体操运动员后空翻落地与垂直落地的下肢生物力学比较研究

体操运动员后空翻落地与垂直落地的下肢生物力学比较研究

吴成亮，郝卫亚，李旭鸿，肖晓飞，娄彦涛体操的每一次训练或比赛都是以落地作为动作结束，落地站稳是运动员取得名次的关键。国际体操联合会（FédérationInternationaledeGymnastique，FIG）的评分规则规定，结束动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，一个跨步扣0.5分，跌倒扣1.0分。然而，体操比赛中落地失误较多，97名男子体操运动员在自由操比赛落地中失误率高达71.9%（Marinseketal.，2010）。体操运动员损伤发生率也很高，尤其是落地过程中的下肢关节损伤（吴成亮等，2019；Westermannetal.，2015）。流行病学调查发现，体操运动员下肢损伤分别占比赛和训练总损伤数次的53%和69%（Marshalletal.，2007），且多发生在自由操和跳马项目中，空翻加转体的落地是造成损伤的主要动作（谢清等，1997）。理解潜在损伤的生物力学机制，将有助于预防运动损伤，提高防护效果（郝卫亚，2017）。落地过程中会产生较大的冲击力，带来潜在的损伤风险（McNittGray，1991）。高速的落地冲击，双脚将承受几倍于自身体质量的垂直地面反作用力（verticalgroundreactionforce，vGRF），且随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）为3倍体质量（bodyweight，BW），2.0m时PvGRF可达12BW（McNittGray，1991）。体操运动员每周大约会承受200次的落地冲击（Gittoesetal.，2012），其PvGRF达到7.1～15.8BW（Slateretal.，2015）。反复和较大的vGRF也可能导致运动员下肢过度使用、损伤高发（Millsetal.，2009）。有研究认为，体操运动员损伤的高发与落地下肢关节承受过多载荷有关（Dalyetal.，2001；Wadeetal.，2012）。而且，为了表现良好的艺术性，FIG的评分规则规定，体操运动员落地时膝关节不能过度屈曲（FIG，2017）。有研究证实，在垂直落地中，专业体操运动员比业余爱好者有更大的vGRF，这是因为专业体操运动员下肢通常会采用较为“刚性”的落地，即膝关节屈曲小于90°（Christoforidouetal.，2017；Devitaetal.，1992；Jeffetal.，2003）。具体来说，这种落地模式会增加腿的刚度，导致下肢损伤风险增加（Butleretal.，2003）。Bradshaw等（2012）跟踪调查两位体操运动员8年后发现，踝关节刚度分别增加10.8kN/m和13.9kN/m，且他们一只或双脚后跟存在不同程度的疾病。目前，关于落地生物力学研究多集中于垂直落地任务，鲜见对于体操落地研究。Niu等（2011）采用不同高度垂直落地模拟跳伞动作的研究发现，随着落地高度的增加，vGRF的负载率和冲量会相应增加。Collings等（2019）综述了垂直落地任务对无挡板篮球（又称英式篮球）的损伤风险研究，筛选的149篇论文中54%的论文并没有给出选择垂直落地任务的理由，15%的论文是因为之前的研究使用过，还有部分论文是因为垂直落地任务方便进行实验控制。有文献证据表示，垂直落地的生物力学参数可能无法有效评估具体落地任务，研究应考虑垂直落地任务的局限性。在体操运动员垂直落地研究中，McnittGray等（1993）发现，下落过程中下肢先伸展，然后在即将落地前屈曲。然而，并不清楚类似落地策略是否会在实际体操落地中发生。有研究指出，增加下肢关节的屈曲可以减小落地冲击（Slateretal.，2015），但肌肉和韧带会加入更多的补偿从而增加损伤风险，同时也会影响落地的稳定性，尤其是在高速落地冲击中（Bradshawetal.，2012；Tantetal.，1989）。另外，现有研究通常都是分析整个落地冲击过程，此过程被定义为开始触地到膝关节达到最大屈曲角度（Christoforidouetal.，2017），或身体质心下降最大高度（Gittoesetal.，2012），或局部最小垂直地面反作用力（McNittGrayetal.，2001）。所以，尚不清楚体操运动员在不同落地冲击阶段是否会采用不同策略，以及哪一阶段的损伤风险更高。