在宽弓步状态下进行足外展着陆时下肢关节负荷的动态调节：肌肉协同作用与神经肌肉激活模式的分析

《Journal of Biomechanics》：Dynamic regulation of Lower-Limb joint loading during Foot-Abducted landing in wide Lunge: An analysis of muscle synergy and neuromuscular activation patterns

本研究比较了两种深蹲着陆策略（脚前伸和外展脚）对膝关节内侧/外侧负荷及肌肉协同性的影响，发现外展脚着陆显著降低内侧关节接触力和剪切力，同时提高外侧关节力矩，其机制与肌肉协同性（Syn2激活增强股四头肌内外侧，Syn3腓肠肌参与度提高）及共激活指数升高相关，提示外展脚着陆通过调整力向量分布和增强多关节动力链协同来降低运动损伤风险。

　　

张彦龙|尹彦玉|于晓|孙明禾|毕庚超|陈思

中国牡丹江师范学院，体育与健康科学学院，牡丹江：

摘要

本研究比较了两种宽弓步着地策略下膝关节内侧和外侧腔室负荷的相对贡献、肌肉协同作用以及激活特征，以揭示足外展着地如何通过神经肌肉机制降低受伤风险。20名男性羽毛球运动员分别以两种脚部姿态进行弓步动作：脚跟对第二跖骨（脚向前）和足外展20°。足外展着地显著降低了半腱肌、内侧股直肌和外侧股直肌对内侧腔室峰值剪切力和压力的贡献（P < 0.05）。同时，也减少了股二头肌、股直肌和内侧腓肠肌对外侧腔室的力矩和肌肉贡献（P < 0.05）。在四种识别出的肌肉协同作用中，Syn1在着地前最为活跃。在足外展着地时，Syn2表现出内侧股直肌和外侧股直肌的更高激活度（P < 0.05），而Syn3则显示腓肠肌的参与度更高（P < 0.05）。此外，共激活指数表明足外展着地时腓肠肌的活性更高（P < 0.05）。这些发现表明，足外展着地和初始的足跟外侧接触可以重新调整力矢量，从而减少膝关节负荷。这种策略促进了从单关节控制向多关节动力链协同作用的转变，显示出与较低受伤风险相关的神经肌肉模式。

引言

宽弓步动作在羽毛球等运动中很常见。这种动作类似于着地后的突然停止，运动员必须爆发性地蹬地以启动弓步，然后在接触地面时迅速制动（Lam等人，2020年；Huang等人，2014年）。这一动作通常涉及前脚跟着地或足外展后的全脚着地。此外，弓步后的着地阶段需要精确控制下肢稳定性，以便运动员能够快速执行后续动作。然而，这种动作常常伴随着下肢关节的急性损伤（Hu等人，2023年）。值得注意的是，前交叉韧带（ACL）损伤主要发生在下肢运动的减速阶段，特别是在膝关节屈曲与矢状面负荷同时发生时，初始的背屈姿势被认为是关键的风险窗口（Wang等人，2024年）。在羽毛球中，关节负荷受脚部位置和弓步方向的影响（Peng等人，2023年）。显然，弓步-着地阶段的脚部着地位置和方向是关节负荷和受伤风险的潜在生物力学标志（Smith等人，2011年；Fox，2018年）。

膝关节（TFJ）的内侧和外侧腔室接触力主要由肌肉活动产生，在稳定膝关节的同时会增加这些腔室内的关节接触负荷（JCL）（Pandy和Andriacchi，2010年）。慢跑产生的胫股力约为4.5个体重（BW），而侧向切割动作产生的峰值压缩力可达9.1 BW，内侧和外侧腔室分别承受4.7 BW和4.4 BW的压力（Maniar等人，2020年）。最近对羽毛球运动员的研究表明，初始弓步着地时地面反作用力（GRF）峰值和负荷率较高，而分步技术可以减轻关节负荷，突显了任务依赖性的胫股力分布的神经肌肉调节（Wang等人，2024年）。尽管之前的研究已经量化了髌股力、TFJ动力学和矢状/冠状平面力学，但现有研究主要集中在膝关节的整体负荷上，缺乏对内侧和外侧腔室之间动态负荷差异的详细分析（Yu等人，2021年；Hua等人，2024年）。宽弓步过程中脚着地角度的技术变化可能会改变下肢的对齐方式，从而调节内侧-外侧负荷比——这一机制具有临床意义。因此，精确描述弓步过程中各腔室的峰值压力和负荷分布模式可以阐明技术优化（例如，足外旋调整）与通过负荷重新分配策略预防损伤之间的生物力学联系。

对于如突然停止的弓步-着地这样的动作，大多数急性损伤（包括ACL断裂）发生在脚接触地面后的17-50毫秒内（Krosshaug等人，2007年）。因此，相对于JCL和稳定性之间的动态平衡，神经肌肉控制至关重要。先前的研究表明（Killen等人，2018年），JCL和稳定性的肌肉控制取决于下肢的对齐方式。这表明了一种特定任务的神经肌肉机制，它在接触地面时主动重新调整肢体的力矢量。结合停止和改变方向任务以及不同着地模式的生物力学特征，可以合理预期不同的弓步-着地策略会以不同的方式调节膝关节稳定性和负荷分布（Chen等人，2022年）。

