張英媛，陸阿明

Soochow University，Suzhou 215021，China.

1 前言

在日常生活、運動和娛樂過程中，下落著地是一項最基本、最重要的活動，尤其是在跳躍類動作較多的運動諸如跳遠、排球、籃球等項目中［6，2］，幾乎避免不了會出現(xiàn)一些下落的動作。下落不當導致的損傷在運動中較為常見，其損傷的發(fā)生會對運動員的比賽及運動壽命都產(chǎn)生極大影響。在一些體操及滑雪等項目中，下落不當甚至可能會危及運動員的生命［14］。由于在大多數(shù)運動過程中，受試者在進行下落著地時，都會要求兩側踝關節(jié)首先著地，因此這也是下落過程中導致的損傷幾乎都與踝關節(jié)密切相關的主要原因之一。下落不當導致的損傷不僅會造成踝關節(jié)嚴重的骨折和急性扭傷，而且也會對運動員產(chǎn)生諸如踝關節(jié)退行性變化等長期影響［22］。目前，對于下落階段中的踝關節(jié)運動學、動力學和肌電組已組經(jīng)組做組了組大組量組研組究［3，1，13，21］。但這些研究一般都基于在下落過程中，兩側踝關節(jié)的運動存在著高度一致性的觀點進行研究的，大多數(shù)學者在研究過程中僅對一側肢體進行研究，雖然也有學者對兩側肢體都進行了動作采集，但是在分析的過程中并未關注兩側肢體的差異性。Kasturi等人在研究的過程中采集了雙側肢體的地面反作用力，但將雙腳的地面反作用力的平均值作為指標進行了分析［14］，而未對雙腳的地面反作用力進行單獨的比較。有研究認為，人體在下落過程中兩側肢體的運動表現(xiàn)可能存在差異性，但在研究過程中，只分析了優(yōu)勢側運動時的地面反作用力指標的變化［20］而忽略了非優(yōu)勢側指標的分析。目前，對于優(yōu)勢側和非優(yōu)勢側相關指標的表組現(xiàn)，在組運組動組康復組和組臨組床組治組療組方組面組的組研組究組較組多［10，15，19，17，23］，其多用健側肢體的生理指標來評定損傷肢體康復的程度，而在運動中關注較少。因此在運動過程中，優(yōu)勢側和非優(yōu)勢側是否存在差異性，如果存在差異性，在哪些數(shù)據(jù)上會得到體現(xiàn)，目前為止并未達到共識［24－27］。

本研究采用高速紅外攝像系統(tǒng)和測力臺，從踝關節(jié)下落階段的屈曲、內(nèi)翻及外旋三個方向的角度變化量、最大角度及最大角速度，落地時刻兩側的地面反作用力幾個方向來探究兩側踝關節(jié)在運動中是否存在著差異性及其差異性的大小，并結合兩踝關節(jié)地面反作用力峰值出現(xiàn)的相對時間，進一步分析下落階段兩踝關節(jié)的緩沖，為指導運動訓練及預防運動損傷提供理論依據(jù)。

2 研究對象和方法

2.1 研究對象

蘇州大學體育教育訓練專業(yè)（中長跑專業(yè)）13名男生，年齡22.7±3.1歲，平均身高177.9±3.6cm，體重67±5.2kg，訓練年限約4年。所有受試者于實驗前接受問卷調(diào)查，確認24h內(nèi)未從事劇烈運動，受試者在實驗前3 個月內(nèi)無下肢損傷及病癥，且無任何關節(jié)退行性病癥，身體機能和運動能力良好。受試者均同意參加本次試驗，但對實驗目的并不知情。

2.2 實驗儀器

2.2.1 運動學捕捉系統(tǒng)

運用VICON 紅外運動捕捉系統(tǒng)和8 臺MX13 型號攝像頭捕捉運動學數(shù)據(jù)，采樣頻率為200 Hz，軟件版本為vicon nexus 1.5.1，依據(jù)人體解剖標志及系統(tǒng)三維重構的基本要求，分別將39個直徑為14mm 的Marker球準確置放于人體各環(huán)節(jié)的標志點上（圖1）。

圖1 Marker球安放示意圖Figure 1.The placement of Marker

2.2.2 測力臺

瑞士Kistler三維測力臺兩臺，本次實驗的采樣頻率為1 000 Hz。經(jīng)數(shù)模轉換器與Vicon紅外運動捕捉系統(tǒng)同步采集數(shù)據(jù)。

