徐玉鵬 姚軍威 馬勇 鄭偉濤

1 武漢體育學(xué)院（武漢 430079）

2 國家體育總局體育工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢 430079）

體育活動日益受到社會各界重視，為了追求健康的生活方式，越來越多的民眾逐漸投入到體育運(yùn)動中去，其中超重和肥胖人群是不可忽視的一個群體。有研究證實(shí)超重和肥胖與下肢骨骼肌肉疾病有著密切關(guān)聯(lián)[1]。超重和肥胖人群在站立初期表現(xiàn)出更大的膝關(guān)節(jié)外翻角度和髖關(guān)節(jié)內(nèi)收角度，可能是由于超重導(dǎo)致下肢塌陷進(jìn)而影響下肢正常力線，同時也預(yù)示著超重和肥胖人群在運(yùn)動中有潛在的損傷風(fēng)險[2]。落地縱跳（drop jump，DJ）是許多運(yùn)動和訓(xùn)練中常見的動作模式，從高處落地適當(dāng)緩沖后立刻垂直向上跳起，整個動作周期分為兩個階段：離心階段、向心階段[3，4]。DJ動作有時被應(yīng)用于篩查運(yùn)動員下肢損傷風(fēng)險，動作中表現(xiàn)出較大的膝外翻角度、較低的膝關(guān)節(jié)屈曲角度、較高的垂直地面反作用力（vertical ground reaction force，VGRF）等，可能與前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）損傷風(fēng)險相關(guān)[5]。但有不少學(xué)者對此種方法提出了質(zhì)疑，認(rèn)為存在較多的敏感因素，例如性別、年齡、運(yùn)動員類別、體重等[6]。有研究表明，超重的青少年在DJ 動作過程中下肢各關(guān)節(jié)峰值力矩到達(dá)時間慢于正常組，說明超重組需要更多的時間來控制和穩(wěn)定他們的身體。超重人群在運(yùn)動中需要消耗比普通人更多的能量，因此更容易產(chǎn)生疲勞，大大增加了運(yùn)動損傷風(fēng)險[2]。

目前，關(guān)于DJ 動作的生物力學(xué)研究中已有性別、運(yùn)動員類別、年齡和不同高度的研究，體重對DJ 動作的影響還需要進(jìn)一步研究。本研究旨在通過比較正常人群和超重人群DJ 動作模式的差異，以及運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)及剛度指標(biāo)，探討超重人群在DJ動作中的下肢損傷風(fēng)險，以期為超重人群下肢損傷預(yù)防提供一定理論參考。

1 對象與方法

1.1 研究對象

選取武漢體育學(xué)院24 名在校健康男性作為研究對象，分為正常組與超重組，每組12人（表1）。體重指數(shù)（body mass index，BMI）在24 ～27.9 kg/m2定義為超重人群類別[7]。所有對象無心血管類疾病，6 個月內(nèi)無下肢損傷病史。通過踢球法[8]確定優(yōu)勢側(cè)腿，統(tǒng)一選取右側(cè)為優(yōu)勢側(cè)的對象。受試者熟知實(shí)驗(yàn)流程并能順利完成。

表1 受試者基本情況

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)在武漢體育學(xué)院體育工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用Vicon 三維光學(xué)運(yùn)動捕捉系統(tǒng)（Vicon Motion Systems，Oxford，英國，采樣頻率200 Hz）、Kistler三維測力臺（9260AA6，瑞士，采樣頻率1 kHz）同步完成，所采集的原始數(shù)據(jù)通過Visual 3D軟件進(jìn)行計算處理。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)開始前受試者簽署知情同意書，換上緊身運(yùn)動短褲，之后在跑步機(jī)上進(jìn)行10 min 熱身。熱身結(jié)束后受試者站立于瑜伽墊上，對其骨性標(biāo)志粘貼38 個marker點(diǎn)（骨盆、大腿、小腿、足），通過紅外高速攝像機(jī)進(jìn)行運(yùn)動捕捉，據(jù)此建立人體下肢模型，模擬下肢三關(guān)節(jié)運(yùn)動。為了避免鞋底緩沖影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所有受試者統(tǒng)一赤腳完成實(shí)驗(yàn)動作。

DJ 動作：受試者雙腿自然站立于30 cm 高的木箱上[5]，與肩同寬。口令開始后受試者雙手插腰，以免產(chǎn)生擺臂慣性；前足懸空，后足腳跟站立，重心緩慢前移直至自然下落，確保在下落過程中無水平加速度，雙腳落于左右不同測力臺，適當(dāng)緩沖后盡自己最大能力垂直向上跳，落地時盡量落于起跳時的位置[9]。每位受試者完成三次合格動作。

