對(duì)上下臺(tái)階時(shí)膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)參數(shù)分析,運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)論文

對(duì)上下臺(tái)階時(shí)膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)參數(shù)分析,運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)論文從生物力學(xué)角度看，下臺(tái)階時(shí)下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度、關(guān)節(jié)負(fù)荷以及肌肉活動(dòng)等均與在平地上行走有差異。下臺(tái)階經(jīng)過中，膝關(guān)節(jié)作為起主要承重和緩沖作用的關(guān)節(jié)，會(huì)承受更大的負(fù)荷，更容易造成損傷的發(fā)生。故對(duì)下臺(tái)階時(shí)膝關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行研究，為預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷和指導(dǎo)健身提供根據(jù)是很有必要的。有關(guān)上下臺(tái)階時(shí)動(dòng)力學(xué)參數(shù)有大量的研究。耐力性運(yùn)動(dòng)如自行車、登山、上下臺(tái)階等運(yùn)動(dòng)時(shí)，膝關(guān)節(jié)遭到的壓力遠(yuǎn)大于平地上行走時(shí)所承受的力，由于膝關(guān)節(jié)長期承受較大的負(fù)荷而最終造成膝關(guān)節(jié)的慢性勞損或者骨關(guān)節(jié)病，進(jìn)而影響健身者的生活質(zhì)量。故研究上下臺(tái)階時(shí)膝關(guān)節(jié)所承受的壓力對(duì)于預(yù)防骨關(guān)節(jié)病、膝關(guān)節(jié)假肢、矯形器和膝關(guān)節(jié)置換具有很重要的意義。Paul研究了慢速行走、快速行走、上樓梯、下樓梯時(shí)的膝關(guān)節(jié)上的受力，分別為2.7BW、4.3BW、4.4BW和4.9BW。Komistek等發(fā)現(xiàn)不同形式下臺(tái)階時(shí)膝關(guān)節(jié)的力矩有差異，膝關(guān)節(jié)屈伸力矩、內(nèi)外翻力矩以及股四頭肌收縮強(qiáng)度均按正面一腳一階、正面兩腳一階、橫面兩腳一階、斜面兩腳一階的順序逐步減小。研究不同速度下臺(tái)階時(shí)膝關(guān)節(jié)受力大小的變化，以及以不同方式下臺(tái)階時(shí)膝關(guān)節(jié)受力方式的差異，對(duì)于防治長期因較大壓力或不良力線而導(dǎo)致的骨關(guān)節(jié)炎等具有重要的意義。很多運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的研究表示清楚，上下臺(tái)階時(shí)膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)幅度較平地上行走大很多。Hoffman等人的研究顯示，上下樓梯時(shí)膝關(guān)節(jié)屈曲達(dá)830，較平地上行走時(shí)多將近120，膝關(guān)節(jié)內(nèi)的壓力會(huì)隨著屈曲角度的增加而增加，髕骨所遭到的壓力亦會(huì)增加，這會(huì)增加髕骨橫斷的風(fēng)險(xiǎn)。故研究不同速度下臺(tái)階時(shí)膝關(guān)節(jié)角度和角速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)的變化，對(duì)于有效減少膝關(guān)節(jié)損傷具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。