着陆动作中的肌肉作用

目前对着陆的研究方法比较单一，主要采用的研究方法为受试者运动测试。在实验室环境下，测量受试者着陆时的地面反力、关节运动和表面肌电图等参数，借此来预测或评价身体的损伤风险。这种方法的弊端在于：①在实验中必须采用无损测量技术，测量参数非常有限；②实验中需要尽力避免受试者损伤，不能完全再现实际损伤场景，只能通过相对安全条件下的测量数据推测损伤风险；③基于有限的体表测量数据，无法了解组织层次的生物力学响应，因此对损伤风险的评判缺乏有效的标准，导致大量的实验数据不能起到应有的作用，往往会推导出错误，甚至与事实相违背的结论。

最近，Yeow等人[1，2]采用猪和人的离体标本，研究着陆运动对膝关节的损伤影响，可以通过大体观察、显微镜观察、X光和医学断层影像等方法从组织层次评价或比较损伤发生风险。我们也曾尝试应用人类下肢离体标本模拟着陆过程，并积累了一些宝贵的实验数据。但是，由于着陆过程中下肢关节运动、地面反力、人体重力、肌肉力等条件异常复杂，实验难度非常大。另外，由于标本个体差异大，测量结果影响因素多，进行有统计学意义的此类研究成本非常高。

通过有限元分析方法，可以得到不同的外界载荷和肌肉力作用下，能量传递和吸收的过程，以及在组织层次上骨、软骨和软组织的应力应变的分布。这些信息直接对应着损伤风险，是评判损伤风险的理想方法。Qiu等人[3]试图通过有限元方法解决着陆冲击对足踝的生物力学影响问题，但是由于缺乏充分的前期实验数据，其加载和边界条件都远远不能反映实际情况。因此，综合采用实验和模拟仿真的方法，是在组织层次研究着陆损伤生物力学的合理有效的途径。

计算机技术的发展，使得建立足踝有限元模型，甚至完整结构的下肢有限元模型成为可能。人体运动测试技术的发展，也使得在实验室条件下可以测量各种复杂运动时人体与环境的作用力和关节运动。但是，关键的问题在于如何将二者有机结合起来，并且在结合时，对损伤风险有直接和重要影响的因素不被忽视或遗失。那么，到底哪些可实验测量参数是对损伤风险影响最重要的呢？

传统观点认为，地面反力越大或者到达峰值地面反力的时间越短，就越容易损伤，这被广泛作为损伤预测的标准。但是，在先前的研究中，我们未发现地面反力、达到峰值地面反力的时间和冲击率在两侧下肢之间存在显著性差异[4]。而实际的跳伞着陆中，踝扭伤存在明显的非对称性。同时，我们发现男性比女性承受显著性更大的前后方向地面反力峰值和冲击速率[5，6]。按照冲击力决定的理论，这些结果也无法解释女性在跳伞中更易于发生着陆踝关节损伤的现象。类似的现象频繁出现在不同的研究中，最近，甚至有学者认为：冲击力和运动损伤之间的因果关系并未被建立，事实也证明一定范围和程度的冲击力对人体是有利的[7]。

同样模糊不清的是关节运动与损伤风险的关系。有研究认为下肢关节活动度降低，则下肢刚度会较大，从而更加易于损伤。主动的关节屈曲确实能起到增大缓冲的作用，但是被动关节活动的作用往往比较复杂。例如，Whitting等人[8]认为着陆前踝跖屈可以降低损伤风险，但他们最近又发现着陆策略主要受着陆任务的需求决定，而不受踝关节被动屈曲的影响。另外一种观点认为，关节活动度降低小是因为对其需求变小了，表明这是一种低风险的动作。许多研究都认为，在着陆中如果被动的踝关节活动度小，组织受力也易于被控制在正常的生理耐限内，损伤风险就越小[46]。

我们之前的系列研究表明：①着陆时踝关节活动度与损伤风险的关系不是太大，而关节角速度与损伤风险正相关[46]；②右踝有显著性较大的最大背屈角度和外展角速度，同时左踝伸肌更加强劲，这决定了右踝扭伤的风险更大[4]；③男性相对于女性更加擅长利用踝伸肌的作用和肌肉的爆发力，男性的踝伸肌和屈肌协同性比女性更好，这是男性着陆踝关节损伤率小于女性的主要原因[5，6]；④护踝使侧向和竖直方向的冲击力都显著提高，增强了踝关节本体感受，显著性提高了胫骨前肌和腓肠肌的活动性[6]。因此，我们认为：踝关节良好的防护机制在于，通过肌肉力稳定和控制关节活动在许可范围之内，而通过增大地面反力避免过多的冲击动能被关节直接吸收。

这个观点主要体现了在着陆运动中肌肉力的作用，以及肌肉力与地面反力和关节活动的关系。因为在着陆运动中，下肢主要肌肉的力量都可能达到与地面反力相当的水平。在高强度冲击着陆中，瞬间更可能达到十余倍体重的水平。又由于肌肉力通过肌腱直接作用在骨骼上，以及多条肌肉协同作用所带来的复杂性，其影响不言而喻。在这里，肌肉力作用既包含肌肉收缩的强度，也包含不同肌肉触发和持续的时间。也就是说，可以通过肌骨系统内力的协调，改变外部冲击力的作用渠道和时间，使冲击动能以更合理的方式释放。

上海体育学院刘宇教授指出，在运动控制与发展过程中，神经肌肉系统通过肌肉收缩力矩的调节与控制，达到对外力矩和被动的、由运动产生的反作用力矩的控制、平衡和适应，进而完成或发展出一个有效率和协调的肢体运动[9]。因此，在着陆中肌肉活动是一个复杂的运动控制过程。在着陆研究中，普遍采用肌电图测量来反映肌肉活动性[46，8]。但是，由于影响因素太多，根据表面肌电测量判断肌肉活动强度，得到的肌肉力和力矩的精确性不高，不足以作为有限元分析的加载条件。

由于近年来计算机技术的快速发展，基于在体测试的运动学和动力学数据，通过人体逆向动力学分析可以反求运动过程中不同肌肉的收缩力，同时还可以进行仿真实验，并将仿真结果可视化。该过程经过许多项目的验证，不但可以提供相对精确的肌肉力、力矩和反应时间，还允许我们摆脱受试者测试的限制，得到在更危险条件下着陆的模拟数据。