排球起跳动作中踝关节的生物力学特性研究

　　摘    要：　背景:目前对踝关节的生物力学特性研究多集中于方法学的探讨,对复合动作模式下踝关节生物力学特征的研究较少。目的:分析对排球运动员起跳落地时踝关节的运动学和动力学特性。方法:研究选取天津体育学院排球专项运动的学生男女各20名。主要采用Vicon三维运动捕捉系统和Kistler三维测力台,同步采集受试者在起跳落地时踝关节运动学与动力学参数,总共获得3次有效数据,利用统计学方法对数据进行对比分析。研究方案的实施符合天津体育学院的相关伦理要求,所有受试者均为自愿参加,并对试验过程完全知情同意。结果与结论:(1)发现在该动作模式中,踝关节跖屈角度男性明显小于女性,在起跳阶段踝关节处于内翻和内旋状态,在落地缓冲阶段踝关节处于内翻和外旋状态,且角度男性组略大于女性,此时极易造成踝关节损伤;(2)三维方向的峰力矩和力值男性组均大于女性;三维方向峰值力矩和力出现的时间男性组晚于女性,而且存在双腿力量不均衡以及双脚不同时着地情况。

　　关键词：　踝关节; 生物力学; 急停起跳; 排球;

　　Abstract：　BACKGROUND:The biomechanical studies of ankle joint focus on methodology,and the biomechanical characteristics of the ankle joint under combined modes are little reported.OBJECTIVE:To analyze the kinematics and dynamics characteristics of the ankle joints in the movement of stop-jump of volleyball players.METHODS:Twenty male and 20 female volleyball players at Tianjin University of Sport were selected.The three-dimensional motion capture system(Vicon) and the three-dimensional force plate(Kistler) were mainly used to synchronously collect the kinematics and dynamics parameters of the ankle joint when the subjects were taking off and landing.Statistical methods were used to conduct comparative analysis of the data.The study was in accordance with the ethical requirements of Tianjin University of Sport,and the subjects signed the informed consents.RESULTS AND CONCLUSION:(1) Under this mode,the plantar flexion angle of the ankle joint in males was less than that in females.During the take-off phase,the ankle joint was in an inversion and internal rotation state,during the landing buffer phase,the ankle joint was in an inversion and external rotation state,and the angle in males was slightly larger than in the females,which was likely to cause ankle injury.(2)The three-dimensional peak torque and force value when stop-jump in males were higher than those in females.The appearing time of peak torque and force value in different directions in males was later than that in females,and imbalances between two legs and landing at different time occurred.

　　Keyword：　ankle joint; biomechanics; stop-jump; volleyball;

　　文章快速阅读：

　　文章描述—

　　(1)在排球运动起跳动作模式中，踝关节跖屈角度男性明显小于女性，在起跳阶段和落地缓冲阶段踝关节处于内翻和外旋状态，且角度男性组略大于女性，此时极易造成踝关节损伤；
 

 

　　(2)三维方向的峰力矩和力值男性组均大于女性，出现的时间男性组晚于女性，而且存在双腿力量不均衡以及双脚不同时着地情况。

　　文题释义：

　　急停起跳：在激烈的排球比赛中，急停起跳动作是运动员比赛过程中出色完成扣球、拦网、跳发球、跳传球等技术所必不可少的关键阶段，也是运动员获得较好起跳高度的关键实施环节。

　　踝关节的活动范围：研究发现长期从事举重项目的人比正常人的踝关节活动度要小，长期从事游泳项目的人比正常人的踝关节活动度要大。踝关节的活动范围往往还跟运动成绩相关联，如短跑、速滑等竞速性项目运动成绩好的运动员踝关节的活动度也相对较好。

　　0、引言Introduction

　　踝关节损伤是最常见的运动损伤[1,2]，损伤后严重影响运动员的竞技水平和生活质量。因此，对于足踝生物力学研究以及运动中力学特性的研究逐渐深入[3,4,5,6,7,8,9]。国内学者对于穿不同类型篮球鞋时踝关节的力学特征进行了研究[10]。也有人对单脚起跳落地技术特征进行了研究[11]。国外学者对男女运动员在跳起落地踝关节角度特征进行了研究[12]。

