板球投手运动员投球动作的运动生物力学研究进展

杜高山，张秀丽

South China Normal University，Guangzhou 510006，China.

前言

板球运动（Cricket）是以投球、击球、传球、接球、桩间跑等技术为主要特征的运动项目。板球最早发端于16世纪英国东南部，是一项由贵族推动［9］，农牧民茶余饭后的即兴娱乐［70］。之后，被北部工人阶层接受［36］，但仍控制在南部精英阶层手中的一项“绅士的游戏”［6，71］。板球与棒球、垒球等运动项目历史渊源极深，在美国，板球运动可追溯至公元17世纪，直到1860年仍是美国普及度极高的运动项目。19世纪中叶后，美国改革了板球规则，并将这项运动正式命名为棒球（baseball）。从此，美式板球——棒球，与板球分道扬镳，板球日渐式微，棒球则如日中天，逐渐成为美国三大主流运动之一，后棒球移至室内，形成了垒球运动（softball）［3］。因此，多年 以 来，板 球 运 动 “天 才 般产生，侏儒般成长”的原因一直是国外运动史学界争论的焦 点 与 热 点［17，58，64］。

我国板球运动最早记载出现在300年前的澳门，与葡属殖民有关，最早的板球协会成立于1851年的香港，由于香港称板球为木球，协会称为香港木球会（Hong Kong Cricket Club）［6］。中国大陆最早在1958年上海和北京出现过板球比赛和板球俱乐部，不过当时参与此项运动的多为驻华外籍人士［7］。尽管板球2005年才开始在我国推广，但由于其没有直接身体对抗，讲究团队合作，极具身心锻炼价值，近2年在我国得到大力提倡［1，6］。也取得了较好成绩。2007年中国女子国家板球队参加亚洲板球理事会主办的女子锦标赛，成功打入半决赛；2010年亚运会及2012年亚洲杯亦有不俗表现。

板球作为新晋亚运会项目，其重要性不言而喻。但是，目前板球在我国是一项崭新的运动，了解、从事这项运动的人数较少［1］，缺乏群众基础和科研关注度。对于板球的运动生物力学研究尚处探索阶段，研究成果较少［2，4，5］，刘静民、朱春平、梁海丹、邓京捷和葛涛等学者从事相关研究。在板球运动普及度高的英国、澳大利亚、印度等对板球的研究及关注度颇高，研究成果已有相当规模。这些为当前了解国外板球运动的生物力学研究进展，促进我国板球运动的生物力学研究开展，提供了可参考的范式和依据。板球技术中投球技术是运动队成败的关键，好的投手运动员在运动队中经常扮演运动队灵魂的角色，没有优秀投手运动员的队伍往往会输掉比赛，同时，也会使得比赛变得寡然无味［6］。因此，有关板球投手运动员投球动作的研究一直以来都是国外学者关注的焦点，其中，运用运动生物力学手段的研究报道屡见不鲜。基于此，本研究通过综述近30年来国内、外板球投球技术的运动生物力学研究成果及最新进展，总结运动生物力学在板球投球动作研究上的一些共性问题，以期能探寻出一些生物力学研究规律。

1 板球投球动作特点研究

有研究认为，板球是世界上最为复杂的体育运动［33］，其作为高精度的物理游戏，各项技术要求均较高。因此，对比赛结果的预测存在一定难度［63］，而且，投手运动员往往以不同的速度推动板球飞行，使球在空气中的转动规律更难以捉摸［11］。球可能会在空中转弯（swerve）或飘摆（swing）［23］，使击球运动员不易判断球的落点而造成误判，也可能会以切（cut）或旋转（spun）方式触地反弹，产生出意想不到的反射角，让击球运动员猝不及防，无法击到来球。面对来球，击球运动员则在三柱门处，采取或进攻或防守的方式，直击（playing straight）、横击（playing across the line）或有角度的让来球和球板打个照面（glancing）然后回击出去。这些或积极或保守的击球行为都存在一定风险，也体现着击球运动员的智慧和气质［60］。

