鞭腿击打不同类型目标对支撑腿膝关节损伤的危险因素变量分析

苏健蛟

（山西师范大学体育学院，山西临汾041000）

鞭腿击打不同类型目标对支撑腿膝关节损伤的危险因素变量分析

苏健蛟

（山西师范大学体育学院，山西临汾041000）

为预防鞭腿技术动作运用不规范对支撑腿膝关节造成的运动损伤，运用VICON System 3D运动采集系统与Polygon分析软件，对鞭腿击打3种不同类型目标研究表明：支撑腿膝关节的外展内收、回旋角度、回旋角速度及回旋力矩等方面都存在显著性差异（P＜0.05）；鞭腿击打沙包时，支撑腿膝关节外展内收、大幅度回旋运动导致角速度方向快速变化；支撑脚触及测力台的峰值地反力瞬间到作用腿击打目标物瞬间，支撑腿的膝关节角度快速内收、外旋运动，因受到地面反作用力的冲击导致膝关节运动速度减慢、外旋角度减小、关节力矩加大，导致支撑腿膝关节部位上下扭转，成为支撑腿膝关节运动损伤的主要危险因素。

鞭腿；目标；膝关节；损伤；危险因素

随着武术国际化进程的快速推进，武术散打运动蓬勃发展，越来越多的散打赛事成功举办［1］。武术散打这项具有东方色彩的搏击运动在世界各国得到了的认可，越来越多的人们开始关注和习练。在国际化发展过程中如何科学、健康地发展已成为现在面临的主要任务。在比赛中腿法技术已成为目前主要的得分手段，对比赛的胜负起到关键性的作用［2］。鞭腿动作是一项使用率较高的技术［3］，频繁地使用损伤现象也时常发生，损伤部位中膝关节成为主要损伤的部位［4－7］。在我国优秀武术散打运动员膝关节损伤情况较为普遍，受伤率高达90%［8］。为练习者的肉体和精神上带来了极大的痛苦，严重者甚至可以结束运动生命。运动损伤［9］已成为影响武术散打技术水平提高的主要障碍，也是阻碍其国际化快速发展的主要因素。如何把运动损伤控制到最小化，使该项目规范、快速地发展，是当前面临的一个现实问题。在国内、外图书馆及相关网站查阅大量文献，参考武术散打运动损伤调查结果及散打鞭腿技术动作形态分析的理论研究基础上，在运动生物力学实验室［10－11］运用VICON System 3D运动采集系统与Polygon分析软件，结合膝关节［12］屈伸、外展内收、回旋的运动特征及散打鞭腿技术运用特点，对鞭腿击打不同类型目标时，支撑腿膝关节在各阶段的角度、角速度的变化，关节力矩和地面反作用力的大小对膝关节周围的软骨和韧带等可能造成运动损伤的主要因素进行分析。为武术散打运动更加合理化、规范化、科学化、国际化的发展；为因鞭腿技术动作击打不规范对膝关节造成运动损伤的预防，为教练员及习练者提供更加客观的实验数据作为参考依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

10名男子武术散打运动员（国际健将8人，国家健将2人），人体测量特征的均值：年龄（25.3±5.6）岁，身高（173.9±7.2）cm，体重（69.3±8.3）kg，下肢长度（88.7±4.3）cm，膝关节宽度（9.5±0.5）cm，踝关节宽度（7.6±0.5）cm，肩关节宽度（9.1±0.8）cm，肘关节宽度（6.8±0.3）cm，腕关节宽度（5.9± 0.4）cm，手厚度（2.6±0.2）cm。

1.2 测定仪器与设备

1.2.1 三维运动捕捉系统 英国VICON Motion System公司生产的VICON System 3D红外高速运动捕捉系统。包括10个T40s型号的摄像头（400万像素）、直径14 mm的Marker球39个。本实验采样频率设置为400 Hz。