1.2.3 參數(shù)選取

運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)數(shù)據(jù)采用Visual 3D軟件進(jìn)行初步計算，然后通過Butter-worth 二階雙向?yàn)V波器進(jìn)行低通濾波，截止頻率為8 Hz[10]，最后將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。時刻定義：將整個動作周期分為兩個周期：（1）離心期（eccentric phase）：腳底觸地時刻（垂直地面反作用力＞10 N）至膝關(guān)節(jié)屈曲角度最大時刻；（2）向心期（concentric phase）：膝關(guān)節(jié)屈曲角度最大時刻至腳尖離地時刻。以實(shí)驗(yàn)室坐標(biāo)系建立X、Y、Z 軸，X 軸定義為關(guān)節(jié)屈曲與后伸，Y 軸定義為關(guān)節(jié)內(nèi)收與外展，Z 軸定義為重心位移。本次實(shí)驗(yàn)主要探討下肢三關(guān)節(jié)矢狀面屈伸運(yùn)動。

1.2.3.1 運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)

關(guān)節(jié)角度：髖、膝、踝三關(guān)節(jié)觸地時角度；下肢三關(guān)節(jié)離心末期時關(guān)節(jié)角度；下肢三關(guān)節(jié)腳尖離地時角度；下肢三關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)角度變化量。

1.2.3.2 動力學(xué)數(shù)據(jù)

通過Visual 3D 軟件逆動力學(xué)方法計算下肢各關(guān)節(jié)產(chǎn)生的凈力矩，并除以體重標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)節(jié)力矩：下肢三關(guān)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)化最大蹬伸力矩及出現(xiàn)時間。標(biāo)準(zhǔn)化關(guān)節(jié)功率：下肢三關(guān)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)化蹬伸最大功率及其出現(xiàn)時間。其中定義髖關(guān)節(jié)伸肌力矩、膝關(guān)節(jié)屈曲力矩、踝關(guān)節(jié)背屈力矩為（－）；髖關(guān)節(jié)屈肌力矩、膝關(guān)節(jié)伸膝力矩、踝關(guān)節(jié)跖屈力矩為（+）。所有數(shù)據(jù)通過Visual 3D軟件進(jìn)行了歸一化處理，故力矩變化曲線圖只代表了均數(shù)變化，未添加標(biāo)準(zhǔn)差，見圖1。最大蹬伸力矩統(tǒng)一使用絕對值表示。

圖1 超重組與正常組下肢三關(guān)節(jié)力矩歸一化曲線

1.2.3.3 剛度

下肢剛度=peak GRFvertical/△LCOM，其中peak GRFverti-cal表示垂直地面反作用力峰值，△LCOM表示離心期重心位移變化。

下肢關(guān)節(jié)剛度=△Mjoint/△θjoint，其中△Mjoint表示離心期關(guān)節(jié)力矩變化，△θjoint表示離心期關(guān)節(jié)角度變化[11]。

1.2.4 統(tǒng)計學(xué)方法

所得數(shù)據(jù)均采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，若符合正態(tài)分布，采用t檢驗(yàn)的方式對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析；若不符合正態(tài)分布，采用秩和檢驗(yàn)。采用多元線性回歸統(tǒng)計分析下肢關(guān)節(jié)剛度與下肢剛度相關(guān)性。所有數(shù)據(jù)通過Excel 2016 和SPSS 25.0軟件進(jìn)行處理，P＜0.05為有顯著性差異。

2 結(jié)果

2.1 矢狀面運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)

如表2所示，超重組踝關(guān)節(jié)觸地時刻角度、離心末期角度、關(guān)節(jié)活動度均小于正常組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。超重組膝關(guān)節(jié)離心末期角度、關(guān)節(jié)活動度均小于正常組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。超重組髖關(guān)節(jié)觸地時刻角度和離地時刻角度大于正常組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）；離心末期角度、關(guān)節(jié)活動度小于正常組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

表2 兩組下肢三關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)比較（n=12）（°）

2.2 矢狀面動力學(xué)數(shù)據(jù)

如表3所示，超重組髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)最大蹬伸力矩及功率出現(xiàn)時間均較正常組有延遲，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。超重組踝關(guān)節(jié)最大蹬伸力矩及功率出現(xiàn)時間早于正常組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

表3 兩組下肢三關(guān)節(jié)最大蹬伸力矩及最大功率出現(xiàn)時間比較（n=12）（ms）

圖2 顯示，超重組膝關(guān)節(jié)最大蹬伸力矩大于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。超重組踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)最大蹬伸功率小于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

圖2 正常組與超重組下肢三關(guān)節(jié)最大蹬伸力矩及最大蹬伸功率（n=12）

2.3 剛度

圖3 結(jié)果顯示，超重組在落地過程中下肢剛度大于正常組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。超重組踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)剛度大于正常組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義（P＜0.05）。

