在研发和设计球鞋时不应过于追求对踝关节额状面的限制及保卫，球鞋材料刚度及鞋帮高度的选择应能有效减小落地时踝关节的内翻活动，同时还应避免过度限制所导致对地面反作用力和运动表现能力造成负面的影响。综上所述，本研究结果提示所选用的高帮球鞋相较于低帮球鞋可能有助于降低踝关节的扭伤风险。 在本研究中，慢性踝关节不稳组与对照组无论穿着高、低帮球鞋进行45°侧切变向运动时，各项踝关节生物力学测试指标间均无显着性差异，同时高帮球鞋较低帮球鞋减小踝关节内翻活动上也无人群间的差异，这一发现与吴金龙26的研究结果较为类似。在他的研究中发现，慢性踝关节不稳者与正常者在佩戴弹性护具或半刚性护具时可较无护具时降低踝关节扭伤的风险，但使用两种护具时踝关节不稳者与正常者之间的各项踝关节内翻活动指标亦无差异26。慢性踝关节不稳者由于可能存在不同程度的本体感觉和神经肌肉控制下降，可较正常者存在更大的扭伤风险2,3，其穿着运动防护装备降低扭伤风险可能与护具使用后有助于提高踝关节的本体感觉输入27，增大踝关节的外翻力矩28，以及增大落地时动态姿势稳定性18及减少踝关节内翻活动19等功能改变有关。相较于普通球鞋，篮球鞋的鞋帮及材料刚度等功能设计可助于更好地减少踝关节内翻活动及提高侧向稳定性15,29，这可以能是本研究中慢性踝关节不稳者穿着高、低帮球鞋各项踝关节生物力学指标与正常组不存在差异的可能原因，这也提示篮球鞋的使用对于减少踝关节内翻活动及降低扭伤风险具有一定的作用。而慢性踝关节不稳者穿着高帮球鞋可较低帮进一步减少踝关节内翻活动，提示高帮球鞋对慢性踝关节不稳者具有更好的损伤预防效果。 4、 结论 高帮球鞋在一定程度上可提高踝关节侧向稳定性和降低扭伤风险，且对慢性踝关节不稳者与正常者均具有一样的防护效果。建议慢性踝关节不稳者在篮球运动中可优先选择高帮球鞋，并结合其他护具以加强防护。 以下为参考文献 1 Waterman B R,Owens B D,Davey S,et al.The epidemiology of ankle sprains in the United StatesJ.J Bone Joint Surg Am,2018,92(13):2279-2284. 2 Hertel J,Corbett R 0.An Updated Model of Chronic Ankle InstabiltJJ Athl Train,2022,54(6):572-588. 3 Gribble PA. 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