體操運(yùn)動員后空翻落地與垂直落地的下肢生物力學(xué)比較研究

體操運(yùn)動員后空翻落地與垂直落地的下肢生物力學(xué)比較研究

吳成亮，郝衛(wèi)亞，李旭鴻，肖曉飛，婁彥濤體操的每一次訓(xùn)練或比賽都是以落地作為動作結(jié)束，落地站穩(wěn)是運(yùn)動員取得名次的關(guān)鍵。國際體操聯(lián)合會（FédérationInternationaledeGymnastique，F(xiàn)IG）的評分規(guī)則規(guī)定，結(jié)束動作的落地若有一小步位移扣0.1分，一步或一小跳扣0.3分，一個跨步扣0.5分，跌倒扣1.0分。然而，體操比賽中落地失誤較多，97名男子體操運(yùn)動員在自由操比賽落地中失誤率高達(dá)71.9%（Marinseketal.，2010）。體操運(yùn)動員損傷發(fā)生率也很高，尤其是落地過程中的下肢關(guān)節(jié)損傷（吳成亮等，2019；Westermannetal.，2015）。流行病學(xué)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，體操運(yùn)動員下肢損傷分別占比賽和訓(xùn)練總損傷數(shù)次的53%和69%（Marshalletal.，2007），且多發(fā)生在自由操和跳馬項目中，空翻加轉(zhuǎn)體的落地是造成損傷的主要動作（謝清等，1997）。理解潛在損傷的生物力學(xué)機(jī)制，將有助于預(yù)防運(yùn)動損傷，提高防護(hù)效果（郝衛(wèi)亞，2017）。落地過程中會產(chǎn)生較大的沖擊力，帶來潛在的損傷風(fēng)險（McNittGray，1991）。高速的落地沖擊，雙腳將承受幾倍于自身體質(zhì)量的垂直地面反作用力（verticalgroundreactionforce，vGRF），且隨落地高度的增加而增加。如0.5m高度垂直落地的峰值垂直地面反作用力（peakverticalgroundreactionforce，PvGRF）為3倍體質(zhì)量（bodyweight，BW），2.0m時PvGRF可達(dá)12BW（McNittGray，1991）。體操運(yùn)動員每周大約會承受200次的落地沖擊（Gittoesetal.，2012），其PvGRF達(dá)到7.1～15.8BW（Slateretal.，2015）。反復(fù)和較大的vGRF也可能導(dǎo)致運(yùn)動員下肢過度使用、損傷高發(fā)（Millsetal.，2009）。有研究認(rèn)為，體操運(yùn)動員損傷的高發(fā)與落地下肢關(guān)節(jié)承受過多載荷有關(guān)（Dalyetal.，2001；Wadeetal.，2012）。而且，為了表現(xiàn)良好的藝術(shù)性，F(xiàn)IG的評分規(guī)則規(guī)定，體操運(yùn)動員落地時膝關(guān)節(jié)不能過度屈曲（FIG，2017）。有研究證實(shí)，在垂直落地中，專業(yè)體操運(yùn)動員比業(yè)余愛好者有更大的vGRF，這是因為專業(yè)體操運(yùn)動員下肢通常會采用較為“剛性”的落地，即膝關(guān)節(jié)屈曲小于90°（Christoforidouetal.，2017；Devitaetal.，1992；Jeffetal.，2003）。具體來說，這種落地模式會增加腿的剛度，導(dǎo)致下肢損傷風(fēng)險增加（Butleretal.，2003）。Bradshaw等（2012）跟蹤調(diào)查兩位體操運(yùn)動員8年后發(fā)現(xiàn)，踝關(guān)節(jié)剛度分別增加10.8kN/m和13.9kN/m，且他們一只或雙腳后跟存在不同程度的疾病。目前，關(guān)于落地生物力學(xué)研究多集中于垂直落地任務(wù)，鮮見對于體操落地研究。