不同方向的“起跳—着地”对下肢关节影响的生物力学分析

张枝梅

摘要：通过招募16名健康男性受试者进行前、斜、横3个方向的“起跳-着地”测试，探讨不同方向的“起跳-着地”对下肢矢状面关节运动学、动力学和能量学的影响。方法：利用6台JVC9800高速摄影机和1块JP6060测力板同步收集动作资料和地面反作用力参数；使用多因素方差分析比较3个方向的差异。结果显示：髋关节着地瞬间角度、最大屈曲角度和膝关节的最大屈曲角度、活动范围、最大角速度、最大伸展力矩、最大负功率和做功量在前跳和斜跳中会产生较大的值；踝关节着地瞬间角度、活动范围、最大角速度、最大伸展力矩、最大负功率和做功量在横跳会产生较大的值；在进行不同方向的“起跳-着地”时，身体会利用不同的着地方式来适应相对应程度的负荷；进行前跳和斜跳时，会采用较柔软的着地方式，主要以膝关节的伸展肌群来进行能量的吸收；在进行横跳时，会采用较僵硬的着地方式，并增加踝关节跖屈肌群的能量吸收。

关键词： 起跳着地；单脚着地；着地方式；生物力学；下肢关节

中图分类号： G 804.6 文章编号：1009783X（2016）03028306 文献标志码： A

Abstract：To investigate the effects of different jumplanding directions on sagittal plane kinematics，kinetics and energetics at lower extremity joints.Sixteen healthy males were recruited for this study.All subjects needed to perform different jumplanding protocols （forward，diagonal and lateral），including a doubleleg jumping and a singleleg landing （supporting leg only）.Multiple ANOVA with repeated measures was used to compare each parameter between three jumplanding directions.Results：Greater hip contact angle，peak hip flexion angle，peak knee flexion angle，knee range of motion，peak knee angular velocity，peak knee extension moment，peak knee negative power and net knee work occurred at forward and diagonal jumplanding directions.However，greater ankle contact angle，ankle range of motion，peak ankle angular velocity，peak ankle plantar flexion moment，peak ankle negative power and net ankle work occurred at lateral jumplanding directions.Our findings indicated that landing strategy changed across different jumplanding directions in a way that maintained the same level of shock attenuation via altering body position.We proposed that the knee extensors showed major contributions to energy absorption during soft landing strategy for forward and diagonal directions，and increased the use of ankle plantarflexors to energy absorption during stiff landing strategy for lateral direction.

Keywords：jumplanding；singleleg landing；landing style；biomechanics；joints of lower limbs