落地是在神经肌肉控制下的复杂动作，需要对落地时间、空间和GRF进行预测，同时在主动肌和拮抗肌的协同作用下完成（Christoforidouetal.，2017）。后空翻是体操的基本动作，也是体操运动员最常用的动作之一，由其发展和连接的体操动作也十分常见（FIG，2017）。Marianne等（2013）研究平衡木的后空翻落地动作，仅从运动学视角分析身体在空中的转动策略；Mkaouer等（2013）研究了后空翻的起跳和空中动作，认为较高的起跳重心高度有利于动作的完成。这两项研究都未对落地进行分析。Čuk等（2013）对体操前空翻和后空翻落地的对称性进行研究，为了避免非对称性落地，运动员需要足够的腾空高度、更大的角动量和更好的控制角速度。Slater等（2015）对精英体操运动员下降着陆与后空翻落地进行比较研究，下降着陆的PvGRF更小、下肢关节屈曲角度更大，聚焦于体操规则，认为应当进行适当修改——鼓励运动员落地时增加下肢关节屈曲范围，从而达到减小落地冲击力的目的，但文中并没有考虑到下降着陆不是体操动作的落地，由此得出修改体操规则的建议有失偏颇。国内关于后空翻的研究多集中在对某个高难度（多周的转体或翻腾）后空翻动作的个案分析，鲜见对基础的后空翻动作进行深入探讨。因此，本研究通过对高水平体操运动员后空翻落地与垂直落地的对比分析，揭示实际体操落地是否具有特殊的下肢生物力学特征，以及这些特征是否会增加运动员损伤风险。1研究对象与方法1.1研究对象中国男子体操队运动员6人，年龄（17.3±1.3）岁，身高（165.7±5.0）cm，体质量（57.3±3.9）kg，都曾参加体操世界杯或/和锦标赛，且近6个月未发生骨骼肌肉损伤。告知所有运动员实验过程，并签署知情同意书。根据《世界医学大会赫尔辛基宣言》，本研究获得国家体育总局体育科学研究所伦理委员会同意并批准（委1627）。1.2仪器1）QualisysOqus运动捕捉系统，产于瑞典，包含9个摄像头（8个红外摄像头和1个高清摄像头），配备直径为16mm标准红外反光markers采集落地动作的三维运动轨迹，采样频率为250Hz。2）Kistler三维测力台1块（40cm×60cm×5cm，型号：9260A），产于瑞士，外置信号放大器，采样频率为1000Hz。3）Delsys肌电测试仪，由美国Delsys公司生产的16通道表面肌电采集系统，对两侧下肢膝、踝关节主要肌群（股二头肌、股直肌、胫骨前肌、腓肠肌外侧头）的肌电信号进行测量，采样频率为2000Hz。1.3实验过程体操运动员首先进行15min热身活动（包括慢跑、跳步和拉伸），然后每名运动员依次完成两种方式的落地（85cm垂直落地和体操后空翻落地）各3次，共6次落地，每个动作间隔时间约1min。1）垂直落地动作要求：无初速度的垂直落地，双脚落在测力台上，以体操运动员惯用方式落地，尽量保持落地站稳，不能有迈步或跳步；2）后空翻落地要求：运动员赤足站立于测力台前方适合位置，后空翻落地于测力台上方，不能有迈步或跳步。使用QualisysOqus运动捕捉系统对三维运动数据进行采集，标准红外反光markers粘贴于头、第七颈椎，以及两侧肩胛骨内角、膝、踝、跖趾关节、脚后跟和脚趾（图1），具体位置参考CAST全身markers模型（Sint，2007）。测力台上放置与其大小相同的落地垫（厚5cm），并在周围用泡沫软垫进行保护。落地垫对vGRF结果影响很小，12cm厚的落地垫使结果约减小5%（McNittGrayetal.，2001）。使用Delsys无线表面肌电系统采集两侧下肢的表面肌电信号，肌电粘贴方法及位置事先参考SENIAM指南（Hermensetal.，1999）。运动捕捉系统、测力台和无线表面肌电系统使用内同步进行同步处理。由2名国家级裁判根据体操评分规则，选出每名参与者完成最好的各一个类型落地动作进行结果分析。图1红外反光markers和EMG传感器在体操运动员身上的位置Figure1.LocationofRetro-ReflectiveMarkersandEMGSensorsontheGymnasts1.4数据处理对于两种落地方式，本研究重点关注落地过程中的预激活阶段［T0，触地前100ms（Komietal.，1987）］和落地冲击阶段，并将落地冲击阶段分为两个亚阶段：T1落地冲击初期，从触地到PvGRF；T2落地冲击后期，从PvGRF到vGRF回到1BW。使用QualisysTrackManager软件对三维运动捕捉数据进行后期处理，低通截断频率10Hz进行滤波（Slateretal.，2015）。