图1 板球投球出手时刻示意图Figure 1. Cricketer Shot Moment

板球投球技巧比较独特，投球时要求肘部不能弯曲，现虽改为旋转投手（spin bowler）可有15°弯曲［53］，但仍有别于其他运动项目。在漫长的发展历程中，各国板球优秀投手运动员创造了各种各样的投球技术，一般分为快球和慢球两种。慢球因旋转较强，通常被称为“旋转球”（spin），包括手腕旋转球（Leg－spin）、手指旋转球（Off－spin）、曲线 球（Googly）、浮球（Floater）、上旋球（Top－spin）和回旋球（Reverse）等。快球包括基本快速投球（Fast bowling）、飘球（Swing）等，本研究主要关注快速投球技术的运动生物力学研究。

1.1 板球投球动作——合理性

从手臂至与肩水平位置，到球离手，肘关节要伸直，这一规则一直备受争议。20世纪90年代，国际板球理事会（ICC）根据生物力学实验后，认为原有投球规则设定不合理，因此，修改规则，设定了旋转投手5°屈肘的上限。但是，5°的臂伸在两维电视图像上仍无法明晰分辨而可能导致错误判罚。2004年，Muttiah Muralitharan提出再次调整这一规则，最终国际板球理事会（ICC）规定15°屈肘，以利于中速和快速投手运动员发挥（ICC，2006）。因而，对投球阶段肩、肘关节进行三维运动学测量是分析板球投球技术至关重要的手段［55］。生物力学研究经常使用各种运动学分析软件判定板球投球违例的肘屈角和相关其他研究，更有研究者［57］开发In－situ微肌电系统（MEMS）惯性传感器进行实时区分合理与违例投球，现已用于实践指导。

Portus等［49］在一次国际比赛中依次对21名优秀板球投手运动员（27.8±3.9岁）投球动作进行测试分析，按照2000年板球规则肘关节角度确定标准为3°，而测试结果显示投手运动员均值±标准差（M±SD）为9±5°，且最大（Max）为22°。研究还表明，球速超过39.5±2m／s后，比37.1±1.4m／s以下对肘关节角度影响显著（effect size＝1.4，P＝0.006）。Roxana等［54］采用 Vicon 9MX－13＋红外运动捕捉跟踪系统（300Hz）对板球运动员投球阶段挥臂和球出手瞬间的肘角等进行三维运动学数据采集，并与最新ICC规则对比，以揭示新规则背后的科学证据。研究结果表明，所有投球均在最新ICC规则允许范围内（即肘角小于15°），因此，均为合理投球。虽然肉眼未看出有任何投球犯规，仍有20%的投球超过原规则允许的5°旋转投手范围，这一结果与Portus等研究相吻合。

对于板球投球动作合理性的研究有助于犯规投球的判定和运动员错误动作的纠正，但对于瞬息万变且节奏紧凑的板球赛场而言，较长的反馈时间显然不利于实际比赛（图2）。因此，比赛中一般采用电子眼回放。基于此，Tariq等［69］针对板球比赛中电子眼存在盲点问题，研发出一套动态成像系统——A－Eye辅助裁判判罚，目前，已被应用于板球比赛。同时，Franz等［31］也为板球投球的三维可视化采集（3Dvisualization）研发出智能可视板球自转监测系统。

1.2 板球投球动作——运动链

除板球投球动作合理性国外学者较为关注外，快速投球作为板球中一种动作难度极高的投球方式亦较多关注。在快速投球过程中，投球手需身体多个部位协调发力，才能获得高速快球，是典型的鞭打动作。根据运动链原则［41］，主体部分能量由近侧向远侧依次传递，将产生一种机械优势，能量依次从较重的和更强的近端部分向更轻和较弱的远段传送。根据能量及动量守恒，这些更小的远端部分由于其质量较低，因此，其转动惯量相对较高（球速快）［41］。

图2 A－Eye动态成像系统界面示意图Figure 2. A Video Loaded in A－Eye

早期关于板球快速投球手的生物力学研究只针对运动的时间顺序。有研究发现［45］，骨盆旋转的时间出现在前脚触地瞬间，此时球在最低点，投球弧线尚未出现。进而，又有研究指出［28］从前脚触地到球离手的大部分时间，骨盆旋转先于肩转动。然而，关于板球投球阶段最优节段运动链的研究相对缺乏。