起跳与着地是2个不同的动作，在大多数的研究中将起跳动作与着地动作分开进行分析。DeVita等认为，“起跳-着地”是一组完整的动作组合，起跳及跳跃过程与着地的策略、方式有较高的相关性，所以本研究将“起跳-着地”作为一组完整动作进行研究。“起跳-着地”是运动中基本的动作，在篮球、排球等强对抗性的项目中也常被运用到，而这些运动中“起跳-着地”的过程中发生下肢伤害的情况也屡见不鲜，特别是单脚着地动作中膝关节前十字韧带的伤害最为常见。在“起跳-着地”的过程中，着地初期，下肢的足部是最先与地面接触的部分，而着地瞬间的地面反作用力也最先由下肢来承受，由此可见，下肢关节缓冲地面反作用力的能力对于伤害预防扮演着很重要的角色。当起跳在空中的时候，能量会以位能的方式储存，在下降至着地后会转换成动能，此时，下肢肌群主要的功能在于缓减这些动能对关节的影响，若动能无法有效地减少，就会增加伤害的风险；在国外，着地动作的机制与伤害预防逐渐成为热点话题，学者主要从动力学和能量学方向进行探讨。DeVita等[1]在研究中发现，在着地后，地面反作用力与其所产生外力矩会加速髋、膝关节的屈曲和踝关节的背屈动作，若身体没有与此相抗衡的机制，则会产生崩塌（collapse）现象，而无法恢复到站立的姿势。McNittGray[2]提出，当着地后，下肢关节的伸展肌群做离心收缩的作用在于进行能量吸收或能量消减，以减少着地后所产生的动能或者冲击力。关节能量学的研究主要集中在探讨下肢各关节对能量的吸收，由于着地是涉及下肢多关节的动作，通过不同的动作方式，改变关节角度，可能会改变肌肉的活化程度以适应不同着地。常见的着地形态包括僵硬型和柔软型着地动作，而这2种着地形态常以髋关节和膝关节的动作进行界定。Zhang等[3]认为，着地时有较大的髋关节和膝关节的屈曲角度，即代表此动作为较柔软的着地动作。DeVita等[1]也指出，在较僵硬的着地动作，踝关节的跖骨屈肌群会吸收较多的冲击力，而髋关节和膝关节的伸肌肌群，在柔软的着地则会吸收较多的冲击力。Hart等[4]研究指出关节能量学和关节运动学会受不同因素的影响，例如性别、不同着地高度、刚度或肌肉疲劳等。然而，过去少有实验研究，不同方向的“起跳-着地”对下肢关节的影响，相关的“起跳-着地”研究大多集中在垂直着地或向前方向的“起跳-着地”；但在实际的运动情境中，为适应不同的情境需求，可能会产生各种不同方向的“起跳-着地”，而不是只有单一方向。Sigward等[5]研究也显示，下肢伤害尤其是前十字韧带断裂和踝关节扭伤常发生在“侧向”位移较多的动作，例如侧向或斜向的跨步。Wikstrom等[6]认为：下肢控制的矢状面的动作肌群多为大肌肉群，例如髋关节的伸展肌群和屈曲肌群，均能有效地帮助控制矢状面的动作；而下肢控制额状面动作的肌群则比较小，例如踝关节的内翻和外翻肌群，对额状面的动作所能提供的帮助较少，因此，若在实验动作中，加入较多“侧向”位移的“起跳-着地”，会增加完成动作的难度。Schmitz等[7]认为，在进行单脚着地的动作时，其动作主要发生在矢状面，因此，消耗冲击力的主要机制是通过控制下肢关节的屈曲动作来完成的。因此，本研究目的在于探讨不同方向的“起跳-着地”时对下肢矢状面关节运动学、动力学和能量学的影响。研究假设为下肢矢状面关节运动学、动力学和能量学在3个方向的“起跳-着地”比较，存在差异。

1 研究对象

来自中州大学16名非体育专业男生自愿参与本次实验，受试者年龄（21.3±2.1）岁、身高（173.6±5.8）cm、体重（70.2±6.8）kg，所有受试者均无脊柱及下肢伤病史。正式实验前对受试者进行支撑脚界定和最大垂直跳高度测量。

2 研究方法

2.1 实验研究法

运用运动学、动力学同步测试方法。

2.1.1 运动学参数测试

本实验使用6台JVC9800高速摄影机，取样频率200 Hz，用于观测受试者“起跳-着地”的整个过程及粘贴于受试者身体特定关节处的反光球。本研究使用松本秀治模型基础上改良的自建模型，其粘贴位置骶骨和两侧的髂前上棘、股骨内外髁、内外踝、跟骨、第二跖骨头，用此模型建构出7个人体环节，包括骨盆、左右大腿、左右小腿及左右足部，此外，在大腿和小腿外侧及足部的背面也分别粘贴光球，整个模型共计由15个光球组成。采用Visual3D图像解析系统对运动图像进行解析以获取相关运动学参数。

2.1.2 动力学测试

国产JP6060多维测力平台用于监测受试者脚着地过程中地面对脚的三维力变化情况。测力台采用埋入式安装，其表面与地面保持在同一水平面上，数据采样频率为1 000 Hz。

2.1.3 无线同步启动装置

同步装置是由连接多维测力平台的触发模块的无线同步器和发光的二极管组成。主试者触发同步遥控器，多维测力台启动采集数据，二极管发光使摄像机与多维测力台同步。

2.1.4 实验程序

本实验为进行不同方向（前、斜、横）的“起跳-着地”，进行动作前，受试者的起始位置距离测力台中心70 cm，听到开始口令，进行双脚起跳的动作，并以支撑脚单脚着地，在腾空时需以双手触摸目标物 ，如图1所示。着地时采用由脚趾向脚跟过渡的着地方法，双手置于髋部两侧，并尽快维持稳定，眼睛直视前方并保持平衡3 s。受试者会在足够的练习后，再开始进行正式实验，实验全程受试者均赤脚完成。若发生着地时失去平衡、用非支撑脚着地、挪步、跳步，在着地时上半身摆动过大均算作动作失败，若上述情形发生必须重新进行“起跳-着地”的动作，直到成功完成3次完整动作为止。