肌肉协同作用作为一个运动模块，涉及通过单一输入信号以固定比例激活肌肉群。它解释了中枢神经系统（CNS）如何通过预编码一组协同作用并将它们结合起来执行动作来控制神经肌肉功能（Taborri等人，2018年）。由于运动是通过这些模块化协同作用的组合产生的，因此运动协调性和稳定性取决于它们的规律性。因此，肌肉协同作用和激活模式直接影响关节负荷。然而，很少有研究探讨羽毛球宽弓步中的足外展如何通过肌肉协同作用影响膝关节腔室的负荷。探索足外展如何通过肌肉协同作用介导的神经肌肉控制机制来增强膝关节的动态稳定性是至关重要的。

因此，本研究旨在：比较羽毛球中足外展和脚向前宽弓步时膝关节内侧和外侧腔室负荷的相对贡献；分析肌肉协同作用如何调节外展弓步中的关节稳定性；并揭示降低受伤风险的神经肌肉机制。它为优化带有足外旋的着地技术提供了理论支持。假设：（1）足外展宽弓步可以减少膝关节负荷的相对贡献和ACL受伤风险；（2）不同条件下的肌肉协同结构及激活水平存在差异，伴随拮抗肌共同收缩的变化。

章节片段

参与者

招募了20名男性羽毛球运动员（年龄：22.7 ± 1.7岁；体重：69.6 ± 4.6公斤；身高：1.72 ± 0.08米），他们符合严格的纳入标准：过去六个月内没有下肢受伤史，并且熟练掌握标准化的弓步技术。在测试前，所有参与者在了解实验方案、目标和安全程序后均签署了书面知情同意书。

测试方案

参与者在两种条件下进行弓步着地：脚向前

肌肉骨骼建模、数据处理和验证

本研究使用的肌肉骨骼模型是OpenSim gait2392模型（gait2392_simbodyMedLat_Knee_Model_Lerner_et_al.osim）的升级版本（Lerner等人，2015年），能够估计膝关节的内侧和外侧腔室力量。该全身模型包含23个自由度（DOF）、18个身体部分和92个肌肉-肌腱执行器（图1B）。该模型使用了通用的人工膝关节植入物研究假体组件。

统计方法

所有统计分析均使用SPSS 22.0（IBM公司，美国）进行，连续变量表示为平均值±标准差。为了确保方法学的严谨性，首先通过Shapiro-Wilk检验评估数据正态性。对于符合正态分布的数据集，使用配对t检验来评估差异，而对于非正态分布的数据，则应用非参数Wilcoxon符号秩检验。所有统计显著性水平设定为α = 0.05

内侧和外侧腔室负荷特征

对内侧和外侧腔室接触力的分析（图3）显示了两种着地策略之间存在生物学上的不同负荷模式。与脚向前策略相比，足外展条件下的内侧腔室压力和剪切力显著较低（P = 0.041；P = 0.033）。相反，足外展着地时外侧腔室压力升高（P = 0.038）。

内侧和外侧腔室的力矩分析显示

两种宽弓步着地策略下膝关节负荷的相对贡献

本研究的首要目的是比较膝关节内侧和外侧腔室负荷的相对贡献。结果显示，与脚向前着地相比，足外展宽弓步显著降低了内侧腔室的压力、剪切力和屈曲力矩，但增加了外展力矩和外侧腔室的压力。弓步着地涉及膝关节接触和韧带负荷。胫股关节在冠状面和矢状面上的对齐方式影响腔室负荷

结论

足外展弓步策略减少了膝关节的接触力和力矩。这种模式下足跟到全脚的滚动过程在着地过程中主导了足部到髋部的耦合。因此，为了防止快速、高冲击的弓步着地中的膝关节损伤，应强调基于足外展的技术优化以减少膝关节负荷。在足外展着地中观察到的神经肌肉协同作用可能通过精炼多余的关节自由度来增强稳定性

资金信息

本研究得到了中国教育部人文社会科学基金的支持（项目编号23YJA890047）。

未引用的参考文献

张彦龙（2025年）。

CRediT作者贡献声明

张彦龙：撰写——原始草稿、方法学、资金获取、正式分析、概念化。尹彦玉：撰写——审阅与编辑、可视化、数据管理。于晓：监督、调查。孙明禾：资源提供、调查。毕庚超：软件、数据管理。陈思：撰写——审阅与编辑、验证、监督。

伦理批准和参与同意

本研究已获得牡丹江师范学院伦理委员会的批准，批准编号为2025003。所有参与者在参与前均签署了书面知情同意书。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢所有参与者对这项工作的重大贡献。