对运动员前交叉韧带损伤的生物力学分析
作者：马擎
来源：《东方教育》2024年第15期
前交叉籾带（Anterior Cruciate Ligament ACL）断裂是体育运动中最常见的严重运动损伤之一。挪威前交叉韧带重建手术每年每10万人中有34个。研究表明31%的前交叉韧带损伤患者会出现步行障碍，44%的患者会影响日常生活中的功能性活动，而77%的患者不可能再具有原有运动竞技水平。前交叉韧带损伤患者罹患膝关节炎的时间要远远早于无前交叉韧带损伤病患的人。72%的ACL损伤发生在与其他人无接触的突然减速或落地时。对美国NCAA足球和篮球运动员连续13年的跟踪调査表明，65%的ACL损伤为非接触性。Arendt和Dick （1995）根据美国学校运动协会的数据发现，每1000个女性足球和篮球运动员中平均ACL损伤的发生率分别是0. 31和0. 29。在每1000小时的运动时间中，男足和女足运动员发生ACL损伤的发生率分别为0.09和0.28。前交叉韧带承受了过大的应力是导致其部分或全部断裂的原因。有文献报道，前交叉韧带的强度大约在80-240N/mm之间。对于22-35岁的正常成人来说，前交叉韧带的最大张力可以达到2200牛顿（N）。肌肉力量的薄弱；不正确的姿势和用力方式；疲劳状态下的训练和比赛；身体核心区肌肉力量不足所致的身体失衡；臀大肌和臀中肌无力；股四头肌和股后肌群力量比例失当等都是发生前交叉韧带断裂的潜在危险因素。 1.1膝关节解剖学特点
膝关节包含外侧与内侧胫股关节与髌股关节。膝关节包含两个活动面，使膝关节能做屈曲、伸直、内旋以及外旋等活动。膝关节的关节囊薄而松弛，附着于各关节面的周缘；囊壁个部位厚薄不一。其前壁不完整，有髌骨、股四头肌肌腱和髌韧带填补、加强；内外侧壁及后壁也各有韧带加固，以增加关节的稳定性。膝关节的附属结构主要有韧带、半月板、滑膜囊和滑膜襞等。膝关节的关节囊薄而松弛，附着于各关节面的周缘；囊壁个部位厚薄不一。其前壁不完整，有髌骨、股四头肌肌腱和髌韧带填补、加强；内外侧壁及后壁也各有韧带加固，以增加关节的稳定性。膝关节的附属结构主要有韧带、半月板、滑膜囊和滑膜襞等。
前交叉韧带位于关节囊内，血液的来源主要是与滑膜以及周围组织的微血管。前交叉韧带提供对抗胫骨相对于股骨关节活动时的前剪切力，协助引导膝关节的关节面活动。前交叉韧带附着于胫骨平台的前侧髁间区域，并沿着斜后方延伸连接股骨髁的内缘。前交叉韧带主要是由胶原蛋白纤维交错编织，而形成两条纹路不明的螺旋状纤维束。分为内外两侧束：前内束和较大的后外束。其血液的来源主要是来自于滑膜以及周围组织的微血管。前交叉韧带的张力以及其走向会随着膝关节的伸直或弯曲而改变。
大多数前交叉韧带的纤维（特别是后侧束的纤维）在膝关节完全伸直时紧张。ACL在膝伸直时最紧张，但只是后外束紧张。开始屈膝并内旋胫骨，ACL纤维束的中部变得紧张。膝
关节完全屈曲时，ACL纤维束的前内束变得紧张。当膝关节在50-60°伸直时，股四头肌收缩产生拉力将胫骨向前拉动，使得胫骨在关节面上产生滑动，这种张力会拉伸前交叉韧带的纤维限制胫骨向前过度的滑动。临床上，股四头肌通常被认为是前交叉韌带的拮抗肌。当股四头肌在膝关节伸直时可造成前交叉韧带最大的变形。膝关节在屈伸的过程中，ACL的两束交叉扭转，这就保证了膝关节无论处于何种位置都有前交叉韧带的一部分纤维束紧张，加固膝关节的稳定性。前交叉韧带的功能生物力学：（1）膝关节的稳定作用，限制胫骨过度前移和膝过旋（2）本体感觉：韧带中有感觉神经末梢，可通过本体感觉的反馈机制来维持膝关节的稳定。 1.2影响前交叉韧带损伤的下肢生物力学分析
前交叉韧带的受伤机制：当前交叉韧带受到张力拉扯时，再受到高速拉伸前交叉韧带，则会造成前交叉韧带的损伤，当拉伸的张力超过韧带的生理负荷极限时就会造成韧带断裂。产生原因的生物力学因素包括膝关节地面反作用力方向与强度，活动时控制肌肉力量的大小、精细度与肌肉的正确发力顺序，周围组织的完整性与强度以及膝关节结构排列等。大约70%与运动损伤有关的患者，其受伤是发生于非接触期或轻微的触碰期。多数非接触的伤害是发生在当跳跃着地时、或急速用力减速时、打篮球急切变向的动作以及单脚着地时旋转下肢的动作。 三种与前交叉韧带损伤有关的因素：膝关节微屈或完全伸直时股四头肌强烈收缩；膝关节严重外翻；膝关节过度外旋。另一种常见的前交叉韧带的伤害机制主要包括膝关节在脚完全站稳地面时做出过伸的动作。也会引起后方关节囊以及内侧副韧带的损伤。研究显示，进行相同运动强度时，女性运动员发生前交叉韧带损伤的比例是男性运动员的3-5倍，尤其是在非接触式包含跳跃和着地并伴随旋转动作的活动中风险最高。通过对于臀肌和神经肌肉控制的训练，疼痛得到改善，下肢的生物力学发生变化，在落地实验中的功能能力得到提高。
通过对于膝关节ACL断裂重建术患者术前、术后股四头肌和腘绳肌功能，患者前交叉韧带断裂后患膝屈伸肌群的峰力矩、峰力矩/体重比（%）、总做功量、平均峰力矩四项检测指标在60°/s、120°/s时均较健侧显著降低。其中，伸肌较屈肌降低更为显著，这在60°/s测试时尤为突出。发生这种肌力改变的原因有：ACL损伤后的废用性肌萎缩，来自于ACL的本体感受信息中断，持续的膝关节疼痛和渗出的刺激，以及韧带重建手术的干扰，这些信息经膝关节周围的感受器传入中枢神经，可能使运动神经元和高级中枢的神经控制发生改变，并对膝关节周围的肌力产生明显影响，最终导致膝关节的肌力平衡发生改变。Markolf测试了不同膝关节屈伸角条件下的多种合力。结果证明：ACL的应力随膝关节屈角的增加而减小。Li的研究发现：当膝关节为15°时对ACL负荷应力最大，并随膝关节增加至90°而减小。
对运动员前交叉韧带损伤的生物力学分析
