吳成亮，郝衛(wèi)亞，李旭鴻，肖曉飛，婁彥濤

體操的每一次訓練或比賽都是以落地作為動作結束，落地站穩(wěn)是運動員取得名次的關鍵。國際體操聯(lián)合會（Fédération Internationale de Gymnastique，F(xiàn)IG）的評分規(guī)則規(guī)定，結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名男子體操運動員在自由操比賽落地中失誤率高達71.9%（Marinsek et al.，2010）。體操運動員損傷發(fā)生率也很高，尤其是落地過程中的下肢關節(jié)損傷（吳成亮 等，2019；Wester?mann et al.，2015）。流行病學調(diào)查發(fā)現(xiàn)，體操運動員下肢損傷分別占比賽和訓練總損傷數(shù)次的53%和69%（Mar?shall et al.，2007），且多發(fā)生在自由操和跳馬項目中，空翻加轉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機制，將有助于預防運動損傷，提高防護效果（郝衛(wèi)亞，2017）。

落地過程中會產(chǎn)生較大的沖擊力，帶來潛在的損傷風險（McNitt?Gray，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（vertical ground reaction force，vGRF），且隨落地高度的增加而增加。如0.5 m高度垂直落地的峰值垂直地面反作用力（peak verti?cal ground reaction force，PvGRF）為3倍體質(zhì)量（body weight，BW），2.0 m時PvGRF可達12BW（McNitt?Gray，1991）。體操運動員每周大約會承受200次的落地沖擊（Gittoes et al.，2012），其 PvGRF 達到 7.1～15.8BW（Slater et al.，2015）。反復和較大的vGRF也可能導致運動員下肢過度使用、損傷高發(fā)（Mills et al.，2009）。有研究認為，體操運動員損傷的高發(fā)與落地下肢關節(jié)承受過多載荷有關（Daly et al.，2001；Wade et al.，2012）。而且，為了表現(xiàn)良好的藝術性，F(xiàn)IG的評分規(guī)則規(guī)定，體操運動員落地時膝關節(jié)不能過度屈曲（FIG，2017）。有研究證實，在垂直落地中，專業(yè)體操運動員比業(yè)余愛好者有更大的vGRF，這是因為專業(yè)體操運動員下肢通常會采用較為“剛性”的落地，即膝關節(jié)屈曲小于 90°（Christoforidou et al.，2017；Devita et al.，1992；Jeff et al.，2003）。具體來說，這種落地模式會增加腿的剛度，導致下肢損傷風險增加（Butler et al.，2003）。Bradshaw等（2012）跟蹤調(diào)查兩位體操運動員8年后發(fā)現(xiàn)，踝關節(jié)剛度分別增加10.8 kN/m和13.9 kN/m，且他們一只或雙腳后跟存在不同程度的疾病。

目前，關于落地生物力學研究多集中于垂直落地任務，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的負載率和沖量會相應增加。Collings等（2019）綜述了垂直落地任務對無擋板籃球（又稱英式籃球）的損傷風險研究，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方便進行實驗控制。有文獻證據(jù)表示，垂直落地的生物力學參數(shù)可能無法有效評估具體落地任務，研究應考慮垂直落地任務的局限性。在體操運動員垂直落地研究中，Mcnitt?Gray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際體操落地中發(fā)生。有研究指出，增加下肢關節(jié)的屈曲可以減小落地沖擊（Slater et al.，2015），但肌肉和韌帶會加入更多的補償從而增加損傷風險，同時也會影響落地的穩(wěn)定性，尤其是在高速落地沖擊中（Brad?shaw et al.，2012；Tant et al.，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節(jié)達到最大屈曲角度（Christoforidou et al.，2017），或身體質(zhì)心下降最大高度（Gittoes et al.，2012），或局部最小垂直地面反作用力（McNitt?Gray et al.，2001）。所以，尚不清楚體操運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險更高。