1.2.2 三维测力台 美国AMTI公司研制的三维测力台系统，包括BP400600（长600 mm宽400 mm高82.5 mm）2块、BP400900（长900 mm宽400 mm高82.5 mm）1块，本实验采样频率设置为1000 Hz。

1.2.3 信号采集软件及建模 运动学、动力学数据主要通过Vicon Nexus 2.0进行信号采集和前期处理。该系统同步采集人体三维运动学和动力学的原始信号，并对采集完成的体表Marker点命名，去除噪讯、删补轨迹等进行处理。输入测量的身高、体重以及各关节厚度和肢体长度值后建立人体3D模型。

1.2.4 其他实验用品 固定Marker的散打脚靶和沙包、受试者实验服装、卡尺、剪刀、胶带、酒精等。

1.3 Marker球粘贴部位、坐标及建模

人体39个坐标点及表面粘贴Marker球的具体部位，输入测量身体基本特征数值后建立的人体3D模型（图1）。

图1 Marker粘贴部位及人体3D模型

图2 Event和Phase

1.4 实验方法

实验开始前打开Vicon、测力台等实验仪器和设备进行预热和标定，让受试者填写实验知情同意书，15 min热身后到实验室更换服装并告知受试者实验流程和注意事项、测量身体基本特征及粘贴Marker球（39个），让受试者练习和熟悉实验动作。根据受试者最常用后鞭腿的击打位置，统一设定3种类型目标的高度（1.1±0.1）m和方向后，让受试者运用后鞭腿技术分别快速击打Marker球（空击动作）、脚靶和沙包。每次击打动作完成后，研究者和受试者共同商议该动作质量，受试者感觉达到平时训练的最佳技术动作为标准。每种类型选定5次（每人15次）达到标准的技术动作为本研究实验标本动作。

1.5 时刻（Event）和阶段（Phase）

1.5.1 时刻（Event） 准备（E1）：支撑脚触及测力台的峰值地反力瞬间。击打（E2）：作用腿接触目标物的瞬间。伸展（E3）：作用腿击打后膝关节最大伸展的瞬间。

1.5.2 阶段（Phase） 击打阶段（P1）：准备开始到接触目标物瞬间结束（E1→E2）。伸展阶段（P2）：接触目标物瞬间开始到伸展结束（E2→E3）。时刻设定依据VICON Nexus 2.0信号采集后，观察支撑脚触及测力台的峰值地反力、目标物上的Marker球出现移动、膝关节最大伸展等不同阶段发生变化的瞬间而设定，阶段根据鞭腿技术动作特点及依据设定的不同时刻而划分。

1.6 数据处理

采用英国VICON公司研发的Polygon 3.5.1分析软件，根据动作的轨迹变化和坐标系对膝、踝关节的角度、角速度，以及关节力矩进行计算。定义左腿膝关节弯曲、外展、外旋为正（＋），伸展、内收、内旋为负（－）。关节力矩主要依据逆向动力学（in－verse dynamics）计算，即根据所采集的运动学及地面反作用力的数据，推算支撑腿下肢关节的各项力距，所得出的各项关节力距全部去除自身体重进行标准化转换。

1.7 统计学处理

对10名受试者所提取的各项数据运用Microsoft Excel进行平均化处理后，采用IBM SPSS Statistics 19.0对各项平均数据进行One－way RM ANOVA方法验证，显示结果以RM ANOVA和Compare表示，显著性水平定义为0.05。

2 实验结果

2.1 膝关节角度分析

武术散打鞭腿击打不同类型目标时，支撑腿（左腿）膝关节（Event）的屈伸角度、内收外展和回旋角度的模式和大小（图3），以及3种击打类型膝关节（Event）角度的One－way RM ANOVA结果（表1）。