下肢髋、膝和踝关节角度和角速度通过关节上3点组成的2条直线进行计算。通过测力台获得的vGRF使用低通截断频率50Hz进行滤波（Slateretal.，2015），vGRF峰值用每个运动员的体质量进行标准化。落地瞬间定义为测力台vGRF＞10N的第1时刻（Christoforidouetal.，2017），从触地到vGRF峰值的时间定义为TtoPvGRF，落地冲击阶段的时间定义为TtoBW，PvGRF除以达到PvGRF的时间定义为负载率。根据冲量计算公式：I=∫F*Δt，计算落地冲击阶段垂直冲量。使用动态姿势稳定性系数（Dynamicposturaldtabilityindex，DPSI）评价落地的动态稳定性（Wikstrometal.，2005），包括前后（APSI）、内外（MLSI）和垂直（VSI）3个方向上的分量，评估GRF数据集在零附近波动的均方差，由于vGRF远大于其他方向，所以本研究以VSI指数来评价落地的动态稳定性，计算公式为：式中，bodyweight为运动员体质量；numberofdatapoints为数据的个数，通常取3s内的数据个数为佳（Wikstrometal.，2005），本研究测力台采样频率为1000Hz，3s内的数据即为3000个。将原始表面肌电信号全波整流后，再进行带通滤波处理（10～400Hz）（VanDieenetal.，2009）。每名运动员的肌电信号采用垂直落地中各个肌电的最大值进行标准化。其结果用均方根（rootmeansquare，RMS）振幅表示：式中，t为EMG信号的开始时间；t＋T为EMG信号的结束时间。用标准化后的胫骨前肌EMGRMS除以腓肠肌外侧EMGRMS表示踝关节的共激活，用标准化后的股二头肌EMGRMS除以股直肌EMGRMS表示膝关节的共激活（Ruanetal.，2010）。在同一时间内，利用拮抗肌和主动肌活化程度的比值反映两肌肉的共激活（Aagaardetal.，2000）：1.5数据分析对受两种落地方式影响的结果采用配对t检验，采用重复测量方差分析受落地阶段（T0、T1和T2）影响的肌电结果。若落地阶段对肌电有显著影响时，采用LSD事后检验评价其显著性差异发生的具体阶段。所有结果以平均值±标准差表示，显著水平为P＜0.05。2结果2.1运动学分析髋关节屈曲角度在触地前100ms、触地、达到PvGRF、1BW时均有显著差异，膝关节屈曲在这4个时刻均无显著差异，踝关节屈曲角度在落地前100ms、触地时刻表现出显著差异（图2）。图2垂直落地（VL）和后空翻落地（BS）下肢关节不同时刻屈曲角度Figure2.FlexionAnglesofLower-LimbJointsduringtheVerticalLanding（VL）andBackwardSomersault（BS）Landing膝关节最大角速度在两种落地方式之间存在显著差异，髋关节、踝关节最大角速度对应的屈曲角度在两种落地方式之间存在显著差异（图3）。图3垂直落地（VL）和后空翻落地（BS）下肢关节最大角速度及对应的屈曲角度Figure3.TheMaximumAngularVelocityoftheLower-LimbJointsandItsCorrespondingAnglesduringtheVerticalLanding（VL）andBackwardSomersault（BS）Landing两种落地方式中，髋、膝关节达到最大角速度时间、达到PvGRF时间无显著差异，但上述3个时间都与踝关节达到最大角速度时间存在显著差异（图4）。图4垂直落地（VL）和后空翻落地（BS）到达下肢关节最大角速度和PvGRF的时间Figure4.TimetoMaximumAngularVelocityoftheLower-LimbJointsandPeakVerticalGroundReactionForceduringtheVerticalLanding（VL）andBackwardSomersault（BS）Landing2.2垂直地面反作用力及衍生指标两种落地方式的PvGRF具有显著差异（图5a），从触地到PvGRF的时间有显著差异（图5b），负载率有显著差异（图5d），后空翻落地负载率均值是垂直落地的2.44倍，整个落地冲击时间和落地冲量无显著差异（图5c，图5e），动态稳定性有显著差异（图5f）。