落地是在神經(jīng)肌肉控制下的復雜動作，需要對落地時間、空間和GRF進行預測，同時在主動肌和拮抗肌的協(xié)同作用下完成（Christoforidou et al.，2017）。后空翻是體操的基本動作，也是體操運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，僅從運動學視角分析身體在空中的轉動策略；Mkaouer等（2013）研究了后空翻的起跳和空中動作，認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行分析。?uk等（2013）對體操前空翻和后空翻落地的對稱性進行研究，為了避免非對稱性落地，運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）對精英體操運動員下降著陸與后空翻落地進行比較研究，下降著陸的PvGRF更小、下肢關節(jié)屈曲角度更大，聚焦于體操規(guī)則，認為應當進行適當修改——鼓勵運動員落地時增加下肢關節(jié)屈曲范圍，從而達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)關于后空翻的研究多集中在對某個高難度（多周的轉體或翻騰）后空翻動作的個案分析，鮮見對基礎的后空翻動作進行深入探討。因此，本研究通過對高水平體操運動員后空翻落地與垂直落地的對比分析，揭示實際體操落地是否具有特殊的下肢生物力學特征，以及這些特征是否會增加運動員損傷風險。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

中國男子體操隊運動員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/和錦標賽，且近6個月未發(fā)生骨骼肌肉損傷。告知所有運動員實驗過程，并簽署知情同意書。根據(jù)《世界醫(yī)學大會赫爾辛基宣言》，本研究獲得國家體育總局體育科學研究所倫理委員會同意并批準（委16?27）。

1.2 儀器

1）Qualisys Oqus運動捕捉系統(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16 mm標準紅外反光markers采集落地動作的三維運動軌跡，采樣頻率為250 Hz。2）Kistler三維測力臺1塊（40 cm×60 cm×5 cm，型號：9260A），產(chǎn)于瑞士，外置信號放大器，采樣頻率為1 000 Hz。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)，對兩側下肢膝、踝關節(jié)主要肌群（股二頭肌、股直肌、脛骨前肌、腓腸肌外側頭）的肌電信號進行測量，采樣頻率為2 000 Hz。

1.3 實驗過程

體操運動員首先進行15 min熱身活動（包括慢跑、跳步和拉伸），然后每名運動員依次完成兩種方式的落地（85 cm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1 min。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Qualisys Oqus運動捕捉系統(tǒng)對三維運動數(shù)據(jù)進行采集，標準紅外反光markers粘貼于頭、第七頸椎，以及兩側肩胛骨內(nèi)角、膝、踝、跖趾關節(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5 cm），并在周圍用泡沫軟墊進行保護。落地墊對vGRF結果影響很小，12 cm厚的落地墊使結果約減小 5%（McNitt?Gray et al.，2001）。使用Delsys無線表面肌電系統(tǒng)采集兩側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（Hermens et al.，1999）。運動捕捉系統(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行結果分析。

圖1 紅外反光markers和EMG傳感器在體操運動員身上的位置Figure 1. Location of Retro-Reflective Markers and EMG Sensors on the Gymnasts

1.4 數(shù)據(jù)處理

對于兩種落地方式，本研究重點關注落地過程中的預激活階段［T0，觸地前 100 ms（Komi et al.，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Qualisys Track Manager軟件對三維運動捕捉數(shù)據(jù)進行后期處理，低通截斷頻率10 Hz進行濾波（Slater et al.，2015）。下肢髖、膝和踝關節(jié)角度和角速度通過關節(jié)上3點組成的2條直線進行計算。

通過測力臺獲得的vGRF使用低通截斷頻率50 Hz進行濾波（Slater et al.，2015），vGRF峰值用每個運動員的體質(zhì)量進行標準化。落地瞬間定義為測力臺vGRF＞10 N的第1時刻（Christoforidou et al.，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除以達到PvGRF的時間定義為負載率。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)（Dynamic postural dtability index，DPSI）評價落地的動態(tài)穩(wěn)定性（Wikstrom et al.，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，body weight為運動員體質(zhì)量；number of data points為數(shù)據(jù)的個數(shù)，通常取3 s內(nèi)的數(shù)據(jù)個數(shù)為佳（Wikstrom et al.，2005），本研究測力臺采樣頻率為1 000 Hz，3 s內(nèi)的數(shù)據(jù)即為3 000個。

將原始表面肌電信號全波整流后，再進行帶通濾波處理（10～400 Hz）（Van Dieen et al.，2009）。每名運動員的肌電信號采用垂直落地中各個肌電的最大值進行標準化。其結果用均方根（root mean square，RMS）振幅表示：