2.3 實驗步驟

2.3.1 實驗流程

實驗前利用功率自行車進行10 min的熱身活動。利用單腿小跳法測定兩腿的不對稱性，評定指標為單腿小跳的水平距離，跳的較遠的一側定義為優(yōu)勢側（Dominance），較近的一側定義為非優(yōu)勢側（Non－dominance）［13，14］。

測量受試者身高、體重、腿長、膝寬、腕寬、掌厚等身體形態(tài)學指標，實驗前，對受試者的整個運動動作進行嚴格的訓練。實驗時，受試者兩腳分別站立于兩個測力臺之上，軀干豎直，雙手叉腰，當聽到開始命令時，受試者快速下蹲，并用盡全力向上起跳，著地時兩腳分別落于一塊測力臺之上，著地時緩沖并在緩沖末期積極蹬伸用盡全力再次起跳，連續(xù)起跳5 次［8］，依據(jù)起跳后重心上升的最大高度，選取每名受試者成績最好的一次動作的下落階段進行分析，跳躍過程中手臂姿勢不變，上體跟隨動作做屈伸運動。實驗過程中利用相同的數(shù)據(jù)采集方法對每名受試者的運動進行數(shù)據(jù)采集，受試者試驗時穿著運動背心、短褲。

2.3.2 指標的選取

選取每名受試者5 次連續(xù)起跳中重心上升最高的一次動作的下落階段進行運動生物力學分析，其下落階段以下落著地時雙腳接觸力臺時刻為起始點，以身體重心最低點時刻作為結束點［5］，以下所選指標均取自每名受試者所選動作的下落階段。

1.運動學參數(shù)包括：下落階段屈曲（flexion）、外旋（abduction）、內(nèi)翻（inversion）角度的變化量；下落階段最大屈曲、內(nèi)旋、內(nèi)翻的角度及角速度。

2.地面反作用力參數(shù)包括：下落階段垂直方向的地面反作用力峰值（vertical ground reaction force，VGRF）；水平方向地面反作用力峰值（medial－lateral ground reaction force，MLGRF）；前后組方組向組地組面組反組作組用組力組峰組值（anterior－posterior ground reaction force，APGRF）。

3.三個方向上，兩踝關節(jié)地面反作用力峰值出現(xiàn)的相對時間，即地面反作用力峰值對應時刻與地面反作用力出現(xiàn)時刻的差值。

△VT＝垂直方向上地面反作用峰值對應時刻－地面反作用力出現(xiàn)時刻；

△MLT＝水平方向地面反作用力峰值對應時刻－地面反作用力出現(xiàn)時刻；

△AP＝前后方向地面反作用力峰值對應時刻－地面反作用力出現(xiàn)時刻。

2.4 數(shù)據(jù)處理

3 研究結果

3.1 落地階段兩側踝關節(jié)的運動學差異

下落階段優(yōu)勢側和非優(yōu)勢側踝關節(jié)在屈曲、內(nèi)翻、外旋3個方向上角度的變化量沒有顯著性差異（P＜0.05）；下落階段踝關節(jié)屈曲、（圖2）、外旋（圖3）、內(nèi)翻（圖4）3 個方向上的最大角度、最大角速度進行了對比分析，研究結果表明，只有在外旋方向和屈曲方向最大角速度具有顯著性差異（P＜0.05）；其余方向的角度或者角速度均未發(fā)現(xiàn)顯著性差異（P＞0.05）（表1）。

圖2 下落階段兩側踝屈伸方向關節(jié)角度、角速度比較示意圖Figure 2.Histories of Bilateral Ankle Joints Flexion－Extension Rotation from a Representative Landing

圖3 下落階段兩側踝外翻－內(nèi)翻方向關節(jié)角度、角速度比較示意圖Figure 3.Histories of Bilateral Ankle Joints Abduction－Adduction Rotation from a Representative Landing

3.2 下落階段兩側踝關節(jié)的地面反作用力及垂直力峰值對應時刻差異

下落階段，兩側踝關節(jié)3個方向的地面反作用力峰值相比較，只有在垂直方向上的地面反作用力峰值存在著顯著性差異（P＜0.05）。本研究又進一步對3個方向上的兩踝關節(jié)地面反作用力峰值出現(xiàn)的相對時間進行了分析，其結果表明，優(yōu)勢側和非優(yōu)勢側在3個方向的地面反作用力峰值出現(xiàn)的相對時間均沒有顯著性差異（P＞0.05，表1），但通過描述統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，地面反作用力峰值出現(xiàn)時刻，優(yōu)勢側較非優(yōu)勢側低，即優(yōu)勢側與非優(yōu)勢側著地具有一定的時間差，優(yōu)勢側先承受較大的地面反作用力。