图3 受试者膝关节角度对比

表1 支撑腿膝关节角度时刻（Event）变化的One－way RM ANOVA结果

从图3看，鞭腿击打不同类型目标时，支撑腿膝关节的屈伸角度、外展内收、回旋角度的模式和大小在击打目标物前基本类似，在击打目标物后膝关节角度呈现多样化变化。支撑腿接触地面瞬间（E1）膝关节各类型角度弯曲（21.38±10.77）°～（23.30± 11.33）°、外展（23.54±10.72）°～（25.42±10.67）°、内旋（16.54±8.39）°～（20.00±8.29）°作用腿击打目标物瞬间（E2）；支撑腿膝关节各类型角度弯曲（30.27±10.92）°～（37.75±12.01）°、外展（1.08± 11.30）°～内收（3.97±14.09）°、外旋（7.24± 12.14）°～（13.11±11.99）°；作用腿击打目标后膝关节最大伸展瞬间（E3），支撑腿膝关节各类型角度弯曲（25.68±12.27）°～（35.17±11.92）°、内收（1.59 ±12.99）°～外展（2.13±9.97）°、外旋（3.40± 13.50）°～（10.61±11.99）°。支撑腿接触地面瞬间膝关节角度的弯曲、内收外展各Type之间不存在显著性差异，但各Type间均出现外展、内旋现象。击打瞬间（E2）及击打后（E3）Type1弯曲角度最大，Type3角度较小（P＜.05）Type1和Type3之间存在显著性差异，击打脚靶和沙包时支撑腿角度过于弯曲，身体重心也相对较低。Type1的内收，Type2、Type3外展出现Type间运动方向差异。在击打瞬间膝关节的内收外展、外旋及击打后的外旋（P＜.05）Type1和Type2；Type1和Type3也存在显著性差异；击打瞬间（E2）到击打后伸展瞬间（E3）3种类型快速外展、内旋运动。

2.2 膝关节角速度分析

武术散打鞭腿击打不同类型目标时，支撑腿（左腿）膝关节（Event）的屈伸、回旋角速度的模式和大小（图4），以及膝关节角速度各时刻（Event）变化的One－way RM ANOVA结果（表2）。

图4 受试者膝关节角速度对比

表2 支撑腿膝关节角速度时刻（Event）变化的One－way RM ANOVA结果

从图4看，鞭腿技术动作时作用腿膝关节的屈伸角速度、回旋角速度的模式和大小在击打目标物前基本类似，击打目标物后各Type之间出现差异。支撑腿接触地面瞬间Type1屈伸角速度为（277.84 ±124.18）deg／s，内旋（14.85±91.17）deg／s；Type2屈伸角速度为（307.85±151.12）deg／s，内旋（48.84 ±71.28）deg／s；Type3屈伸角速度为（276.85± 139.46）deg／s，内旋（52.36±79.86）deg／s（P＞0.05）各Type之间不存在显著性差异。击打瞬间支撑腿膝关节Type1角速度屈伸为（48.82±99.32）deg／s，内旋（45.37±66.87）deg／s；Type2角速度屈伸为（61.47±64.06）deg／s，内旋（29.98±92.17）deg／s；Type3角速度屈伸为（14.50±52.08）deg／s，内旋（29.26±45.51）deg／s。击打瞬间角速度内旋Type1和Type3（P＜.05）存在显著性差异。击打后伸展瞬间（E3）支撑腿膝关节Type1屈伸角速度为（24.00±27.71）deg／s，内旋（19.99±104.83）deg／s；Type2屈伸角速度为（3.24±70.76）deg／s，内旋（88.80±55.89）deg／s；Type3屈伸角速度为（19.50 ±62.10）deg／s，内旋（86.16±75.08）deg／s，各Type之间角速度（P＞.05）均不存在显著性差异。

2.3 膝关节力矩分析

武术散打鞭腿击打不同类型目标时，支撑腿（左腿）膝关节力矩的屈伸、内收外展、内旋外旋的模式和大小（图5），支撑腿膝关节最大力矩的One－way RM ANOVA结果（表3）。