Ferdinands［29］对34名俱乐部顶级男板球投手运动员（22.3±3.7年）投球阶段进行分节段动能（segmental kinetic energy）研究［28］，将运动员分为慢速组（27.8～30.6 m／s）、中慢组（30.6～31.9m／s）、中快组（31.9～33.3m／s）和快速组（33.3m／s以上）4个速度组，并采用8－camera EVA运 动 解 析 系 统 （Motion Analysis Corporation Ltd.，USA）捕捉三维动作影像（240Hz），同时，两个Bertec6090测力板（960Hz）获取动力学数据。研究结果表明，大多数投球动作所产生的动能为平移动能。总体而言，主体段动能消耗增加与球速成正比。平均总动能消耗中快组为23.6%，高于中慢组。中慢组平均总动能消耗为23.1%，也比慢速组高，额外平移动能消耗主要集中在下肢，而这些部位并未与球速的产生直接相关。快速组在投球上臂、投球前臂和投球的手、上、下躯干旋转等节段上，与中快组相比要消耗更多的旋转动能，旋转动能最显著增加的为下、上躯干，分别为32.0%和21.6%。因此，投手运动员投球动能呈现一个由近端到远端的顺序，且较大和较重段的近端，与较小区段相比，有较高的平移和旋转动能。当投球动作不断趋向出手，近端动能逐渐减少，远端动能随之增加，这一顺序与运动链原则相一致。Zhang等［72］采用VICON运动捕捉系统对8名男子投手运动员进行三维运动学数据采集与分析。结果表明，上臂旋转贡献最大，其次依次为躯干和胸部转动、骨盆转动、骨盆线速度、前臂和手的旋转。

1.3 板球投球动作——地面反作用力

板球投手运动员在跨步投球期间受脚与地面两方面影响［39］，早前，已有人关注投手运动员与地面反作用力（垂直和水平方向）之间差异性的研究。

Hurrion等［37］对板球快速投球的生物力学研究表明，快速投手运动员投球瞬间所传递的地面峰值反作用力，垂直方向是其自体重的6倍（6BW），水平方向是其自体重的4倍（4BW）。Hussain等［39］对6名快速投手运动员进行测试发现，脚前掌最大垂直力为4.80±0.92kN（5.75±0.98BW），制动力为2.93±0.56kN（3.54±0.67BW）。前脚接触的平均峰值为246kN／s（298BW），远大于脚后跟65kN／s（79BW／s）的平均峰值。Portus等［49－51］通过研究42名澳大利亚优秀男子快速投手运动员认为，板球球速越快，前脚与地面接触时间越长，产生的制动和地面垂直冲力越大。

板球虽为非接触性运动，但其投球损伤却有极高的发病率［16］，有研究认为［66］，这在很大程度上归因于跨步投球瞬间增加的地面反作用力。Subir等［68］采用Kistler9281CA测力台和SR3600雷达测速跟踪系统，对10名优秀快、中速板球投手运动员投球期间，前脚触地的地面反作用力（垂直和水平）进行计算和分析，每名受试者分别进行10次最大投速（＞97km／h）和次最大投速（＜97km／h）投球，研究发现以最大和次最大投速投掷板球垂直方向峰值地面反作用力（P＝0.016）和水平方向峰值地面反作用力（P＝0.007）均存在非常显著性差异。结合前人研究［37，39］及其板球投手运动员的地面反作用力与出手球速相关性研究，其结论认为垂直和水平的地面反作用力增加与投手运动员投速更快成正比，投手运动员投出最大速度的球时，这些增加的生物力学的力可能造成运动损伤。

Max等［43］对15名澳大利亚女子板球投手运动员快速投球时，前脚触地的地面反作用力大小进行研究（包括最大垂直力、水平峰值制动力和垂直负载率），结果显示，地面反作用力垂直平均峰值为3.49±0.81kN，水平的制动力平均峰值为2.13±0.52kN。统计分析还显示，标准化最大垂直力（Peak vertical GRF／BW）差异只有2.3%，标准化最大水平制动力（Peak horizontal braking GRF／BW）为2.0%。因此，研究认为对优秀女子快速投手运动员前脚地面反作用力的研究，不建议将身体质量（body mass）作为一个协变量标准化。研究还表明，最大垂直力的平均作用时间为0.033±0.009s，垂直负载率为121.31±73.78kN／s，因此，需要进一步研究，以确定减少和减轻前脚地面反作用力的最佳方式。

