踝关节跖屈_背屈肌群的生物力学研究进展与不足

第28卷第3期北京体育大学学报Vol.28No.3 2005年3月Journal of Beijing Sport Universi ty M ar.2005

踝关节跖屈、背屈肌群的生物力学研究进展与不足

郭新明1,王向东2

(1.太原师范学院体育系,山西太原030012;2.国家体育总局体育科学研究所,北京100061)

摘要:查阅了大量的资料基础上,从踝关节的解剖学特征、生物力学特征、肌肉工作形式和肌力测试手段,

及对踝关节跖屈、背屈肌肉力量的研究等方面进行了论述,同时指出以往研究的不足。指出对于普通青年的

踝关节的研究的重要性。

关键词:生物力学;踝关节;解剖学;肌力;跖屈;背屈

中图分类号:G804161文献标识码:B文章编号:1007-3612(2005)03-0364-03

Advances and Shortages of Sports Biomechanics Study on Plantar and Dorsal Flexor of Ankle

GUO Xin-min1,W ANG Xiang-dong2

(1.Department of Physical Educati on,China Insti tute of Sports Science,Beiji ng100084,China;

2.Sports Science Institute,General Ad ministration of Sports,Beijing100061,China)

Abstract:Based on the vast data,we su mmarized the characteristics of anatomy,biomechanics,work modes of muscle,

methods of testing muscle strength and the studies on plantar and dorsal flexor,as well as the shortages in the study.We

emphasized the i mportance of studying the ankle of normal youths.

Key words:Ankle;Anatomy;Sports Biomechanics;Muscle Strength;Plantar Flexion;Dorsiflexion

踝关节已经被公认为是运动中最容易受伤的关节,踝关节最常见的受伤形式是踝作跖屈内翻动作时,最常受伤的韧带的是距腓前韧带[1]。Mack[2]报道了踝关节受伤占了跑跳运动项目总受伤的25%,Garrick[3]等人也有近似的发现,踝关节如此容易受伤使得许多人都希望了解踝关节受伤的原因所在。另外,Winter和Wolfson报道了踝跖屈和背屈对人的步态、平衡、跌跤有很密切的关系[4]。Robert[5]也报道了腿部力量特别是踝关节的力量在日常活动中的重要性,通过对踝关节力量的测试可以预测人摆动、平衡、跌跤的可能性。腿部肌肉和踝部肌肉的另外一个重要作用是能够吸收来自地面的冲击,对关节起到保护作用。在体育运动中,许多项目动作的完成都离不开踝跖屈、背屈的参与,如跑、跳、竞走、举重等。所以,不论是日常生活中还是体育活动中,对踝的跖屈、背屈的肌肉力量研究都是有实际意义的。

1踝关节的解剖学特征

从解剖结构特点看,整个踝关节的结构具有/刚0与/柔0这两个不同的力学性能,既能承受各种负荷及超负荷,也能使足环节各个关节彼此协调配合,成为灵活柔韧的装置。踝关节结构是关节头为距骨滑车,关节窝是由胫骨下关节面、内踝关节面和腓骨外踝关节面构成,属于滑车关节,其惟一的轴是横贯距骨滑车的额状轴。距骨连同全部足骨绕此轴转动。由于踝结构的特殊性,踝的两种主要运动是背屈、跖屈。背屈肌群包括胫骨前肌、拇长伸肌、趾长伸肌和第三腓骨肌。这些肌肉位于横轴的前面。跖屈肌群位于横轴的后面,包括小腿三头肌、趾长屈肌、拇长屈肌和胫骨后肌,其中小腿三头肌对跖屈起主要作用。腓肠肌起于膝关节,其他肌肉都起于胫骨,在伸膝位时,肌起端被拉长,可增大其跖屈作用。踝关节的运动除肌肉起作用外,还有一个不可忽略的重要组成部分,肌腱和韧带。尤其是跟腱,它直接通过踝关节,止于跟骨。踝关节有六条三角韧带,这些韧带依附于踝关节上,起连接、保护和加固作用。训练踝的方法和手段应以踝解剖特点做依据,有针对性地进行。