2.1.5 研究阶段定义

本研究所有相关参数的取得和分析均来自于着地期。本研究将着地期定义为从受试者支撑脚着地瞬间开始直至着地后达到最大膝关节屈曲角度结束。

2.2 数理统计法

利用SPSS 13.0进行描述性分析、方差分析、相关分析等，统计学显著水平定为α=0.05。

2.2.1 运动学参数数据获取

关节运动学的资料包括髋、膝、踝关节在着地后的角度变化，采用Visual3D软件中关节坐标系统进行运算，正值代表屈曲动作，分别为髋关节、膝关节的屈曲角度和踝关节的背屈角度，如图2所示。本研究进一步分析着地时期各关节在着地瞬间的角度、最大屈曲角度和最大活动范围；关节角速度的参数是分析着地时期的最大角速度，如图3所示。

2.2.2 动力学和能量参数数据获取

多维测力台的参数主要分析着地后到膝关节最大屈曲角度时，期间所产生的最大地面反作用力，再将其除以体重以进行标准化工作。关节内力矩则是将反光球（关节角度和角速度）和测力台（地面反作用力、测力台力矩和足底压力中心）的原始资料输入Visual3D，并输入人体环节参数（身高、体重、环节质量、转动惯量和环节质心位置），以逆动力学的方式来进行计算，负值代表伸展动作，分别为髋关节和膝关节的伸展力矩及踝关节的屈曲力矩，如图4所示。关节功率的计算为关节角速度和关节内力矩的乘积，如图5所示。关节做功量的计算为关节功率对时间做积分，负功即代表伸展肌群在进行离心收缩；关节力矩、关节功率和做功量均使用身体质量和身高进行标准化；各关节对能量吸收的贡献度，其公式如下：贡献度=关节做功量÷总做功量，总做功量为各关节做功量的总合。

3 研究结果与讨论

3.1 运动学和动力学研究结果

前跳、斜跳、横跳的前后方向地面反作用力比较，差异具有显著性（P<0.05）；左右方向地面反作用力比较，三者差异具有显著性（P<0.05）；垂直方向地面反作用力比较，三者差异不具有显著性（P>0.05）。3个方向髋关节、膝关节、踝关节的着地瞬间角度分别进行比较，差异均具有显著性（P<0.05）。3个方向髋关节、膝关节的最大屈曲角度分别进行比较，差异均具有显著性（P<0.05）；3个方向的踝关节最大屈曲角度比较，差异不具有显著性（P<0.05）。3个方向的髋关节活动范围比较，差异不具有显著性（P>0.05）；3个方向的膝关节、踝关节活动范围比较，差异均具有显著性（P<0.05）。3个方向的髋关节最大角速度比较，差异不具有显著性（P>0.05）；3个方向的膝关节、踝关节最大角速度分别进行比较，差异均具有显著性（P<0.05）。具体见表2。

3.2 关节能量学研究结果

前跳、斜跳、横跳的髋关节、踝关节最大伸展力矩比较，差异不具有显著性（P>0.05）；3个方向的膝关节最大伸展力矩比较，差异具有显著性（P<0.05）。3个方向的髋关节、膝关节、踝关节最大负功率分别进行比较，差异均具有显著性（P<0.05）。3个方向的髋关节做功量比较，差异不具有显著性（P>0.05）；3个方向的膝关节、踝关节做功量分别进行比较，差异均具有显著性（P<0.05）。3个方向的髋关节贡献度比较，差异不具有显著性（P>0.05）；3个方向的膝关节、踝关节贡献度比较，差异均具有显著性（P<0.05）。具体见表3。