表3 支撑腿膝关节最大力矩的One－way RM ANOVA结果

鞭腿击打3种类型目标时，支撑腿膝关节力矩［13］从图5来看，支撑腿接触地面瞬间（E1）到击打瞬间（E2）再到击打后过伸展瞬间（E3）三阶段各Type之间屈伸、外展内收、回旋力矩的模式类似、大小各不相同。弯曲力矩（1168.24±445.75）Nm／kg～（1191.80±382.42）Nm／kg、伸展力矩（715.99± 350.00）Nm／kg～（1217.77±551.05）Nm／kg、外展力矩（920.46±475.90）Nm／kg～（1055.72± 375.48）Nm／kg、内收力矩（1212.20±529.17）Nm／kg～（1417.06±391.70）Nm／kg、外旋力矩（110.87 ±67.58）Nm／kg～（269.15±104.87）Nm／kg、内旋力矩（218.92±196.29）Nm／kg～（410.37±187.08）Nm／kg之间。膝关节伸展力矩、内旋（P＝0.001）Type1和Type2，Type1和Type3，外旋（P＝0.002）Type1和Type3，Type2和Type3之间均存在显著性差异。弯曲力矩、外展内收力矩（P＞.05）Type之间不存在显著性差异。

图5 受试者膝关节力矩对比

3 分析讨论

本研究在于探求散打鞭腿击打不同类型目标时，所设定3个时刻、2个阶段的动作速度、膝关节角度、角速度、力矩等3种击打类型之间的变化差异。每种类型之间某一阶段、不同变量因素对膝关节可能产生运动伤害的危险因素，危险因素依据《实用运动医学》［14］在运动中可能造成“轻度伤”及以上为标准的危险性动作，本文暂不对伤害等级和伤害类型进行研究。由于鞭腿技术采用“鞭打原理”在运动过程中以躯干和支撑腿为鞭杆、作用腿为鞭身、脚背的击打点为鞭稍的鞭打运动，所以鞭腿在击打不同类型目标时支撑腿的运动轨迹存在差异。而击打3种类型目标物的瞬间，空击动作支撑腿膝关节都出现了内收、外旋，击打脚靶和沙包却出现了外展和外旋的现象，但是，空击动作时支撑腿膝关节运动幅度相对较大。击打目标物后空击动作和击打脚靶动作的支撑腿膝关节均略微呈外展、内旋运动变化；击打沙包后支撑腿膝关节出现内收、内旋运动现象。3种类型运动轨迹出现差异，笔者认为由于鞭腿击打沙包后，作用腿受到沙包的阻力致使作用腿的运动方向发生改变，运动方向变化导致身体重心的变化，从而形成支撑腿膝关节的运动轨迹与空击动作和击打脚靶时的运动轨迹产生差异。3种击打类型空击动作外旋的运动幅度相对较大，由于作用腿击打后前方没有目标物的阻挡快速向前移动，身体重心随之向前移动，而支撑腿膝关节角度也会随着重心的变化而变化，这也是导致3种击打类型中空击动作的支撑腿膝关节外旋幅度过大的原因所在。3种击打类型支撑腿接触地面瞬间，膝关节屈伸角速度最快，击打目标物瞬间到击打后伸展瞬间角速度逐渐减慢。支撑腿接触地面瞬间，空击动作膝关节角内旋速度相对较慢，击打瞬间膝关节内旋角速度最快，击打后内旋角速度再次减慢。而击打脚靶和沙包时内旋角速度与空击动作运动变化出现相反现象，内旋角速度由快到慢再到快的变化。笔者认为空击动作击打时，由于空击动作击打后动作速度逐渐减慢，关节角速度也随之减慢。而击打脚靶和沙包后作用腿受到目标物的阻击，致使作用腿运动方向改变，支撑腿膝关节运动速度也发生变化，造成关节角速度也随之加速。