膝關(guān)節(jié)的健康問題困擾著很多人，大多數(shù)的中老年人均出現(xiàn)過不同程度的膝關(guān)節(jié)疼痛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，50歲以上的人群中，50%患有骨關(guān)節(jié)病，65歲以上的人群中，90%的女性和80%的男性患有此病。當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活水平的日漸提高，骨性關(guān)節(jié)病也開場趨向低齡化，越來越多的人將會(huì)遭到骨性關(guān)節(jié)病的困擾。所以對(duì)上下臺(tái)階時(shí)膝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，用于指導(dǎo)科學(xué)健身，減少運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生是有必要的。1、研究方式方法2.1測試臺(tái)階本實(shí)驗(yàn)采用自制木質(zhì)臺(tái)階，共5層，每一級(jí)臺(tái)階的規(guī)格為：長90cm、寬28cm、高18cm〔見圖1〕。1.2受試者10名在校男大學(xué)生，未進(jìn)行過系統(tǒng)的體育鍛煉，最近無下肢損傷，實(shí)驗(yàn)前48h內(nèi)未從事劇烈運(yùn)動(dòng)〔見表1〕。1.3數(shù)據(jù)采集與處理受試者著泳褲，貼反光標(biāo)志點(diǎn)。通過三維測力臺(tái)〔Kistler9281CA，Switzerland，1000Hz〕、8鏡頭紅外高速運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)〔MotionAnalysisRaptor-4，USA，200Hz〕同步采集運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。受試者跟隨節(jié)拍器的節(jié)拍，分別以48步/分、60步/分、72步/分、84步/分、96步/分、108步/分、慢速跑、中速跑、快速跑〔3種跑速為自覺速度〕，共9種速度下臺(tái)階。最后一步落在測力臺(tái)上。在每種速度下，左右腳各采集3次有效數(shù)據(jù)。1.3.1標(biāo)志點(diǎn)的名稱與位置采用海倫海耶斯模型，在受試者身上貼19個(gè)反光標(biāo)志點(diǎn)。采集的所有標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)采用Butterworth低通濾波法進(jìn)行平滑，截?cái)囝l率為10Hz。根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)建立大腿坐標(biāo)系、小腿坐標(biāo)系、足坐標(biāo)系，華而不實(shí)髖關(guān)節(jié)中心根據(jù)Bell的研究計(jì)算，膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心為股骨內(nèi)外側(cè)髁中心，踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心為內(nèi)外踝中心。采用歐拉角的方式方法計(jì)算膝關(guān)節(jié)的三維角度。標(biāo)志點(diǎn)位置如表2。1.3.2統(tǒng)計(jì)分析不同速度間的參數(shù)采用單因素重復(fù)測量方差分析〔one-wayrepeatedmeasuresANOVA〕進(jìn)行比擬，后續(xù)兩兩比擬采用LSD法。同一速度，左右側(cè)間的參數(shù)采用配對(duì)T檢驗(yàn)進(jìn)行比擬。顯著性水平定為一類誤差概率不大于0.05。2、結(jié)果與分析2.1不同速度膝關(guān)節(jié)峰值力的比擬2.1.1不同速度膝關(guān)節(jié)垂直方向峰值力的比擬如表3所示，隨著下臺(tái)階速度的增大，膝關(guān)節(jié)垂直方向的峰值力不斷增加。