　　随着足踝力学研究的不断深入[13,14,15,16,17]，近年来对于功能性踝关节不稳者行走步态[18]、落地模式[19,20,21,22]、康复训练以及姿势稳定性等方面都有不同深度的研究[23,24]。因此，对于运动中踝关节力学特性以及踝关节损伤的机制都有了更深刻的认识，为踝关节损伤的康复与预防都提供了一定的理论支撑。目前对踝关节的生物力学特性研究多集中于方法学的探讨[25,26,27]，对复合动作模式下踝关节生物力学特征的研究较少，因此，此次研究以排球运动中踝关节复合动作模式为切入点，研究复合动作模式下踝关节的生物力学特性，探讨与分析踝关节损伤的生物力学机制，为排球运动中预防踝关节损伤的发生提供参考。

　　1、 对象和方法Subjects and methods

　　1.1、 设计

　　对比观察。

　　1.2 、时间及地点

　　试验分别于2014年5至6月，2018年4至6月在天津体育学院完成。

　　1.3 对象

　　选取天津体育学院排球专项学生男女各20名(表1)。

　　表1 受试者基本情况

　　纳入标准：(1)运动等级均为二级以上；(2)受试者身体健康，踝关节无损伤史；(3)所有受试者均为自愿参加，对试验过程完全知情同意。

　　排除标准：在调查前1个月内有踝关节损伤者被排除，即排除有妨碍参加运动和对踝关节正常运动范围有不良影响的损伤。

　　1.4、 方法

　　1.4.1、 实验仪器

　　三维运动影像采集系统(Vicon Motus9.0)、三维测力台9281B(Kistler Inc.Schweiz)，研究动作采集区域距中心测力台前后各5 m，左右各2 m的位置，在这一范围内采样能够把整个动作模式采集完整，避免动作采集过程中的遮挡，采集图像的大小和清晰度效果最佳。

　　1.4.2、 Marker点位置

　　见表2。

　　表2 反光球标记点具体位置示意

　　1.4.3、 坐标系的建立

　　以受试者前进方向测力台近侧端前方定为X轴正方向，测力台近侧端向左垂直于X轴方向定为Y轴正方向，垂直于测力台平面向上定为Z轴正方向。注：踝关节在矢状面内做跖屈背伸运动，正值代表背伸，负值代表跖屈；在额状面内做内翻外翻运动，正值代表内翻，负值代表外翻；在水平面内做内旋外旋运动，正值代表内旋，负值代表外旋。

　　1.4.4、 数据采集

　　受试者静止站立于Kistler三维测力台之上，两眼平视向前，两脚分开站立与肩宽，采集静态数据，用于建立人体模型。之后受试者在步道上做跑动急停双脚起跳双脚落地动作,以脚完整地踏上测力台为有效测试。总共获得3次有效数据，使试验误差最小化。

　　1.5、 主要观察指标

　　(1)踝关节三维平面内角度特征；(2)踝关节三维峰值力矩及时间的变化特征分析；(3)踝关节三维峰值力及时间的变化特征。

　　1.6、 数据处理及统计学分析

　　运用Vicon Nexus数据采集分析系统实现运动学、动力学同步的采集，系统会自动识别和计算人体各环节的关节角度、关节速度、力、力矩和功率等参数。文章的力学参数均选用相对值(除以体质量)，有利于数据之间的横向对比。

　　应用SPSS 19.0统计学软件与Microsoft Office Excel2003分析所有数据，结果用形式表示，以独立样本t检验的方法比较两组间的差异性。

　　2、 结果Results

　　2.1、 参与者数量分析

　　纳入受试者40人，试验过程无脱落，全部进入结果分析。受试者分组流程图见图1。

　　图1 受试者分组流程图

　　Figure 1 Flow chart of participant allocation

　　2.2、 踝关节三维平面内角度特征

　　研究中将整个急停起跳划分为5个阶段，(1)急停着地时刻：急停脚着地瞬间；(2)急停最大缓冲时刻：制动着地阶段身体重心降到最低的时刻；(3)起跳蹬伸时刻：脚蹬离地面瞬间；(4)起跳落地时刻：起跳落地脚着地瞬间；(5)起跳落地最大缓冲时刻：着地阶段身体重心降到最低的时刻。如表3在矢状面中，起跳蹬伸离地时刻左右踝关节跖屈角度男性大学生运动员小于女性大学生运动员，二者平均差值在11.5°，具有差异性，其他阶段男生组与女生组踝关节角度均无明显差异性。起跳最大蹬地时刻踝关节达到最大背屈，而后在过渡到起跳蹬伸离地阶段后为跖屈，而后在落地过程中跖屈程度逐渐减小，在全脚掌着地后接近0°。随后随着落地的缓冲逐渐呈背屈趋势，缓冲结束后趋于稳定状态。左右踝关节角度变化趋于一致。