表1 優(yōu)勢側和非優(yōu)勢側踝關節(jié)相關指標對比一覽表Table 1 Comparison of the Measured Variables between Laterals（，%）

表1 優(yōu)勢側和非優(yōu)勢側踝關節(jié)相關指標對比一覽表Table 1 Comparison of the Measured Variables between Laterals（，%）

注：★優(yōu)勢側與非優(yōu)勢側相比較P＜0.05。

圖4 下落階段兩側踝關節(jié)外旋－內(nèi)旋角度、角速度比較示意圖Figure 4.Histories of Bilateral Ankle Joints Inversion－Eversion Rotation from a Representative Landing

圖5 下落階段優(yōu)勢側和非優(yōu)勢側地面反作用力比較示意圖（前后、左右、垂直）Figure 5.Histories of Bilateral GRF Data during a Representative Landing（Medial－lateral；Anterior－posterior；Vertical）

4 分析與討論

本研究發(fā)現(xiàn)下落階段屈曲、內(nèi)翻方向優(yōu)勢側踝關節(jié)相比非優(yōu)勢側踝關節(jié)角度的變化有更大的趨勢，但并無顯著性差異，落地后優(yōu)勢側和非優(yōu)勢側踝關節(jié)伸展、外旋、內(nèi)翻方向的最大角度也均無顯著性差異，只有在下落階段兩側踝關節(jié)的外旋方向的最大角速度和屈曲方向的最大角速度具有顯著性差異。有學者［21］以下落跳為手段對從固定的高度下落著地兩下肢的差異性對踝關節(jié)運動學的影響做過研究，其研究結果發(fā)現(xiàn)，在不同的高度下落時，下肢的不對稱性在下肢關節(jié)相關運動學數(shù)據(jù)中有所表現(xiàn)。本實驗表明，連續(xù)縱跳下落階段踝關節(jié)的運動學指標具有與之類似的變化。Niu等人［23］對16 名運動員從不同高度下落著地的半蹲姿勢進行了研究，其結果發(fā)現(xiàn)，優(yōu)勢側踝關節(jié)較非優(yōu)勢側踝關節(jié)相比較，其在屈伸和外旋方向上的角度變化較大。本研究結果也發(fā)現(xiàn)，優(yōu)勢側踝關節(jié)與非優(yōu)勢側踝關節(jié)在屈伸方向和外旋方向落地后最大角速度均有顯著性差異，即在下落著地后非優(yōu)勢側踝關節(jié)較優(yōu)勢側踝關節(jié)在相同的作用時間內(nèi)產(chǎn)生更小的角度變化。這一研究結果在以前的研究中從未提及過，另一方面，由于運動的幅度和運動的速度與損傷直接相關，因此，這一結果對于損傷的預防具有重要的價值。筆者認為，屈曲方向上角速度產(chǎn)生差異的原因可能是由于人體在下落著地過程中，非優(yōu)勢側踝關節(jié)比目魚肌進行離心收縮，防止踝關節(jié)過分屈曲的能力優(yōu)于優(yōu)勢側踝關節(jié)，減小下落過程中的垂直地面反作用力使人體產(chǎn)生的圍繞冠狀軸旋轉的速度，從而減小踝關節(jié)屈曲，更好地預防運動損傷。相關研究［23］發(fā)現(xiàn)，非優(yōu)勢側脛骨前肌的肌電比優(yōu)勢側的活躍，并由此提出，在下落過程中，非優(yōu)勢側通過脛骨前肌的主動作用來影響非優(yōu)勢側的屈伸活動，作用于的屈曲角度變化速度從而達到進行自我保護的目的，防止由于關節(jié)活動過速，肌肉適應能力不足而導致的運動損傷。但外旋方向產(chǎn)生差異性的原因，不僅目前相關研究結果甚少，而且由于本研究未作相關運動肌肉肌電分析，對于其確切的產(chǎn)生機理還需要做進一步研究。盡管已有文獻報道兩側踝關節(jié)在某些運動中存在著一定的差異性，但也有研究者發(fā)現(xiàn)，兩下肢的差異性有時組候表現(xiàn)組的并不明顯［30］。Sadeghi［27］的研究發(fā)現(xiàn)，在正常的行走過程中，非優(yōu)勢側并不比優(yōu)勢側產(chǎn)生更多的保護機制，這可能有與受試者所做的動作比較簡單，僅僅是步態(tài)研究因而未表現(xiàn)出差異有關，也可能是由于所選指標的差異性，比如本研究中的優(yōu)勢側踝關節(jié)相比非優(yōu)勢側踝關節(jié)落地后內(nèi)翻的角速度、內(nèi)翻、外展的最大角度也均未發(fā)現(xiàn)顯著性差異。因此，兩側下肢的不對稱性在連續(xù)縱跳下落階段的一些指標表現(xiàn)得比較明顯，但是在其他類型的運動中是否也具有差異性，各研究者的觀點并不明確。因此，在不同類型的運動中，下肢不對稱性的研究仍然是現(xiàn)今運動生物力學研究的熱點。