近年，人们对于能否减少地面反作用力的关注，延伸至避免运动损伤的装备——板球鞋上。Alpine等［15］使用8台相机（FALCON，240Hz）和3台6—DOF测力台（Bertec，1 000Hz）对8名男子板球投手运动员的投球动作进行三维影像数据收集，并使用10点Likert量表问卷对其感知觉进行统计调查，探究改变板鞋中底部柔韧性是否对其运动学及动力学等指标产生影响。结果显示，除地面反作用力值有较少改变外，其他均无显著变化，但感知觉调查表明投球中前脚掌更为灵活的板球鞋被认为更加舒适和轻便。Bishop等［20］选取5名南澳大利亚板球协会男投手运动员为受试者，为每位投手运动员提供3双鞋（ASICS，ASICS480TR170no和ASICS Gel Strike Rate），每双投球8次。在髋、膝、踝等关节处做标记以便在矢状面内对膝、踝关节的运动进行二维分析，视频图像进行数字化计算膝关节屈曲／伸展角度和踝关节背屈／跖角。结果显示，在脚跟着地瞬间，3种鞋的前膝关节屈曲／伸展角有显著性差异（P＜0.05），因此，研究认为不同类型的鞋均可减少地面对身体的伤害，但在选购板球鞋时要根据个人特点选购。

2 板球投球运动损伤研究

机械因素是众所周知的人体椎间盘退变和运动损伤发生的重要病因［30］。板球的快速投球球速约在30～45 m／s之间，要想做到这一点，快速投球手的躯干必须在短时间内做出弯曲、伸展和旋转等，同时，人体还必须吸收高达自体重6倍以上的地面反作用力。因此，其极易造成损伤。

板球快速投球技术有3种，包括侧上（side－on）、前上（front－on）和混合（mixed）。研究发现，混合投球技术特征是肩部横切面的一个扭转力矩，其相关脊柱病变多出现在肩关节和腰椎［19，52］，如腰椎间盘退变、肩袖损伤等。但是，无法进入人体内进行体内腰椎等各关节运动的定量评估给研究者带来了极大挑战，目前，生物力学一般采用三维（3D）运动解析系统和等动肌电等仪器测量并分析其相对位移、角度和受力给出相应解释与说明。

2.1 肩损伤

临床医学数据显示，优秀板球快速投手运动员的慢性肩损伤比例不断攀高，板球快速投手运动员必备的两个单肩过头技术动作是投球（bowling）和传球（throwing），均对肩造成强力冲击［28，32］。肩部肌肉对肩关节的动态支撑起着至关重要的作用，因此，快速投球的肩部旋转强度和活动范围（ROM）是其主要研究内容。

Mabasa等［44］对30名男子板球俱乐部优秀投手运动员的肌力进行评估，研究发现，在肩胛平面让肱骨以60°／s、180°／s和300°／s的活动速度外展45°，其内旋（concentric internal rotation，IR）峰值力矩，投球肩显著高于非投球肩。Aginsky等［12］通过对21名快速投手运动员进行研究发现，双肩外旋（external rotation ER）强度无差异；投球肩肱骨外展90°条件下，研究其等速肌力和活动范围（Range of Motion，ROM），发现有投球肩损伤史的投手运动员标准化后，在180°／s时其向心IR扭转力矩峰值显著大于无肩损伤史投手运动员，被动（passive）情况下的IR、ER和ROM之间无显著性差异；有肩痛史投手运动员的旋转力矩在内旋、外旋时不平衡，使之存有肩峰撞击症倾向，但并未有关于女子快速投手运动员肌肉群的肩旋转力矩和ROM数据支撑。

Craig等［22］关于2005年英格兰和威尔士一级板球赛（First Class Matches）职业板球运动员肩损伤情况的调查研究显示，158名投手运动员中有64%经常在赛场疼痛，58%的投手运动员比赛中特定部位疼痛，18%的投手运动员在最后球出手瞬间或某个阶段出现疼痛感。因此，提出适当对投手运动员肩部疼痛进行相关治疗和预防的建议。Stuelcken等［65］对26名优秀女子快速投手运动员（22.5±4.5岁，170.6±5.0cm，66.2±7.5kg）的投球肩和非投球肩的活动范围、肌力及肩内、外旋测试结果显示，12名有肩部疼痛史选手双肩外旋投球活动范围，与无肩痛史选手有显著性差异（P＜0.05）；内旋投球活动范围，与无肩痛史选手有显著性差异（P＜0.05）；投球肩的扭转力矩与快速投球年限存在相关性（r＝0.45）。