式中，t為EMG信號的開始時間；t＋T為EMG信號的結束時間。

用標準化后的脛骨前肌EMGRMS除以腓腸肌外側EMGRMS表示踝關節(jié)的共激活，用標準化后的股二頭肌EMGRMS除以股直肌EMGRMS表示膝關節(jié)的共激活（Ruan et al.，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（Aagaard et al.，2000）：

1.5 數(shù)據(jù)分析

對受兩種落地方式影響的結果采用配對t檢驗，采用重復測量方差分析受落地階段（T0、T1和T2）影響的肌電結果。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。所有結果以平均值±標準差表示，顯著水平為P＜0.05。

2 結果

2.1 運動學分析

髖關節(jié)屈曲角度在觸地前100 ms、觸地、達到PvGRF、1BW時均有顯著差異，膝關節(jié)屈曲在這4個時刻均無顯著差異，踝關節(jié)屈曲角度在落地前100 ms、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）下肢關節(jié)不同時刻屈曲角度Figure 2. Flexion Angles of Lower-Limb Joints during the Vertical Landing（VL）and Backward Somersault（BS）Landing

膝關節(jié)最大角速度在兩種落地方式之間存在顯著差異，髖關節(jié)、踝關節(jié)最大角速度對應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）下肢關節(jié)最大角速度及對應的屈曲角度Figure 3. The Maximum Angular Velocity of the Lower-Limb Joints and Its Corresponding Angles during the Vertical Landing（VL）and Backward Somersault（BS）Landing

兩種落地方式中，髖、膝關節(jié)達到最大角速度時間、達到PvGRF時間無顯著差異，但上述3個時間都與踝關節(jié)達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）到達下肢關節(jié)最大角速度和PvGRF的時間Figure 4. Time to Maximum Angular Velocity of the Lower-Limb Joints and Peak Vertical Ground Reaction Force during the Vertical Landing（VL）and Backward Somersault（BS）Landing

2.2 垂直地面反作用力及衍生指標

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），負載率有顯著差異（圖5d），后空翻落地負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及其衍生指標比較Figure 5.Comparison of Vertical Ground Reaction Force and Derived Variables during the Vertical Landing（VL）and Backward Somersault（BS）Landing

2.3 肌電學分析

1）股二頭?。簝煞N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）股直肌 ：兩種落地方式的EMGRMS有顯著差異（圖6a），T2顯著大于T0（P＜0.05）。3）脛骨前?。翰煌A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：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）的膝關節(jié)（a）和踝關節(jié)（b）標準化后肌電共收縮Figure 6. Coactivation of Normalized EMG of Knee（a）and Angle（b）during the Vertical Landing（VL）and Backward Somersault（BS）Landing

3 分析與討論

本研究對體操運動員垂直落地和后空翻落地的下肢運動學、動力學和肌電特征進行量化分析。兩種落地方式都要求運動員以體操慣用方式落地，保持落地的穩(wěn)定性和美感。后空翻是體操基礎技巧類動作，在訓練和比賽中的使用頻率較高，探明實際體操動作落地與垂直落地是否存在顯著差異，有利于揭示實際體操落地的生物力學規(guī)律，從而提高運動損傷的防護效率。

后空翻落地下肢關節(jié)屈曲角度變化較小，沖擊負荷較大。在落地過程中，后空翻的髖、踝關節(jié)角度變化明顯小于垂直落地，減小了髖、踝關節(jié)活動度對落地沖擊的緩沖。John等（2008）在研究排球運動員落地時發(fā)現(xiàn)，關節(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擁有更大的沖擊力。兩種落地方式的膝關節(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節(jié)屈曲有關（FIG，2017），運動員長期訓練已經(jīng)形成以較小的膝關節(jié)屈曲落地的習慣。另外，雖然后空翻落地的髖關節(jié)屈曲活動范圍較小，但髖關節(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（Blackburn et al.，2009）。本研究中，髖關節(jié)屈曲程度較大也相當于軀干前傾增加，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荷依然高于垂直落地，長期反復的體操落地訓練，勢必會增加下肢關節(jié)損傷風險（Daly et al.，2001；Mills et al.，2009；Wade et al.，2012）。