2踝关节的生物力学特征

在人体下肢三大关节中,踝关节是一个末端小关节,在人体运动中,具有重要作用。特别是在跳跃项目中起跳过程的蹬伸阶段,踝关节起主要作用,它的力量强弱直接决定完成动作时支撑的稳定性,决定上位环节作用的效率;它的力量强弱,还决定它参与工作的早晚。如果踝关节的力量素质很好,它可/提前0参与/工作0,从而缩短动作完成的时间,提高动作的速度。就跳高项目来说,起跳腿踝关节的充分提踵,可提高身体重心的初起高度。在起跳阶段踝关节最后蹬伸得好坏将直接影响到人体腾空后的效果。所以要想使人体在保持一定水平速度情况下,获得尽可能大的垂直速度,踝关节蹬伸就必须充分。[6]丘巴(前苏联)的实测材料说明,跑的项目在蹬地过程中踝关节的活动幅度虽然很大(34b~38b角),但小腿三头肌的收缩幅度却很小,在缓冲阶段只被拉长3~4cm,而在蹬伸阶段其长度几乎不变。因此跑步的蹬伸与缓冲时,踝关节的活动是由小腿三头肌肌腱的弹性形变与复原进行的。它可以在跑的制动阶段,通过肌腱的形变而储备能量,它能储存制动阶段人体能量损失的75%~90%。踝关节结构功能的生物

投稿日期:2004-05-16

作者简介:郭新明(1969-),男,山西人,讲师,研究方向高校体育教学与研究。

力学特点,决定它在训练上的特殊性和艰难性。

3肌肉工作形式及常用的肌力测试研究手段

人体的运动是由附着在骨骼上的肌肉收缩牵拉环节运动而产生的,所以肌肉在各种收缩方式下的工作特性就成了研究的重点之一。根据肌肉工作特征,肌肉的收缩分为静力性(等长)收缩和动力性(等张和等速)收缩两类,等张收缩和等速收缩又分别包括向心和离心两种收缩形式。就肌肉工作而言,无论转动与平动都属于动力性工作,这时,肌肉既对抗阻力又产生位移。它包括向心工作和离心工作:向心工作是指肌肉收缩力大于外界阻力,环节朝肌肉的拉力方向运动,肌肉沿自身长轴缩短,牵拉环节屈曲,做正的工作,肌肉的这种工作也被称为克制工作。如肱肌和肱二头肌在提起重物时所做的工作;离心工作是指肌肉收缩力小于外界阻力,环节背着肌肉的拉力方向运动;肌肉被逐渐拉长,做负的工作,肌肉的这种工作也被称为退让工作[7]。如上述肌肉在放下重物时所做的工作。与动力性工作相对应的是静力性工作,即当肌肉用力只能与阻力相平衡时,肌肉的长度保持不变,只有肌肉张力增加,而不产生环节的位移。如三角肌在臂平举姿势,股四头肌在马步站桩时,上肢肌在悬垂时,下肢肌在单足立时所做的工作。

肌肉力量常用的几种测试方法分别是等长测试、等张测试和等速测试。等长测试是指环节运动速度为零,测试任意选定角度的力矩,其特点是表现为环节不出现外部运动。等长力量测试主要用来评定一个肌群产生最大静态力的能力。[8]通常人们总是把等长收缩同动力性收缩(向心、离心)严格地区分开来。等张测试是指预先设定几个阻力矩,测试环节在整个活动范围内的速度变化情况。所测肌群的等张力量常常是由通过一个关节活动范围所能举起的最大重量决定的。这个测试的局限性是不能控制来自于其他辅助肌群的贡献。等速测力与常用的等长和等张测力方法有很大不同。等速测试是指保持环节的运动速度不变,测试环节在整个活动范围内的力学指标(力矩、功、功率等)。等速收缩又可分为等速向心收缩和等速离心收缩。等速测力装置允许受试者在整个关节活动范围内都尽可能最大用力直到达到预定的速度。当肢体运动的速度超过仪器预定速度时,等速测力装置将产生阻力以确保速度保持恒定。等速测试有自身几个独特的优点。第一:在所测关节的整个活动范围内,肌群始终可以最大用力。因为在整个关节运动范围内没有一个固定的阻力,所以,等速测试有利于促进肌群在整个运动范围内都最大用力。第二:在康复治疗过程中等速测试能够提供更加安全的训练形式。因为等速测试能在病人感到不适或疼痛时立即解除阻力,所以等速测试比等张测试更加安全可靠。第三:等速测试可以定量的评定肌群产生力量或力矩的能力。