圖3 正常組與超重組下肢剛度及關(guān)節(jié)剛度對比（n=12）

如表4 所示，超重組膝關(guān)節(jié)剛度與下肢剛度具有線性關(guān)系（P＜0.05），Beta值為0.660，表明膝關(guān)節(jié)剛度與下肢剛度呈正相關(guān)趨勢。踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)剛度與下肢剛度不具有線性關(guān)系（P＞0.05）。

表4 超重組下肢三關(guān)節(jié)剛度與下肢剛度的線性回歸分析（n=12）

3 討論

3.1 運(yùn)動學(xué)

本研究結(jié)果顯示，正常組落地過程中下肢髖、膝和踝關(guān)節(jié)活動度明顯優(yōu)于超重組，其原因可能是由于超重人群落地時產(chǎn)生了較大的沖擊力，為了降低骨關(guān)節(jié)所承受的應(yīng)力，需要關(guān)節(jié)周圍的肌肉過度激活以穩(wěn)定關(guān)節(jié)并吸收一部分沖擊力，過度激活的肌肉雖然穩(wěn)定了關(guān)節(jié)，但肌肉彈性和延展性卻下降了，最終導(dǎo)致關(guān)節(jié)活動度減小。有研究顯示，BMI 與運(yùn)動表現(xiàn)成反比[12]。值得注意的是，超重組在落地時刻和離地時刻髖關(guān)節(jié)角度顯著大于正常組，這與Cowley 等[13]研究結(jié)果相反。本研究的對象是成年男性，Cowley 等研究的研究對象為兒童與青少年，年齡因素可能會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果有差異。這也從反映了超重成年男性在落地過程中需要前傾軀干來維持身體平衡。髖關(guān)節(jié)屈曲角度的增加可以提高腘繩肌抵抗脛骨前移的剪切力，因此可以引起重心有效降低，增加膝關(guān)節(jié)屈曲角度，減少前交叉韌帶損傷幾率[14，15]。觸地時刻超重組踝關(guān)節(jié)背屈角度不足可能是由于超重人群體重過大，再加上從高空落地產(chǎn)生的沖擊力，足底筋膜壓力變大，從而增加了跟腱的張力，最終導(dǎo)致足背屈不足。Woo 等[16]研究認(rèn)為，較大的沖擊負(fù)荷載體著地時會增加ACL損傷風(fēng)險。Hewett等[17]的研究指出，著地時膝關(guān)節(jié)屈曲角度較小，股四頭肌激活程度較高可以加強(qiáng)膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定，但同時也會導(dǎo)致脛骨前移和ACL 損傷。超重人群在DJ 動作過程中膝關(guān)節(jié)表現(xiàn)出較小的屈曲角度，股四頭肌可能更多的是維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定，股四頭肌過度激活可能預(yù)示著超重人群在DJ 落地過程中ACL 風(fēng)險較正常人群高。由于本次實(shí)驗(yàn)沒有聯(lián)合使用表面肌電進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所以無法對肌肉募集情況進(jìn)行更深層次的分析。

3.2 動力學(xué)

本研究結(jié)果顯示，超重組膝關(guān)節(jié)最大蹬伸力矩及最大蹬伸功率出現(xiàn)時間較正常組有顯著性延遲，這與McMillan[2]的研究結(jié)果一致。其原因是超重人群落地后膝關(guān)節(jié)需要更多的時間去穩(wěn)定身體，任何不穩(wěn)定因素都可能導(dǎo)致跌倒或通過遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)代償來穩(wěn)定近端關(guān)節(jié)，這都有可能增加運(yùn)動損傷風(fēng)險。然而，超重組踝關(guān)節(jié)蹬伸力矩及最大蹬伸功率出現(xiàn)時間早于正常組，分析其原因?yàn)檎＝M產(chǎn)生的動作范圍更大，因此整個動作周期比超重組時間長。雖然超重組膝關(guān)節(jié)在發(fā)力時間上出現(xiàn)了延遲，但總體發(fā)力順序仍然是髖-膝-踝的過程，表明超重人群在DJ 動作中動作模式?jīng)]有改變。最大蹬伸力矩方面，超重組膝關(guān)節(jié)最大蹬伸力矩顯著大于正常組，說明超重人群在蹬伸時膝關(guān)節(jié)周圍的肌肉需要產(chǎn)生更多的力量去蹬離地面，這可能會造成膝關(guān)節(jié)承受額外的壓力。有研究[14]認(rèn)為，在落地縱跳運(yùn)動中，蹬離地面時膝關(guān)節(jié)蹬伸力矩越大，膝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險越高。本研究結(jié)果顯示，超重人群踝關(guān)節(jié)最大蹬伸力矩與正常人群無顯著差異，超重人群由于體重大，蹬離地面時除了對膝關(guān)節(jié)周圍肌肉力量有要求，也需要一定的踝關(guān)節(jié)周圍肌肉力量。但從結(jié)果看，超重人群似乎并不能充分地募集肌肉，其原因可能是超重人群落地過程中踝關(guān)節(jié)背屈受限，進(jìn)而影響了彈性勢能的吸收，踝關(guān)節(jié)周圍肌肉因此無法充分被利用。劉丹等[18]研究顯示，超重人群在不同高度單腿落地時膝關(guān)節(jié)最大伸展力矩為1.72 ± 0.47 Nm/kg，顯著大于本研究超重組最大伸展力矩，已有研究[19]指出單腿下落比雙腿下落時會產(chǎn)生更大的伸力矩，同時關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險也更高，因此超重人群在運(yùn)動中需要減少單腿著地動作。本研究只探討了30 cm 高度的落地，在后續(xù)研究中，還需要針對不同落地高度進(jìn)行雙腿落地跳研究。功率是反映做功快慢的指標(biāo)，本研究結(jié)果顯示，雖然超重組膝關(guān)節(jié)最大蹬伸力矩顯著大于正常組，但膝關(guān)節(jié)最大蹬伸功率卻小于正常組，其原因可能是正常人群可以產(chǎn)生更快的蹬伸速度，落地反跳動作利用串聯(lián)彈性成分儲存能量，引發(fā)牽張反射促進(jìn)肌肉的募集，從而使Ia 型感覺神經(jīng)纖維與α運(yùn)動神經(jīng)元共同刺激主動肌群在最短的時間里快速收縮，最終產(chǎn)生較高的爆發(fā)力[20，21]，超重人群因?yàn)榇笾亓亢拖鄬αα坎蛔悖茈y在短時間內(nèi)產(chǎn)生較高爆發(fā)輸出。