图5垂直落地（VL）和后空翻落地（BS）的vGRF及其衍生指标比较Figure5.ComparisonofVerticalGroundReactionForceandDerivedVariablesduringtheVerticalLanding（VL）andBackwardSomersault（BS）Landing2.3肌电学分析1）股二头肌：两种落地方式的EMGRMS在T0和T2阶段有显著差异（图6a），垂直落地中T1和T2的EMGRMS有显著差异（P＜0.05），后空翻落地中T2的EMGRMS显著高于T0和T1（P＜0.05）。2）股直肌：两种落地方式的EMGRMS有显著差异（图6a），T2显著大于T0（P＜0.05）。3）胫骨前肌：不同阶段EMGRMS具有显著差异（图6b），两种落地方式的EMGRMS无显著差异，但后空翻的平均值明显大于垂直落地。4）腓肠肌外侧：在T0阶段，后空翻EMGRMS显著大于垂直落地，两种落地方式T2的EMGRMS显著大于T1（图6b）。图6垂直落地（VL）和后空翻落地（BS）的膝关节（a）和踝关节（b）标准化后肌电共收缩Figure6.CoactivationofNormalizedEMGofKnee（a）andAngle（b）duringtheVerticalLanding（VL）andBackwardSomersault（BS）Landing3分析与讨论本研究对体操运动员垂直落地和后空翻落地的下肢运动学、动力学和肌电特征进行量化分析。两种落地方式都要求运动员以体操惯用方式落地，保持落地的稳定性和美感。后空翻是体操基础技巧类动作，在训练和比赛中的使用频率较高，探明实际体操动作落地与垂直落地是否存在显著差异，有利于揭示实际体操落地的生物力学规律，从而提高运动损伤的防护效率。后空翻落地下肢关节屈曲角度变化较小，冲击负荷较大。在落地过程中，后空翻的髋、踝关节角度变化明显小于垂直落地，减小了髋、踝关节活动度对落地冲击的缓冲。John等（2008）在研究排球运动员落地时发现，关节屈伸角度变化对冲击力的影响比下降高度影响较大，较小的关节屈曲会产生更大的落地冲击，这可能解释了本研究中后空翻比垂直落地拥有更大的冲击力。两种落地方式的膝关节屈曲无显著差异，这与体操评分规则规定落地不允许有过大膝关节屈曲有关（FIG，2017），运动员长期训练已经形成以较小的膝关节屈曲落地的习惯。另外，虽然后空翻落地的髋关节屈曲活动范围较小，但髋关节屈曲程度始终比垂直落地更大。有研究报道，通过增加躯干的前倾可以减小落地的冲击力（Blackburnetal.，2009）。本研究中，髋关节屈曲程度较大也相当于躯干前倾增加，其目的可能也是为了减小落地冲击力。尽管如此，后空翻落地的冲击负荷依然高于垂直落地，长期反复的体操落地训练，势必会增加下肢关节损伤风险（Dalyetal.，2001；Millsetal.，2009；Wadeetal.，2012）。两种落地方式下肢关节角速度峰值及其对应角度有不同特征。后空翻落地的膝关节角速度峰值比垂直落地更大，使膝关节产生更大的转动能，从而耗散更多的落地冲击能量。Zhang等（2000）发现，膝关节在落地过程中是主要耗散能量的下肢关节，而后空翻落地的膝关节可能发挥更大的缓冲效应。两种落地的髋、踝关节角速度峰值对应的屈曲角度有显著差异，说明二者高速落地状态中的身体姿态有明显差异。值得注意的是，两种落地的髋、膝关节达到最大角速度的时间与达到PvGRF的时间相近，且都要显著长于踝关节，表明在落地冲击初期，髋、膝关节角速度响应与落地冲击保持同步，可能参与更多的落地缓冲；踝关节的速度响应先于落地冲击，即在落地冲击中提前固定关节，这可能有利于落地站稳，但减小了关节活动度对于落地冲击的缓冲，从而增加踝关节损伤风险。通常情况，髋、膝关节周围肌肉质量大，对冲击吸收的功率和负功也就较大，可以较好地吸收冲击能量；踝关节周围肌肉质量小，这也是其产生更高损伤风险的原因（Coventryetal.，2006）。两种落地方式呈现不同的落地负荷特征。典型的垂直落地一般出现“一小一大”两个vGRF峰值，这两个峰值通常分别由脚尖落地产生和随后的脚跟落地产生（张希妮等，2017；Jeffetal.，2003）。而后空翻落地vGRF却呈现单峰值特征，触地后足迅速从脚尖过渡到全脚掌，前人研究也有类似特点（Slateretal.，2015；Wadeetal.，2012）。两种落地方式中，后空翻PvGRF显著大于垂直落地，并且从触地到达PvGRF的时间显著缩短，从而使后空翻落地的负载率远大于垂直落地（Slateretal.，2015），落地动态稳定系数也更大。所以，后空翻落地总体表现出更大的落地冲击力、更短的达到力峰值时间、远超垂直落地的负载率和更难的落地