3.3 起跳单脚着地总特征分析

Radin指出，人体的下肢肌肉骨骼系统在着地时，具有吸收着地时的冲击力，协助减少骨骼的形变和维持关节稳定度等功能，从而可以来保护身体。James等[8]认为肌肉骨骼系统在着地后会吸收部分能量，使得下肢关节所受的冲击力减少，然而，当所产生的外力超过身体所能负荷的情况时，伤害就会产生。本研究结果显示：受试者在进行前跳和斜跳时，会增加下肢关节的屈曲角度，即采用较为柔软的着地方式，而在进行横跳时，反而会限制下肢关节的屈曲角度，采用较为僵硬的着地方式。DeVita等[1]研究发现，较僵硬的着地方式会产生较大的地面反作用力，但本研究的垂直方向地面反作用力并没有如预期的增加地面反作用力，见表1。Coventry等[9]指出着地后的冲击力会受到着地瞬间关节角度的影响。Lafortune等[10]也认为着地时的冲击力会受到身体姿势的影响，特别是在冲击力转移的时期，通常会通过下肢关节角度的改变来调整肌肉骨骼系统的负荷。Self等[11]进一步研究认为，在着地瞬间时，较大的踝关节跖屈角度能够增加踝关节的能量吸收和减少垂直方向的地面反作用力。由上述研究可知，着地瞬间下肢关节运动学的改变，可以影响能量的消耗或转移，进而改变下肢的肌肉骨骼系统负荷。本结果发现，横跳在着地瞬间会产生较大的踝关节跖屈角度，可能会通过踝关节周边的腓肠肌与比目鱼肌的收缩来降低冲击力，推测这是造成地面反作用力没有显著差异的原因。进一步研究发现：3个方向“起跳-着地”后的总做功量均在-6.82～-7.0 J/kg，未见显著差异，这表明在进行不同方向的“起跳-着地”时，其下肢所吸收的总能量是相似的。在进行不同方向的“起跳-着地”时，身体会采用不同的着地方式，即改变着地时下肢的关节角度，以适应相同程度的负荷。在进行任何一个方向的“起跳-着地”，较大的活动范围、最大角速度、最大伸展力矩、最大负功率及做功量都发生在膝关节和踝关节。Decker等[12]指出女性在进行双脚着地动作时，会增加膝关节和踝关节的活动范围和角速度，这表示女性会尝试使用较大的关节活动范围来减少冲击力。Coventry等[9]发现，当下肢肌群疲劳时，会增加髋关节的活动范围和做功量，意味着在着地后会增加依赖髋关节的相关肌群。实验结果表明，无论在进行哪个方向的“起跳-着地”，在着地后膝关节均在51°～57°的活动范围、踝关节均在58°～62°的活动范围，膝、踝关节做功量分别在45%～54%和35%～46%，明显高于髋关节27°～29°的活动范围、9%～10%的做功量，表示在进行此类的单脚着地动作时，主要以膝关节的伸展肌群和踝关节的跖骨屈肌群来进行能量吸收。在Coventry等[9]的研究中，着地后膝、踝关节的活动范围分别为46°、50°，膝、踝关节做功量分别为42%、49%，皆明显地高于髋关节33°的活动范围、9%的做功量，这与本研究结果类似；但在Schmitz的研究中则与本研究有不同结果，男性受试者着地后膝关节和踝关节的活动范围分别为13°、27°和做功量分别为6%、78%，并没有全部高于髋关节（活动范围4°、做功量16%）。该结果出现差异的原因可能是实验设计方式的不同，Shul等[7]研究中采用单脚垂直着地的方式，本研究则采用“起跳-着地”的方式，增加了跳跃的距离；此外，Shul等[7]实验中，其检测的高度为从30 cm高的平台上着地[7]，本研究增加了着地的距离，为站立时的伸展高度加上50%的最大跳跃高度。

3.4 前跳、斜跳方向“起跳-着地”特征分析

当进行“向前”元素的动作时，例如前跳与斜跳，髋关节最大屈曲角度和膝关节最大屈曲角度、活动范围、最大角速度明显高于横跳的结果，表明在进行这些动作时，会利用较多近端关节的动作，而采取较为柔软的着地方式。由于较多“向前”元素的动作，因此，其前后方向的地面反作用力也较高，左右方向的地面反作用力则较小。DeVita等[1]研究指出，髋关节和膝关节的伸肌肌群在较为柔软的着地方式下会吸收较多的冲击力。Yu等[13]指出膝关节的屈曲角速度与最大地面反作用力呈现负相关，即着地后较快速的膝关节屈曲可以帮助降低着地后的冲击力。本研究发现：较高的膝关节功率和做功量发生在前跳、斜跳的方向，这表明在进行前跳和斜跳的“起跳-着地”时，膝关节的伸展肌群相对于其他肌群会吸收较多的冲击力（分别为54.0% 和51.7%），其次为踝关节的跖骨屈肌群（分别为35.7%和38.1%）。