Niu等（2011）采用不同高度垂直落地模擬跳傘動作的研究發(fā)現(xiàn)，隨著落地高度的增加，vGRF的負(fù)載率和沖量會相應(yīng)增加。Collings等（2019）綜述了垂直落地任務(wù)對無擋板籃球（又稱英式籃球）的損傷風(fēng)險研究，篩選的149篇論文中54%的論文并沒有給出選擇垂直落地任務(wù)的理由，15%的論文是因為之前的研究使用過，還有部分論文是因為垂直落地任務(wù)方便進(jìn)行實(shí)驗控制。有文獻(xiàn)證據(jù)表示，垂直落地的生物力學(xué)參數(shù)可能無法有效評估具體落地任務(wù)，研究應(yīng)考慮垂直落地任務(wù)的局限性。在體操運(yùn)動員垂直落地研究中，McnittGray等（1993）發(fā)現(xiàn)，下落過程中下肢先伸展，然后在即將落地前屈曲。然而，并不清楚類似落地策略是否會在實(shí)際體操落地中發(fā)生。有研究指出，增加下肢關(guān)節(jié)的屈曲可以減小落地沖擊（Slateretal.，2015），但肌肉和韌帶會加入更多的補(bǔ)償從而增加損傷風(fēng)險，同時也會影響落地的穩(wěn)定性，尤其是在高速落地沖擊中（Bradshawetal.，2012；Tantetal.，1989）。另外，現(xiàn)有研究通常都是分析整個落地沖擊過程，此過程被定義為開始觸地到膝關(guān)節(jié)達(dá)到最大屈曲角度（Christoforidouetal.，2017），或身體質(zhì)心下降最大高度（Gittoesetal.，2012），或局部最小垂直地面反作用力（McNittGrayetal.，2001）。所以，尚不清楚體操運(yùn)動員在不同落地沖擊階段是否會采用不同策略，以及哪一階段的損傷風(fēng)險更高。落地是在神經(jīng)肌肉控制下的復(fù)雜動作，需要對落地時間、空間和GRF進(jìn)行預(yù)測，同時在主動肌和拮抗肌的協(xié)同作用下完成（Christoforidouetal.，2017）。后空翻是體操的基本動作，也是體操運(yùn)動員最常用的動作之一，由其發(fā)展和連接的體操動作也十分常見（FIG，2017）。Marianne等（2013）研究平衡木的后空翻落地動作，僅從運(yùn)動學(xué)視角分析身體在空中的轉(zhuǎn)動策略；Mkaouer等（2013）研究了后空翻的起跳和空中動作，認(rèn)為較高的起跳重心高度有利于動作的完成。這兩項研究都未對落地進(jìn)行分析。?uk等（2013）對體操前空翻和后空翻落地的對稱性進(jìn)行研究，為了避免非對稱性落地，運(yùn)動員需要足夠的騰空高度、更大的角動量和更好的控制角速度。Slater等（2015）對精英體操運(yùn)動員下降著陸與后空翻落地進(jìn)行比較研究，下降著陸的PvGRF更小、下肢關(guān)節(jié)屈曲角度更大，聚焦于體操規(guī)則，認(rèn)為應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)修改——鼓勵運(yùn)動員落地時增加下肢關(guān)節(jié)屈曲范圍，從而達(dá)到減小落地沖擊力的目的，但文中并沒有考慮到下降著陸不是體操動作的落地，由此得出修改體操規(guī)則的建議有失偏頗。國內(nèi)關(guān)于后空翻的研究多集中在對某個高難度（多周的轉(zhuǎn)體或翻騰）后空翻動作的個案分析，鮮見對基礎(chǔ)的后空翻動作進(jìn)行深入探討。因此，本研究通過對高水平體操運(yùn)動員后空翻落地與垂直落地的對比分析，揭示實(shí)際體操落地是否具有特殊的下肢生物力學(xué)特征，以及這些特征是否會增加運(yùn)動員損傷風(fēng)險。1研究對象與方法1.1研究對象中國男子體操隊運(yùn)動員6人，年齡（17.3±1.3）歲，身高（165.7±5.0）cm，體質(zhì)量（57.3±3.9）kg，都曾參加體操世界杯或/和錦標(biāo)賽，且近6個月未發(fā)生骨骼肌肉損傷。