通过等速测试对运动员的科学选材及基础理论的研究工作都有很重要的意义。如王河[9]通过测试普通男女青年的肩关节肌群力量,建立起中国普通男女青年肩关节力量的标准,还有邱建宏[10]测试了普通男女青年膝关节和肘关节的肌群力量,建立起中国普通男女青年膝、肘关节力量的标准。Tadeusz Bober[11]测试了普通健康青年肘关节、肩关节、膝关节和髋关节的肌群力量,建立了普通青年力量的标准。这些数据的收集不仅可使我们观察出运动员和普通人在肌肉力量上的差别,而且可观察出不同运动项目运动员之间、同一项目不同等级运动员之间各主要用力关节、肌群的力量水平与有关肌群之间的合理肌力比例,为建立合理模型做准备。

4有关踝关节跖屈、背屈肌肉力量的研究情况

自1967年Hislop和Perrine首次提出等速测试理论以来,国内外关于人体关节肌力研究的文章已达数千篇,但大多数研究都集中在对膝[10-14]、髋[15-16]和肩关节[17-18]的研究上。国内外关于踝关节肌群力量的研究是比较有限的。刘星亮[19]等人利用等速测力系统对女子体操运动员进行了膝、踝关节肌群力量素质的测试,指出两踝关节爆发力量指数的大小,可直接影响到运动员在做爆发式起跳时力量是否达到同步性。张贵敏[15]等人通过等速测力系统的测试,发现当角速度为120(b)/s时,运动员的各关节伸肌最大力矩明显高于屈肌最大力矩,膝关节屈/伸最大力矩比值高于正常人的比值。髋关节的屈/伸比在50%,而踝关节伸肌最大力矩远远高于屈肌力矩值。1979年Axel R.fugl-meyer[20]等人对健康中年男子踝关节跖屈肌群进行了等长、等速向心测试,对跖屈肌群力矩和肌肉结构进行了研究。1980年仍然是Axel R.fugl-meyer[21]等人对135名健康男女白领工作者的踝关节跖屈肌群进行了等长、等速向心测试,提供了较完整的踝关节跖屈肌群的生物力学参数。1985年Gj.vaningen schenau[22]研究了踝关节跖屈在复杂运动中力矩和角速度间的关系,通过纵跳实验,利用测力台和摄影获得了踝的跖屈在纵跳中力矩、功、角速度。结果发现最大功率出现在平均最大力矩的60%处和平均最大角速度的80%处,纵跳中测到的踝跖屈最大功率是等速测量中踝跖屈最大功率的6倍。1987年Birgi tta[23]等人研究了运动员踝关节在等速向心测试下跖屈肌群、背屈肌群的力矩与速度的关系,结果发现跖屈肌力要大于背屈肌力,而且肌力矩都随着角速度的增加而减小。1990年Bobbert[24]等人比较了正常人踝关节在等速测量中和单腿纵跳实验中的机械输出,等速跖屈的材料靠CYBEX获得,纵跳实验的材料则通过测力台和摄影获得。结果表明在任意一个给定的大于1rad/s的角速度下,受试者在纵跳过程中产生的力矩要比等速测试下跖屈产生的力矩大。1994年Robert[25]等人对健康老年人的踝关节跖屈、背屈肌肉力量进行了测量,等长测量用的是手持肌力计,等速测量用的是KIN-COM等速装置,结果表明用两种仪器测量的可信度都是可以的。1997年Cyn thia[26]等人用BIODEX等速装置分别对健康人,患有功能性踝不稳的人,和有过踝功能不稳病史但现已康复的人踝的跖屈,背屈进行了测量。结果发现这三种人在踝的活动范围、力量、功的数值上没有明显的差别。总的力量和功的平均值对于踝的跖屈来说分别是11.75/3.42,对于背屈来说分别是3.39/1.48。背屈总力矩是跖屈总力矩的31.43%。

综上所述,以往的研究具备以下几个特点:1)有关运动员关节肌力生物力学方面的研究比较多,而普通人的少。这一点国内尤为突出。运动员经过各种专项训练后其身体状况与普通人有较大差异,所得数值不能适合普通人。2)对膝、髋、肩关节研究得多,而其它关节研究得少,尤其是关于普通青年踝关节的研究国内还未见到。3)以往对踝关节的研究不够全面系统,对跖屈肌群力量研究的比较多而对背屈肌群力量研究的较少,等长测试及等速向心测试的材料较多而离心测试的材料较少,这样就不可能完整而准确地揭示踝关节的生物力学特征。