3.5 前跳、横跳方向“起跳-着地”特征分析

Norcross等[14]认为，当进行“侧向”元素动作时，例如横跳，会限制近端关节的动作，而采取较为僵硬的着地方式，也就是减少了关节的屈曲角度。Pandy[15]指出：若膝关节的屈曲受到限制，代表腿部后群肌可能无法有效地作用。腿部后群肌收缩除了能协助膝关节屈曲外，另一个主要的功能就是限制胫骨向前的位移，以减轻前十字韧带的负荷；因此，若是减少腿部后群肌的作用，代表身体可能会损失或降低了保护机制。DeVita[1]指出：减少膝关节的屈曲角度可能会减少膝关节的功率，进而减少膝关节能量吸收的能力；Pandy[15]更进一步指出，使用较僵硬的着地方式，会降低膝关节能量的吸收，并增加前十字韧带的负荷。本研究发现，膝关节的关节功率和做功量在进行横跳的“起跳-着地”时均有降低的趋势，这也代表膝关节无法像进行其他方向的“起跳-着地”般，以膝关节来进行能量吸收，即身体可能需要其他的代偿机制来协助缓冲着地后地面所产生的反作用力。Coventry等[9]指出：在进行单脚着地时，为了要维持身体姿势的稳定，必须减少髋关节与膝关节的活动范围，来达到减少躯干在前后方向的摆动；但为了要承受着地初期的地面反作用力，踝关节反而必须有较大的活动范围。Zhang等[3]也提出，相对于较柔软的着地动作，僵硬的着地动作需要透过更多踝关节的肌肉组织和被动组织结构来吸收更多的能量；因此，增加踝关节跖屈和背屈的活动范围，可以为踝关节提供更大的减震能力。Schmitz等[7]提出：针对单脚的着地动作，在基底面积变小的情况下，调整踝关节的关节活动度对于能量的吸收是很重要的，身体可以通过增加远端关节（踝关节） 的作用及减少近端关节（髋、膝关节）的动作来达成，如此也能进一步帮助身体稳定姿势并使质心保持在基底面积内。本研究结果发现踝关节活动范围、最大角速度、最大负功率及做功量在横跳时皆有增加的趋势，也代表在进行此动作时，会增加使用踝关节的跖屈肌群来进行能量吸收（提升至45.9%），这也意味着，进行较多“侧向”元素的动作，会增加使用踝关节跖屈肌群作为能量吸收的来源；因此，本研究进一步推测，当膝关节的功能受到限制时，若是无法有效地将力量转移至踝关节吸收，可能会增加膝关节的负荷，而提升伤害的风险。

4 结论与建议

4.1 结论

1）髋关节着地瞬间角度、最大屈曲角度和膝关节的最大屈曲角度、活动范围、最大角速度、最大伸展力矩、最大负功率和做功量在前跳和斜跳中会产生较大的数值。

2）踝关节着地瞬间角度、活动范围、最大角速度、最大伸展力矩、最大负功率和做功量在横跳会产生较大的数值。

3）踝关节活动范围、最大角速度、最大负功率及做功量在横跳时皆有增加的趋势。

4）在进行不同方向的“起跳-着地”时，身体会利用不同的着地方式来适应相同程度的负荷。其中：前跳和斜跳方向的“起跳-着地”时，一般以柔软的方式进行着地；横跳方向的“起跳-着地”时，一般以僵硬的方式进行着地。

5）在进行单脚的“起跳-着地”时，主要以膝关节的伸展肌群和踝关节的跖屈肌群来进行能量吸收。其中，前跳和斜跳方向的“起跳-着地”时，主要以膝关节的伸展肌群来进行能量的吸收；横跳方向的“起跳-着地”时，主要以踝关节跖屈肌群的能量进行吸收。

4.2 建议

研究结果表明，控制下肢的关节动作和提升下肢肌群的能量吸收，能够帮助减少着地后的冲击力，以减少伤害的发生，因此，当加入较多侧向的动作元素时，限制了膝关节矢状面的动作，提升了踝关节跖屈肌群的重要性。为了减少前十字韧带的受伤，大部分的训练集中在膝关节的相关肌群，以提升膝关节的稳定度，因此，常忽略了踝关节相关肌群的训练，若踝关节的肌群无法有效地进行能量吸收，特别在膝关节的功能受到限制时，势必会影响到膝关节。这也意味着，在进行肌力训练时，踝关节的跖屈肌群是不能忽略的部分，所以建议有较多横向跳跃动作的运动员，在日常训练中除了需要进行膝关节相关肌群的训练外，踝关节跖骨屈肌群的训练也应当加强，以有效降低前十字韧带着地受伤的发生率。

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