2.2 腰损伤

椎间盘退变的确切原因众说纷纭。早期研究认为的扭转力矩单独导致椎间盘退变学说［29］已被驳斥，有研究认为，重复负载，如沿轴方向作旋转、前屈及过伸等造成的高强 度 压 缩 力 可 能 导 致 腰 椎 病 变［10，38，60］。

Burnett等［19］对19名年轻男子板球投手运动员（M＝13.6岁）前、后两次进行核磁共振成像扫描，以确定腰椎病变是否与投球技术有关。研究发现，在第1次测试中腰椎间盘退化发生率为21%，但第2次却显著增加至58%（P＝0.008），此外，第1次和第2次相比腰痛发病率也显著增加（P＝0.002）。因此，研究认为椎间盘退变的发展与快速投手运动员使用混合投球技术显著相关（P＝0.015）。Burnett等［18］以西澳大利亚板协20名优秀男子快速投手运动员（Y＝19.1±1.4岁；H＝183.2±5.4cm；M＝76.2±6.8kg）为研究对象，根据投球分为侧上、前上和混合技术3组，使用3Space’Fastrak运动解析系统（120 Hz）捕捉其腰椎三维运动学参数。研究认为，以腰椎的活动范围和速度作为评价指标，混合投球手比之于侧上和前上投球手更易腰椎病变。

Orchard等［47］对澳大利亚板球运动员监测研究显示，腰椎应力性损伤是澳大利亚10年来优秀板球快速投手运动员常见的运动损伤，与其他位置（如击球手运动员，旋转投手运动员）相比，腰椎应力性损伤是快速投手运动员缺席赛季的主要原因。研究还发现许多因素可导致腰椎损伤 ，如 投球 量［24，25，48］、投 球 技 术［49］和 下 肢 力 量 等 。 基 于 此 ，Dennis等［24，25］对12名优秀 男子投手运动员1999—2000赛季投球量与损伤关系进行跟踪调查显示，损伤季节高发期12人中7人疼痛，且最多9处疼痛。投球手投球连续超过5天，受伤风险激增（风险率（RR）＝4.5，95%CI为1.02～20.12）。因此，投球量与损伤成正比，连续高负荷投球尤甚。之后，其又对40名男子初级板球投手运动员（14.7±1.4岁）2002—2003赛季投球量与损伤风险进行评估，结果发现有11名（25%）选手背部7处有过劳型损伤，且其投球数均比未损伤投手运动员多。因此，研究认为投球量过大是初级快速投手运动员易出现劳损的主要危险因素。

Orchard等［48］研究也发现一次大负荷量的快速投球后，损伤风险3～4周仍可增加，研究认为可能存在某种机制破坏大负荷量投球后受伤组织的修复。Engstrom等［27］认为青少年快速投手运动员的腰方肌（Quadratus lumborum）不对称与腰椎病变有关，在实验论证的基础上，其得出青少年快速投手运动员腰椎单侧4L峡部病变与QL不对称（asymmetry）高度相关的结论。Alex等［13］通过对38名青少年板球快速投手运动员进行磁共振成像研究，结果表明有21%的投手运动员发生腰椎应力损伤，腰椎损伤与腰方肌横截面积无显著关系，这与之前Engstrom等人的研究结果不同。

3 结论与建议

1.国外研究集中表现为建立板球投球动作、投球速度和运动损伤三者之间的关系模型，为降低运动损伤风险提供参考。从国外板球投球动作的运动生物力学研究现状可知，国外板球投球动作主要从运动学、动力学、等动、肌电等方面，运用先进设备仪器，将运动生物力学原理融入到板球运动实践中，促进板球运动的大众普及。显著地表现为试图通过对板球投球动作的运动生物力学（Biomechanics in Sports）与人体测量学（Anthropometry）研究，建立身体运动（physical movement）、投球速度（ball release velocity）和运动损伤（sports injury）三者之间的关系模型，为降低运动损伤风险提供参考。因此，未来国外板球投球动作的运动生物力学研究，将继续围绕身体运动、投球速度和运动损伤三者之间展开。

2.国外有关如何改善投球技术，提高运动成绩的研究报道相对较少，这或与国外板球运动发展水平较高存有重大关系。

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