告知所有運(yùn)動員實(shí)驗過程，并簽署知情同意書。根據(jù)《世界醫(yī)學(xué)大會赫爾辛基宣言》，本研究獲得國家體育總局體育科學(xué)研究所倫理委員會同意并批準(zhǔn)（委1627）。1.2儀器1）QualisysOqus運(yùn)動捕捉系統(tǒng)，產(chǎn)于瑞典，包含9個攝像頭（8個紅外攝像頭和1個高清攝像頭），配備直徑為16mm標(biāo)準(zhǔn)紅外反光markers采集落地動作的三維運(yùn)動軌跡，采樣頻率為250Hz。2）Kistler三維測力臺1塊（40cm×60cm×5cm，型號：9260A），產(chǎn)于瑞士，外置信號放大器，采樣頻率為1000Hz。3）Delsys肌電測試儀，由美國Delsys公司生產(chǎn)的16通道表面肌電采集系統(tǒng)，對兩側(cè)下肢膝、踝關(guān)節(jié)主要肌群（股二頭肌、股直肌、脛骨前肌、腓腸肌外側(cè)頭）的肌電信號進(jìn)行測量，采樣頻率為2000Hz。1.3實(shí)驗過程體操運(yùn)動員首先進(jìn)行15min熱身活動（包括慢跑、跳步和拉伸），然后每名運(yùn)動員依次完成兩種方式的落地（85cm垂直落地和體操后空翻落地）各3次，共6次落地，每個動作間隔時間約1min。1）垂直落地動作要求：無初速度的垂直落地，雙腳落在測力臺上，以體操運(yùn)動員慣用方式落地，盡量保持落地站穩(wěn)，不能有邁步或跳步；2）后空翻落地要求：運(yùn)動員赤足站立于測力臺前方適合位置，后空翻落地于測力臺上方，不能有邁步或跳步。使用QualisysOqus運(yùn)動捕捉系統(tǒng)對三維運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，標(biāo)準(zhǔn)紅外反光markers粘貼于頭、第七頸椎，以及兩側(cè)肩胛骨內(nèi)角、膝、踝、跖趾關(guān)節(jié)、腳后跟和腳趾（圖1），具體位置參考CAST全身markers模型（Sint，2007）。測力臺上放置與其大小相同的落地墊（厚5cm），并在周圍用泡沫軟墊進(jìn)行保護(hù)。落地墊對vGRF結(jié)果影響很小，12cm厚的落地墊使結(jié)果約減小5%（McNittGrayetal.，2001）。使用Delsys無線表面肌電系統(tǒng)采集兩側(cè)下肢的表面肌電信號，肌電粘貼方法及位置事先參考SENIAM指南（Hermensetal.，1999）。運(yùn)動捕捉系統(tǒng)、測力臺和無線表面肌電系統(tǒng)使用內(nèi)同步進(jìn)行同步處理。由2名國家級裁判根據(jù)體操評分規(guī)則，選出每名參與者完成最好的各一個類型落地動作進(jìn)行結(jié)果分析。圖1紅外反光markers和EMG傳感器在體操運(yùn)動員身上的位置Figure1.LocationofRetro-ReflectiveMarkersandEMGSensorsontheGymnasts1.4數(shù)據(jù)處理對于兩種落地方式，本研究重點(diǎn)關(guān)注落地過程中的預(yù)激活階段［T0，觸地前100ms（Komietal.，1987）］和落地沖擊階段，并將落地沖擊階段分為兩個亞階段：T1落地沖擊初期，從觸地到PvGRF；T2落地沖擊后期，從PvGRF到vGRF回到1BW。使用QualisysTrackManager軟件對三維運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，低通截斷頻率10Hz進(jìn)行濾波（Slateretal.，2015）。下肢髖、膝和踝關(guān)節(jié)角度和角速度通過關(guān)節(jié)上3點(diǎn)組成的2條直線進(jìn)行計算。通過測力臺獲得的vGRF使用低通截斷頻率50Hz進(jìn)行濾波（Slateretal.