當(dāng)以快速跑的速度下臺(tái)階時(shí)，左膝關(guān)節(jié)所受的峰值力為2.12BW，與前面的各速度下臺(tái)階時(shí)膝關(guān)節(jié)所受峰值力相比顯著增大。當(dāng)以中跑速度下臺(tái)階時(shí)，右膝關(guān)節(jié)所受峰值力為2.13BW，相比擬于前面各速度下臺(tái)階時(shí)膝關(guān)節(jié)所受的峰值力增加有顯著性差異。以快跑的速度進(jìn)行下臺(tái)階時(shí)，膝關(guān)節(jié)所受峰值力均大于2倍的體重，這與前人所做的研究相符合。隨著下臺(tái)階速度增加，膝關(guān)節(jié)遭到的垂直方向的峰值力不斷增加，并且峰值力的作用時(shí)間會(huì)隨著速度的增加而減小，當(dāng)碰撞力發(fā)生在的50Ins內(nèi)時(shí)，骨骼肌肉系統(tǒng)來不及產(chǎn)生反響，吸收碰撞力，進(jìn)而對(duì)人體造成傷害，這樣膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)腔內(nèi)的組織由于無法吸收所遭到的較大的撞擊力和擠壓力，所以比擬容易造成膝關(guān)節(jié)內(nèi)半月板、關(guān)節(jié)面軟骨的磨損和破裂。長期可能會(huì)導(dǎo)致半月板的剝脫，最終構(gòu)成關(guān)節(jié)鼠，由于關(guān)節(jié)鼠的存在會(huì)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)的絞索感，影響健身者的生活質(zhì)量。除此之外，還有可能造成膝關(guān)節(jié)腔內(nèi)滑膜、滑囊等軟組織的急性和慢性炎癥，影響健身者的生活質(zhì)量。受試者以不斷增大的速度下臺(tái)階，84步/分時(shí)膝關(guān)節(jié)所受壓力的峰值力小于72步/分時(shí)膝關(guān)節(jié)所受壓力的峰值力。造成該現(xiàn)象的原因可能是由于個(gè)別受試者的異常數(shù)據(jù)，由于72步/分時(shí)膝關(guān)節(jié)所受壓力的峰值力的標(biāo)準(zhǔn)差較大。但個(gè)別受試者的數(shù)據(jù)對(duì)于傷病等的防治有重要意義，所以需要對(duì)造成該差異的原因，進(jìn)一步研究和討論。但由于人體在進(jìn)行下臺(tái)階運(yùn)動(dòng)時(shí)，左右腿的速度基本一致，所以在指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)以中跑的速度進(jìn)行，這樣不會(huì)由于膝關(guān)節(jié)所受的著地時(shí)刻的峰值力太大而引起損傷，又能獲得較好的運(yùn)動(dòng)效益。2.1.2不同速度膝關(guān)節(jié)前后方向峰值力的比擬表4中的峰值力為Y軸所受的峰值力，Y軸為膝關(guān)節(jié)所承受的前后方向的力。如表4所示，隨著下臺(tái)階速度的增加，膝關(guān)節(jié)所受的前后方向的峰值力逐步的增加。當(dāng)以快跑的速度下臺(tái)階時(shí)，左膝關(guān)節(jié)所受的前后方向的峰值力為0.89BW.,相比擬于以前面各速度下臺(tái)階時(shí)膝關(guān)節(jié)所受的峰值力顯著增大。當(dāng)以慢跑速度下臺(tái)階時(shí)，膝關(guān)節(jié)所受的前后方向的峰值力為0.56BW,相比擬于以前面各速度下臺(tái)階時(shí)膝關(guān)節(jié)所受的標(biāo)準(zhǔn)峰值力增加亦具有顯著性差異。下臺(tái)階時(shí)，股骨和脛骨不僅繞著膝關(guān)節(jié)的X軸〔左右方向〕做屈伸運(yùn)動(dòng)，膝關(guān)節(jié)屈曲時(shí)，股骨還會(huì)在脛骨平臺(tái)上沿Y軸向前滑動(dòng)。隨著下臺(tái)階速度的增加，膝關(guān)節(jié)所受的前后方向的峰值力不斷增加，使股骨向前的滑動(dòng)趨勢(shì)增大。為了防止股骨過度前移，需要膝關(guān)節(jié)內(nèi)前穿插韌帶來維持穩(wěn)定。Y軸方向的力增加使得防止股骨前移的前穿插韌帶的負(fù)荷增加。