兩種落地方式下肢關節(jié)角速度峰值及其對應角度有不同特征。后空翻落地的膝關節(jié)角速度峰值比垂直落地更大，使膝關節(jié)產(chǎn)生更大的轉動能，從而耗散更多的落地沖擊能量。Zhang等（2000）發(fā)現(xiàn)，膝關節(jié)在落地過程中是主要耗散能量的下肢關節(jié)，而后空翻落地的膝關節(jié)可能發(fā)揮更大的緩沖效應。兩種落地的髖、踝關節(jié)角速度峰值對應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、膝關節(jié)達到最大角速度的時間與達到PvGRF的時間相近，且都要顯著長于踝關節(jié)，表明在落地沖擊初期，髖、膝關節(jié)角速度響應與落地沖擊保持同步，可能參與更多的落地緩沖；踝關節(jié)的速度響應先于落地沖擊，即在落地沖擊中提前固定關節(jié)，這可能有利于落地站穩(wěn)，但減小了關節(jié)活動度對于落地沖擊的緩沖，從而增加踝關節(jié)損傷風險。通常情況，髖、膝關節(jié)周圍肌肉質(zhì)量大，對沖擊吸收的功率和負功也就較大，可以較好地吸收沖擊能量；踝關節(jié)周圍肌肉質(zhì)量小，這也是其產(chǎn)生更高損傷風險的原因（Coventry et al.，2006）。

兩種落地方式呈現(xiàn)不同的落地負荷特征。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；Jeff et al.，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（Slater et al.，2015；Wade et al.，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PvGRF的時間顯著縮短，從而使后空翻落地的負載率遠大于垂直落地（Slater et al.，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、更短的達到力峰值時間、遠超垂直落地的負載率和更難的落地站穩(wěn)定性。

兩種落地方式的沖擊后期是下肢肌肉對抗沖擊的主要階段，后空翻落地下肢肌肉激活程度更大。在落地前，兩種落地方式的下肢肌肉已預激活（Christoforidou et al.，2017；McNitt?Gray，2001；Wu et al.，2019），有利于肌肉在短時間內(nèi)發(fā)揮最大力量（Ruan et al.，2010），可以預防落地后關節(jié)韌帶的損傷（De Britto et al.，2013，2014），為落地做積極準備?？傮w上，所測肌肉的肌電振幅在落地過程中持續(xù)增加，落地沖擊后期達到最大，說明此階段是下肢肌肉對抗落地沖擊的主要階段。另外，后空翻落地中多數(shù)所測肌肉的激活水平明顯大于垂直落地，這與McNitt?Gray等（2001）的研究結果相似。說明后空翻落地需要更多下肢肌肉激活對抗落地沖擊，這可能與后空翻落地擁有更大沖擊力有關。

本研究對高水平體操運動員后空翻落地和垂直落地進行對比分析，揭示了兩種落地方式下肢生物力學特征差異。本研究認為，體操后空翻落地動作比垂直落地具有更小的下肢關節(jié)活動范圍，更強的沖擊負荷，更大的負載率和肌肉激活程度，更難保持落地的穩(wěn)定性，這些可能是實際體操落地下肢損傷發(fā)生率較高的原因。本研究也存在局限性：首先，研究對象只涉及男子體操運動員，而不同性別在著陸過程中下肢運動學和力量存在差異（Haines et al.，2011；Niu et al.，2013）；其次，本研究 6 名體操運動員為國際級運動健將，樣本量有限，未考慮不同水平運動員的落地情況。后續(xù)研究可以考慮增加女子和不同水平體操運動員，以豐富研究內(nèi)容。

4 結論

體操運動員在兩種落地方式的沖擊初期，更早地固定了踝關節(jié)，減小踝關節(jié)活動度對落地沖擊的緩沖效應，可能增加踝關節(jié)損傷風險；落地沖擊后期是下肢肌肉對抗落地沖擊的主要階段。但與垂直落地相比，體操后空翻落地具有更小的下肢關節(jié)活動范圍，更強的沖擊負荷，更大的負載率、肌肉激活程度和落地站穩(wěn)難度，提示，垂直落地不能反映真實體操落地動作，體操運動員落地沖擊損傷研究應針對訓練及比賽中完成的動作。