由于鞭腿运动过程中作用腿向前移动和身体重心的变化，支撑腿大腿带动小腿呈内旋运动，支撑腿与地面接触产生摩擦，受到地面的阻力致使支撑腿膝关节的运动角度减小、速度减慢［15］，关节力矩加大，瞬间形成膝关节上下部位运动方向相反。鞭腿空击动作时，除支撑腿膝关节外旋力矩较大外，其他的各项力矩均小于击打脚靶和沙包时的各项力矩。鞭腿击打沙包后作用腿受到目标物体的阻力使运动方向发生改变，从而也带动支撑腿的运动方向变化，造成支撑腿膝关节内旋力矩加大。本研究支撑腿膝关节的各项力矩与金泰烷等［16］对跆拳道选手的横踢腿时支撑腿膝关节的最大屈伸力矩（0.03±0.43）Nm／kg和（0.10±0.37）Nm／kg，外展内收力矩（0.63±0.08）Nm／kg和（0.21±0.14）Nm／kg，回旋力矩（0.54±0.08）Nm／kg和（0.39±0.36）Nm／kg相比较，鞭腿击打3种目标类型时支撑腿膝关节的各项力矩均大于跆拳道横踢腿时的各项力矩。在相近运动项目中关节力矩越大对关节损伤的危险性也越高，所以武术散打运动时一定要减少，因技术动作运用不规范对下肢关节带来的运动伤害。

4 结论与建议

4.1 结论

1）鞭腿的3种击打类型在击打瞬间支撑腿膝关节外展内收、回旋角度、弯曲角速度、回旋角速度、伸展力矩、回旋力矩都存在显著性差异。2）鞭腿击打击打沙包时，支撑腿膝关节大幅度反复外展内收、回旋运动导致角速度快速变化都是膝关节运动损伤的主要危险因素。3）支撑腿接触地面到击打目标物瞬间膝关节角度快速内收外旋，受到地面反作用力的冲击导致膝关节运动速度减慢、外旋角度减小、角速度减慢、力矩加大使膝关节上、下反方向扭转是支撑腿膝关节运动损伤的主要危险因素。

4.2 建议

鞭腿空击训练时，尽量减慢动作速度，避免因动作速度过快而导致支撑腿膝关节过度外旋；鞭腿击打沙包时，支撑腿接触地面瞬间时蹬地不要力量过大，保持身体重心在两腿中间不要过于靠前，减轻地面反作用对支撑腿的冲击力；减轻沙包的重量，击打后使其自然左右摆动为佳，减轻沙包的阻力减慢支撑腿膝关节的突然变向运动。

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责任编辑：郭长寿

Injury Factors of Sanda Turning Kick Target Type on Potential Injury of Support Leg Knee Joint

SU Jianjiao
（School of Physical Education，Shanxi Normal University，Linfen 041000，Shanxi，China）

The VICON System 3D，Polygon was used to find out the reasons which cause ankle injure by analyzing the three kinds Round Kicks.，rotation angular speed and cyclotron torque so there are significant difference（P＜0.05）；when the whip leg hits the sandbag，fast cyclotron angular velocity changes lead to motion the supporting leg knee abduction and adduction and great supination and pronation led to fast cyclotron angular velocity changes；in the interval between the supporting leg’s touching the ground and the working leg’s hitting the target，the supporting legs are in contact with the ground instantly to the role of hitting target instant leg and the knee joint angle of the supporting leg rapidly abducted and adducted；fast adduction，external rotation movement due to the impact of ground reaction force of the knee joint movement speed slowed down and the external rotation angle decreased due to the impact of ground reaction force，resulting in external rotation angle decreased and the joint torque increase caused the knee joint parts under torsion.The above are the main risk factors for the active injury of the knee joint of the supporting leg active knee injury factors.

the whip leg；target；knee；injure；injuryfactors

G852.4

A

1004－0560（2015）03－0126－06

2015－04－13；

2015－04－29

国家体育总局武术研究院课题（WSH2013D016）。

苏健蛟（1979—），男，讲师，博士，主要研究方向为民族传统体育学。