　　表3 跑动急停双脚起跳双脚落地矢状面踝关节角度

　　表注：与女性组同侧脚踝相对比，aP<0.05

　　从表4可知，额状面内男生组与女生组踝关节角度在5个时刻均无显着性的差异。在整个制动起跳落地过程中，男生踝关节处于稍微内翻位，而女生处于稍微外翻位，通过实验的录像观察，发现女生在整个过程中尤其是起跳与落地姿势膝关节多处于内扣位置，致使导致踝关节外翻、外旋。

　　如表5所示，水平面内男生组与女生组的踝关节角度在5个时刻均没有发生显着性的差异。二者踝关节角度的变化趋势较一致。起跳着地时刻出现少许内旋现象，在最大蹬地时刻逐渐过渡到外旋，到动作结束始终保持不同程度的外旋情况。

　　表4 跑动急停双脚起跳双脚落地额状面踝关节角度

　　表5 跑动急停双脚起跳双脚落地水平面踝关节角度

　　研究发现长期从事举重项目的人比正常人的踝关节活动度要小，长期从事游泳项目的人比正常人的踝关节活动度要大[28]。踝关节的活动范围往往还跟运动成绩相关联，如短跑、速滑等竞速性项目运动成绩好的运动员踝关节的活动度也相对较好。国外有研究者利用三维运动捕捉系统和测力台等仪器对男女运动踝关节角度以及角速度进行测试，研究发现在跳起落地踝关节角度和角速度的对比分析中，男女运动员基本没有差异[12]。潘贵超等[29]研究发现虽然跖屈男性组小于女性组，背伸中男性组大于女性组，但是二者均无差异性。

　　此次研究发现在双脚起跳着地动作模式中，矢状面上踝关节最大跖屈、背伸角度男生与女生存在不同，其中跖屈角度女生大于男生且存在差异性，背伸角度女生小于男生且不具有差异性，而在额状面与水平面中男、女均没有出现差异性，在着地时刻踝关节略有内旋，随之逐渐过渡到外旋。出现这种差异的原因与男女生的日常动作模式有关，在试验过程也进行了询问，大多女生都有穿高跟鞋的习惯，这种长期的动作模式从而导致踝关节跖屈能力强于男生，背伸能力弱于男生，会造成下肢的后群长期处于紧张状态、前群松弛无力。踝关节跖屈角度男性明显小于女性，在起跳阶段踝关节处于内翻和内旋状态，在落地缓冲阶段踝关节处于内翻和外旋状态，和双腿力量不均衡以及双脚不同时着地情况之间的存在一定关系，踝关节内翻和内旋、内翻外旋状态会导致踝关节的稳定下降，下肢髋、膝、踝的力线发生变化，会导致髋、膝、踝的力线不在同一直线上，致使膝关节发生内外翻现象，加之双侧的力量不均衡，此时落地会导致踝关节存在损伤的风险加剧。2.3踝关节三维峰值力矩及时间的变化特征分析从波峰力矩值出现的时间来看，第1波峰力矩出现的时间男女之间相差无几，第2波峰出现的时间男性要晚于女性。峰力矩出现的时刻不同可以推断在整个运动过程中受试者双脚存在双脚依次着地的现象，这也反映出受试者左右双侧的肌肉力量存在不均衡，通常情况下，优势腿在落地过程中会先于弱侧腿着地，而且优势腿在落地缓冲中起到主要作用。

　　第1峰力矩是指急停起跳阶段出现的峰力矩值，第2峰力矩是指在落地缓冲阶段出现的峰力矩值。由表6可知，踝关节矢状面上产生跖背屈力矩，在整个跑动急停双脚起跳垂直落地动作中，在急停起跳阶段峰力矩值男性大于女性，且具有显着性差异。在落地缓冲阶段的峰力矩男性小于女性，但不具有显着性差异。存在差异性的主要原因是在矢状面内男女生屈伸的角度存在差异且女生的背伸角度大于男生，而力矩等于力与力臂的乘积，因此在矢状面内呈现出男生组力矩值大于女生组，这是和踝关节的屈伸角度有直接关系的，这也和上面角度分析是相符合的。由表6可以看出，在额状面与水平面内踝关节产生内外翻力矩和内外旋力矩，急停起跳阶、落地缓冲阶段的峰力矩值男生组与女生组没有差异性。男性与女性之间峰力矩值不同可能与技术动作与腾空高度有关，成万祥等[30]通过研究不同高度下落时下肢的各关节不同力矩后认为不同高度下落的地面冲击力有着显着性的差异，而下肢的关节力矩的峰值与出现的时间上与不同下落的高度有着显着的相关性。因此，腾空高度也与落地时的关节峰力矩的大小存在着相关性。杜洁等[31]认为，蹲跳的高度与踝关节峰力矩有关。也证实了此次研究的推断。