目前，有關地面反作用力與下肢的研究主要集中在人體緩沖能力［17，18，29］，與下肢組不組對組稱組性組的組研組究組結組合組的組還組比組較少。人體在起跳下落時，會產(chǎn)生巨大的地面反作用力，有時甚至能夠達到體重的十倍以上［5，6］，巨大的地面反作用力雖然是人體再次起跳時的動力來源，但也會對人體產(chǎn)生一定的危害，盡管人體在落地緩沖過程中，較大一部分力是通過膝關節(jié)和髖關節(jié)的屈曲來進行緩沖的，但由于踝關節(jié)是人體在下落時首先與地面接觸的環(huán)節(jié)，因此，巨大的地面反作用力對踝關節(jié)所造成的傷害是不容忽視的。在本研究中，垂直方向的地面反作用力峰值，優(yōu)勢側顯著性大于非優(yōu)勢側，這就說明在下落階段優(yōu)勢側要承擔更大的地面反作用力，這不僅會對運動中肢體的協(xié)調(diào)性產(chǎn)生一定的影響，而且長期的運動積累，可能會使優(yōu)勢側勞損較快，影響運動員的運動成績及健康。

研究發(fā)現(xiàn)，兩踝關節(jié)地面反作用力峰值出現(xiàn)的相對時間不具有顯著性差異，其地面反作用力峰值和峰值出現(xiàn)的相對時間兩者或許有一定的內(nèi)在關聯(lián)。人們一般認為，兩腿落地時的沖量是相等的［5］，認為在人體下落著地階段，神經(jīng)系統(tǒng)保護機制會自發(fā)的進行調(diào)節(jié)，使著地階段沖量能夠平均地分配到雙腿，并且這種保護機制避免了落地時載荷不均衡及一側過重的情況。然而，人體的這種自發(fā)的機制并不是十分精確，輕微的偏差是一定會存在的。它會導致在下落著地過程中，一側肢體的地面反作用力峰值大于兩腿之和的50%。Mcnitt［20］的研究也證明了這一結論，在他的實驗中，受試者在進行0.32m 和0.72m 高度的下落跳時，雙腿的最大地面反作用力分別是3.93±1.3BW 和6.26±1.9BW，其值與相關研究的實驗數(shù)據(jù)相比較，明顯高于同等高度下落時單側肢體所測得的力，這說明在進行雙側肢體同時運動的項目中，大腦確實對雙側肢體進行了協(xié)調(diào)作用，其作用效果遠遠大于單側肢體運動效果簡單相加，然而，其結果也表明，左右側肢體的地面反作用力并非完全一致，這說明大腦在進行協(xié)調(diào)作用的同時并未能夠精準地調(diào)整雙側運動負荷的承載，而使一側肢體負重過大，另一側肢體負重較小。本研究也記錄了地面反作用力峰值產(chǎn)生時兩踝關節(jié)與地面接觸的相對時間，兩側相比較并無統(tǒng)計學意義，但通過描述統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，受試者在下落階段垂直方向上地面反作用力峰值達到最大時刻，其優(yōu)勢腿較非優(yōu)勢腿更早的接觸地面，且更早的對抗較大的地面沖擊力，這可能與優(yōu)勢側踝關節(jié)在運動過程中屈曲的角速度較大有一定的聯(lián)系，但其產(chǎn)生的具體原因，本研究尚未做進一步的探討。

5 結論

1.在連續(xù)縱跳的下落階段，與優(yōu)勢側相比，非優(yōu)勢側可能在屈伸與外旋方向進行較大的運動限制，而與非優(yōu)勢側相比，優(yōu)勢側在下落著地過程中出現(xiàn)運動損傷的可能性較大。

2.在連續(xù)縱跳的下落階段，優(yōu)勢側要承擔更大的地面反作用力，這不僅會對運動中肢體的協(xié)調(diào)作用產(chǎn)生一定的影響，而且長期的運動積累，可能會使優(yōu)勢側勞損較快，影響運動員的運動成績及健康。

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