長期較大或頻繁的負(fù)荷施加在前穿插韌帶上，可能造成前穿插韌帶的拉傷或者斷裂。有研究表示清楚一旦前穿插韌帶損傷，該患者罹患骨關(guān)節(jié)炎的風(fēng)險(xiǎn)顯著增大，這主要是由于前穿插韌帶斷裂后，關(guān)節(jié)內(nèi)所承受的壓力和運(yùn)動(dòng)軌跡的變化而引起的。這樣會(huì)嚴(yán)重影響健身者的生活質(zhì)量。除此之外，隨著下臺(tái)階速度的增加，膝關(guān)節(jié)所受前后方向的力不斷增加，股骨前移的趨勢(shì)不斷增加，股四頭肌需要強(qiáng)力收縮來阻止該趨勢(shì)。但是股四頭肌收縮力的增加，會(huì)使得施加在髕骨外表的壓力增加，長期有可能會(huì)導(dǎo)致髕骨的橫斷，或者髕骨軟化癥。為了預(yù)防前穿插韌帶和髕骨的損傷，在進(jìn)行指導(dǎo)訓(xùn)練時(shí)，應(yīng)以慢速跑的速度下臺(tái)階，這不僅能夠獲得較好的運(yùn)動(dòng)效益，并且膝關(guān)節(jié)著地時(shí)的峰值力不會(huì)太大，進(jìn)而避免了膝關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)中可能造成的損傷。由表3、表4能夠看出，以同一速度下臺(tái)階時(shí)，左右膝關(guān)節(jié)所承受的同一方向上的峰值力，多為右膝關(guān)節(jié)大于左膝關(guān)節(jié)。但使用SPSS13.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)T檢驗(yàn)，無顯著性差異。造成該現(xiàn)象的主要原因是本實(shí)驗(yàn)受試者的優(yōu)勢(shì)腿均為右腿，由于長期慣用右腿，所以右側(cè)腿的肌力均較強(qiáng)，在完成站立、支撐等動(dòng)作時(shí)優(yōu)勢(shì)腿承當(dāng)較多的體重，所以多為右側(cè)的峰值力大。同時(shí)也在提醒我們右側(cè)膝關(guān)節(jié)損傷的風(fēng)險(xiǎn)較左側(cè)膝關(guān)節(jié)大，應(yīng)注意防護(hù)。2.2不同速度膝關(guān)節(jié)垂直方向峰值力時(shí)刻膝關(guān)節(jié)角度比擬2.2.1不同速度膝關(guān)節(jié)垂直方向峰值力時(shí)刻膝關(guān)節(jié)屈曲角度的比擬從表5能夠看出，隨著下臺(tái)階速度的增加，膝關(guān)節(jié)到達(dá)峰值力時(shí)刻的膝關(guān)節(jié)屈曲角度呈現(xiàn)不斷地增加的趨勢(shì)。當(dāng)以中速跑的速度下臺(tái)階時(shí)，左膝關(guān)節(jié)到達(dá)垂直方向峰值力時(shí)刻的膝關(guān)節(jié)的屈曲角度為18.91，較前面各速度膝關(guān)節(jié)達(dá)峰值力時(shí)刻的膝關(guān)節(jié)屈曲角度顯著增大。當(dāng)以快速跑的速度下臺(tái)階時(shí)，右膝關(guān)節(jié)到達(dá)垂直方向峰值力時(shí)刻的膝關(guān)節(jié)的屈曲角度為27.81，較前面各速度膝關(guān)節(jié)達(dá)峰值力時(shí)刻的膝關(guān)節(jié)角度顯著增大。對(duì)下臺(tái)階運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)作階段劃分，可將其分為：支撐相和擺動(dòng)相。此處所研究的膝關(guān)節(jié)屈曲角度為由支撐相開場逐步進(jìn)入擺動(dòng)相，膝關(guān)節(jié)由伸展位開場屈曲，膝關(guān)節(jié)所屈過的角度。隨著下臺(tái)階速度的不斷增加，膝關(guān)節(jié)達(dá)峰值力時(shí)刻的屈曲角度也在不斷地增加。對(duì)膝關(guān)節(jié)所受的合力進(jìn)行正交分解，膝關(guān)節(jié)所遭到的水平方向的分力會(huì)不斷增加，在一定程度上增加了施加在髕骨上的壓力。加之，隨著下臺(tái)階速度的增加，膝關(guān)節(jié)所受的峰值力合力亦不斷增加。兩重因素共同造成髕骨遭到的水平方向的力增加。長期則會(huì)