，2015），vGRF峰值用每個運(yùn)動員的體質(zhì)量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。落地瞬間定義為測力臺vGRF＞10N的第1時刻（Christoforidouetal.，2017），從觸地到vGRF峰值的時間定義為TtoPvGRF，落地沖擊階段的時間定義為TtoBW，PvGRF除以達(dá)到PvGRF的時間定義為負(fù)載率。根據(jù)沖量計算公式：I=∫F*Δt，計算落地沖擊階段垂直沖量。使用動態(tài)姿勢穩(wěn)定性系數(shù)（Dynamicposturaldtabilityindex，DPSI）評價落地的動態(tài)穩(wěn)定性（Wikstrometal.，2005），包括前后（APSI）、內(nèi)外（MLSI）和垂直（VSI）3個方向上的分量，評估GRF數(shù)據(jù)集在零附近波動的均方差，由于vGRF遠(yuǎn)大于其他方向，所以本研究以VSI指數(shù)來評價落地的動態(tài)穩(wěn)定性，計算公式為：式中，bodyweight為運(yùn)動員體質(zhì)量；numberofdatapoints為數(shù)據(jù)的個數(shù)，通常取3s內(nèi)的數(shù)據(jù)個數(shù)為佳（Wikstrometal.，2005），本研究測力臺采樣頻率為1000Hz，3s內(nèi)的數(shù)據(jù)即為3000個。將原始表面肌電信號全波整流后，再進(jìn)行帶通濾波處理（10～400Hz）（VanDieenetal.，2009）。每名運(yùn)動員的肌電信號采用垂直落地中各個肌電的最大值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。其結(jié)果用均方根（rootmeansquare，RMS）振幅表示：式中，t為EMG信號的開始時間；t＋T為EMG信號的結(jié)束時間。用標(biāo)準(zhǔn)化后的脛骨前肌EMGRMS除以腓腸肌外側(cè)EMGRMS表示踝關(guān)節(jié)的共激活，用標(biāo)準(zhǔn)化后的股二頭肌EMGRMS除以股直肌EMGRMS表示膝關(guān)節(jié)的共激活（Ruanetal.，2010）。在同一時間內(nèi)，利用拮抗肌和主動肌活化程度的比值反映兩肌肉的共激活（Aagaardetal.，2000）：1.5數(shù)據(jù)分析對受兩種落地方式影響的結(jié)果采用配對t檢驗，采用重復(fù)測量方差分析受落地階段（T0、T1和T2）影響的肌電結(jié)果。若落地階段對肌電有顯著影響時，采用LSD事后檢驗評價其顯著性差異發(fā)生的具體階段。所有結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，顯著水平為P＜0.05。2結(jié)果2.1運(yùn)動學(xué)分析髖關(guān)節(jié)屈曲角度在觸地前100ms、觸地、達(dá)到PvGRF、1BW時均有顯著差異，膝關(guān)節(jié)屈曲在這4個時刻均無顯著差異，踝關(guān)節(jié)屈曲角度在落地前100ms、觸地時刻表現(xiàn)出顯著差異（圖2）。圖2垂直落地（VL）和后空翻落地（BS）下肢關(guān)節(jié)不同時刻屈曲角度Figure2.FlexionAnglesofLower-LimbJointsduringtheVerticalLanding（VL）andBackwardSomersault（BS）Landing膝關(guān)節(jié)最大角速度在兩種落地方式之間存在顯著差異，髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)最大角速度對應(yīng)的屈曲角度在兩種落地方式之間存在顯著差異（圖3）。