3.3 剛度

肢體剛度可以衡量腿部在外力或內(nèi)力的作用下抗形變的能力[22]。本研究結(jié)果顯示，超重組較正常組表現(xiàn)出更大的剛度特性，表明超重人群著地過程中下肢關(guān)節(jié)活動度變化量較小。下肢剛度主要由兩個因素決定：外力和關(guān)節(jié)活動度[23]。超重人群下肢剛度較大的主要原因可能為重心位移距離較短?；仡櫺匝芯縖22]發(fā)現(xiàn)，過高的下肢剛度與骨骼損傷有關(guān)聯(lián)，過小的剛度與軟組織損傷有關(guān)。這說明超重人群下肢骨骼損傷風(fēng)險可能較正常人群高。研究證實(shí)，腿部剛度是運(yùn)動中受傷風(fēng)險的一個重要指標(biāo)，雙側(cè)腿部剛度的差異同樣也增加了非接觸性損傷的可能性[24]。本研究并沒有對弱側(cè)腿進(jìn)行研究，后續(xù)還需要對超重人群雙側(cè)腿部差異做進(jìn)一步研究。關(guān)節(jié)剛度與關(guān)節(jié)力矩和關(guān)節(jié)角度有關(guān)，從本研究結(jié)果來看，超重組膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)剛度均大于正常組，其中膝關(guān)節(jié)剛度差異較大，超重人群可能會因?yàn)橄リP(guān)節(jié)活動范圍較小和垂直地面反作用力增加導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)負(fù)荷增加，從而增加下肢損傷風(fēng)險。這可能提示超重人群膝關(guān)節(jié)剛度對下肢剛度有著重要作用。關(guān)于性別對下肢剛度的研究發(fā)現(xiàn)[25]，男性由于垂直地面反作用力的增加和重心垂直位移距離變短導(dǎo)致下肢腿部剛度較女性更大；關(guān)節(jié)方面男性踝關(guān)節(jié)剛度比女性高。超重人群主要因?yàn)轷钻P(guān)節(jié)活動度小導(dǎo)致了踝關(guān)節(jié)剛度較正常人群大。本研究結(jié)果顯示，超重人群膝關(guān)節(jié)剛度與下肢剛度有相關(guān)性，既往研究[26]發(fā)現(xiàn)，除女性舞蹈運(yùn)動員以外，膝關(guān)節(jié)剛度是唯一對下肢剛度有貢獻(xiàn)的變量。這說明不同的運(yùn)動員類型和訓(xùn)練習(xí)慣會對下肢關(guān)節(jié)剛度產(chǎn)生一定影響。

4 結(jié)論

超重人群在落地縱跳過程中與正常人群相比，關(guān)節(jié)活動度不足，膝關(guān)節(jié)力矩過大，從而導(dǎo)致了下肢剛度過大。因此超重人群較正常人群有較高的損傷風(fēng)險。超重人群在訓(xùn)練中要注重關(guān)節(jié)活動度的訓(xùn)練，同時注意膝關(guān)節(jié)防護(hù)，避免膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生運(yùn)動損傷。