　　2.4、 踝关节三维峰值力及时间的变化特征

　　如表7所示为双脚起跳垂直落地动作模式踝关节在三维方向上的峰力值，在此动作过程中所受力出现双峰分别代表急停制动起跳阶段和落地缓冲阶段出现的峰值力。从研究结果来看，矢状面上的力即垂直方向的力，即为跖屈和背伸产生的力，在制动起跳和落地缓冲阶段的峰值力男性大于女性，且均存在差异性。额状面内的力即踝关节内外翻的力，在两个阶段中男性大于女性但二者没有差异性。在水平面内所受力为踝关节内外旋的力，在两个阶段中男性大于女性但二者没有差异性。从波峰力值出现的时间来看，波峰出现的时间男性要晚于女性。根据峰力值出现的时刻不同可以推断在整个运动过程中受试者双脚存在发力不均衡或者存在双脚不是同时着地。这与前面的分析是相吻合的。产生这种结果的原因与腾空高度与着地方式有直接关系。这一点通过视频也可以发现。从整个动作来看在落地时2组均存在内翻和内旋状态，这种姿态极容易出现损伤。

　　表6 男性和女性跑动急停双脚起跳垂直落地三维峰值力矩与出现时间的比较

　　表注：与女性组同侧脚踝相对比，aP<0.05

　　表7 跑动急停双脚起跳垂直落地三维峰值力与出现时间

　　表注：与女性组同侧脚踝相对比，aP<0.05

　　在不同高度落地缓冲下肢力学特征的研究中，发现地面的反作用力出现的时间与高度无明显相关，而力值大小与下落高度呈现显着相关。而踝关节作用力的第1波峰与第2波峰值与落地的高度也呈显着的相关性[2]。国外有学者认为起跳落地过程中合理的缓冲姿势与时间是影响不同关节受力与损伤的主要因素。而踝关节处的受力不仅仅是与起跳时肌肉力量与下落时高度有关，而是与关节缓冲角度有显着的相关性，而较为僵直的着地方式会造成踝关节的较大受力，这也是踝关节受力大小的一大根据[32,33]。

　　2.5、 不良反应

　　所有参与试验的受试者在起跳运动中均未发生关节扭伤及其他运动损伤。

　　3、 结论与建议Conclusion and suggestions

　　在双脚起跳着地动作模式中，踝关节跖屈角度女生明显大于男生，在起跳着地踝关节处于内翻和内旋状态，在落地缓冲阶段踝关节处于内翻和外旋状态，且男生组略大于女生组，此时极易造成踝关节损伤。三维方向的峰力矩和力值男生组均大于女生组；从双腿着地时间来看，男女生无差异，但存在双腿不同时着地情况，说明存在双腿力量不均衡现象。建议排球运动员应该加强踝关节屈伸活动度的训练，加强踝关节的力量训练，增强踝关节的稳定性训练，注意双侧下肢力量的均衡发展，加强起跳落地动作模式的训练与控制。

　　作者贡献：试验的设计、实施及评估均为文章作者。

　　经费支持：该文章接受了“国家自然科学基金项目(11372223)”“天津市自然科学基金重点项目(17JCZDJC36000,18JCZDJC35900)”的资助。所有作者声明，经费支持没有影响文章观点和对研究数据客观结果的统计分析及其报道。

　　利益冲突：文章的全部作者声明，在课题研究和文章撰写过程不存在利益冲突。

　　机构伦理问题：研究方案的实施符合天津体育学院的相关伦理要求。

　　知情同意问题：所有受试者均为自愿参加，对试验过程完全知情同意。

　　文章查重：文章出版前已经过专业反剽窃文献检测系统进行3次查重。

　　文章外审：文章经小同行外审专家双盲外审，同行评议认为文章符合期刊发稿宗旨。

　　文章版权：文章出版前杂志已与全体作者授权人签署了版权相关协议。

　　开放获取声明：这是一篇开放获取文章，根据《知识共享许可协议》“署名-非商业性使用-相同方式共享4.0”条款，在合理引用的情况下，允许他人以非商业性目的基于原文内容编辑、调整和扩展，同时允许任何用户阅读、下载、拷贝、传递、打印、检索、超级链接该文献，并为之建立索引，用作软件的输入数据或其它任何合法用途。

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