圖3垂直落地（VL）和后空翻落地（BS）下肢關(guān)節(jié)最大角速度及對應(yīng)的屈曲角度Figure3.TheMaximumAngularVelocityoftheLower-LimbJointsandItsCorrespondingAnglesduringtheVerticalLanding（VL）andBackwardSomersault（BS）Landing兩種落地方式中，髖、膝關(guān)節(jié)達(dá)到最大角速度時間、達(dá)到PvGRF時間無顯著差異，但上述3個時間都與踝關(guān)節(jié)達(dá)到最大角速度時間存在顯著差異（圖4）。圖4垂直落地（VL）和后空翻落地（BS）到達(dá)下肢關(guān)節(jié)最大角速度和PvGRF的時間Figure4.TimetoMaximumAngularVelocityoftheLower-LimbJointsandPeakVerticalGroundReactionForceduringtheVerticalLanding（VL）andBackwardSomersault（BS）Landing2.2垂直地面反作用力及衍生指標(biāo)兩種落地方式的PvGRF具有顯著差異（圖5a），從觸地到PvGRF的時間有顯著差異（圖5b），負(fù)載率有顯著差異（圖5d），后空翻落地負(fù)載率均值是垂直落地的2.44倍，整個落地沖擊時間和落地沖量無顯著差異（圖5c，圖5e），動態(tài)穩(wěn)定性有顯著差異（圖5f）。圖5垂直落地（VL）和后空翻落地（BS）的vGRF及其衍生指標(biāo)比較Figure5.ComparisonofVerticalGroundReactionForceandDerivedVariablesduringtheVerticalLanding（VL）andBackwardSomersault（BS）Landing2.3肌電學(xué)分析1）股二頭肌：兩種落地方式的EMGRMS在T0和T2階段有顯著差異（圖6a），垂直落地中T1和T2的EMGRMS有顯著差異（P＜0.05），后空翻落地中T2的EMGRMS顯著高于T0和T1（P＜0.05）。2）股直?。簝煞N落地方式的EMGRMS有顯著差異（圖6a），T2顯著大于T0（P＜0.05）。3）脛骨前肌：不同階段EMGRMS具有顯著差異（圖6b），兩種落地方式的EMGRMS無顯著差異，但后空翻的平均值明顯大于垂直落地。4）腓腸肌外側(cè)：在T0階段，后空翻EMGRMS顯著大于垂直落地，兩種落地方式T2的EMGRMS顯著大于T1（圖6b）。圖6垂直落地（VL）和后空翻落地（BS）的膝關(guān)節(jié)（a）和踝關(guān)節(jié)（b）標(biāo)準(zhǔn)化后肌電共收縮Figure6.CoactivationofNormalizedEMGofKnee（a）andAngle（b）duringtheVerticalLanding（VL）andBackwardSomersault（BS）Landing3分析與討論本研究對體操運(yùn)動員垂直落地和后空翻落地的下肢運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和肌電特征進(jìn)行量化分析。兩種落地方式都要求運(yùn)動員以體操慣用方式落地，保持落地的穩(wěn)定性和美感。后空翻是體操基礎(chǔ)技巧類動作，在訓(xùn)練和比賽中的使用頻率較高，探明實(shí)際體操動作落地與垂直落地是否存在顯著差異，有利于揭示實(shí)際體操落地的生物力學(xué)規(guī)律，從而提高運(yùn)動損傷的防護(hù)效率。后空翻落地下肢關(guān)節(jié)屈曲角度變化較小，沖擊負(fù)荷較大。在落地過程中，后空翻的髖、踝關(guān)節(jié)角度變化明顯小于垂直落地，減小了髖、踝關(guān)節(jié)活動度對落地沖擊的緩沖。John等（2008）在研究排球運(yùn)動員落地時發(fā)現(xiàn)，關(guān)節(jié)屈伸角度變化對沖擊力的影響比下降高度影響較大，較小的關(guān)節(jié)屈曲會產(chǎn)生更大的落地沖擊，這可能解釋了本研究中后空翻比垂直落地?fù)碛懈蟮臎_擊力。兩種落地方式的膝關(guān)節(jié)屈曲無顯著差異，這與體操評分規(guī)則規(guī)定落地不允許有過大膝關(guān)節(jié)屈曲有關(guān)（FIG，2017），運(yùn)動員長期訓(xùn)練已經(jīng)形成以較小的膝關(guān)節(jié)屈曲落地的習(xí)慣。另外，雖然后空翻落地的髖關(guān)節(jié)屈曲活動范圍較小，但髖關(guān)節(jié)屈曲程度始終比垂直落地更大。有研究報道，通過增加軀干的前傾可以減小落地的沖擊力（Blackburnetal.，2009）。本研究中，髖關(guān)節(jié)屈曲程度較大也相當(dāng)于軀干前傾增加，其目的可能也是為了減小落地沖擊力。盡管如此，后空翻落地的沖擊負(fù)荷依然高于垂直落地，長期反復(fù)的體操落地訓(xùn)練，勢必會增加下肢關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險（Dalyetal.，2001；Millsetal.，2009；Wadeetal.，2012）。兩種落地方式下肢關(guān)節(jié)角速度峰值及其對應(yīng)角度有不同特征。后空翻落地的膝關(guān)節(jié)角速度峰值比垂直落地更大，使膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)動能，從而耗散更多的落地沖擊能量。Zhang等（2000）發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)在落地過程中是主要耗散能量的下肢關(guān)節(jié)，而后空翻落地的膝關(guān)節(jié)可能發(fā)揮更大的緩沖效應(yīng)。兩種落地的髖、踝關(guān)節(jié)角速度峰值對應(yīng)的屈曲角度有顯著差異，說明二者高速落地狀態(tài)中的身體姿態(tài)有明顯差異。值得注意的是，兩種落地的髖、膝關(guān)節(jié)達(dá)到最大角速度的時間與達(dá)到PvGRF的時間相近，且都要顯著長于踝關(guān)節(jié)，表明在落地沖擊初期，髖、膝關(guān)節(jié)角速度響應(yīng)與落地沖擊保持同步，可能參與更多的落地緩沖；踝關(guān)節(jié)的速度響應(yīng)先于落地沖擊，即在落地沖擊中提前固定關(guān)節(jié)，這可能有利于落地站穩(wěn)，但減小了關(guān)節(jié)活動度對于落地沖擊的緩沖，從而增加踝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險。通常情況，髖、膝關(guān)節(jié)周圍肌肉質(zhì)量大，對沖擊吸收的功率和負(fù)功也就較大，可以較好地吸收沖擊能量；踝關(guān)節(jié)周圍肌肉質(zhì)量小，這也是其產(chǎn)生更高損傷風(fēng)險的原因（Coventryetal.，2006）。兩種落地方式呈現(xiàn)不同的落地負(fù)荷特征。典型的垂直落地一般出現(xiàn)“一小一大”兩個vGRF峰值，這兩個峰值通常分別由腳尖落地產(chǎn)生和隨后的腳跟落地產(chǎn)生（張希妮等，2017；Jeffetal.，2003）。而后空翻落地vGRF卻呈現(xiàn)單峰值特征，觸地后足迅速從腳尖過渡到全腳掌，前人研究也有類似特點(diǎn)（Slateretal.，2015；Wadeetal.，2012）。兩種落地方式中，后空翻PvGRF顯著大于垂直落地，并且從觸地到達(dá)PvGRF的時間顯著縮短，從而使后空翻落地的負(fù)載率遠(yuǎn)大于垂直落地（Slateretal.，2015），落地動態(tài)穩(wěn)定系數(shù)也更大。所以，后空翻落地總體表現(xiàn)出更大的落地沖擊力、更短的達(dá)到力峰值時間、遠(yuǎn)超垂直落地的負(fù)載率和更難的落地