落地高度和性别对单脚落地下肢关节矢状面内运动学、动力学和能量耗散的影响

李旭鸿范年春韩斌苏云

1浙江体育科学研究所（杭州 310004）2杭州师范大学体育与健康学院

落地高度和性别对单脚落地下肢关节矢状面内运动学、动力学和能量耗散的影响

李旭鸿1范年春2韩斌2苏云2

1浙江体育科学研究所（杭州 310004）2杭州师范大学体育与健康学院

目的：探讨人体单脚足底落地过程中，落地高度对其矢状面内下肢关节运动学、动力学和能量耗散的影响及性别之间的差异。方法：采用红外高速运动捕捉系统QUALISYS和三维测力台KISTLER同步采集18名在校大学生单脚落地过程，采样频率分别为500 Hz和1000 Hz。通过逆向动力学运算获取关节力矩，关节角速度与力矩的乘积被定义为关节功率，对功率积分得到关节做功。结果：随着落地高度的增加，不论男、女，其踝关节的活动范围、踝关节角速度峰值、地面反作用力合力峰值、踝和髋关节力矩峰值以及踝关节做功均随之增大，且呈显著性差异（P＜0.05或P＜0.01）。与男性相比，女性从0.50 m高度单脚足底落地其踝关节角速度峰值、地面反作用力合力峰值、踝关节功率峰值均高于男性（P＜0.05），而下肢各关节活动范围和踝关节力矩峰值则低于男性（P＜0.05）。结论：相对于男性，女性采取较为硬式的单脚落地技术。不论男、女，其单脚足底落地时均以踝关节跖屈肌为主、髋关节伸肌为辅的耗散能量策略来抵抗冲击负荷。随着落地高度的增加，呈现出男、女踝关节跖屈肌耗散比重增加而髋关节伸肌耗散比重减少的趋势。建议未来研究应关注单脚落地时下肢各关节运动如何才能耗散能量最大化，进而更好地缓冲避震来减少下肢关节损伤的发生。

落地高度；性别；单脚落地；矢状面；能量耗散

跳跃后落地是人们日常生活中最为常见的功能性动作之一，无论采取哪种落地技术（双脚或单脚），较大的冲击负载超过其承载范围都会致使下肢肌肉骨骼系统出现损伤风险[1-2]。人们常利用下肢关节的肌肉活动来耗散（dissipation）或吸收落地带来的能量冲击[3]，遗憾的是在落地过程中时常会面对载荷过大或能量耗散不足的情况，如排球运动员后排起跳扣球后的单脚落地[4]，这将意味着下肢关节损伤风险的出现：软骨损伤、韧带撕裂或骨折等[2，5-6]。

落地时较小的膝关节屈曲势必弱化下肢关节的肌肉耗散功能[7]，但触地瞬间较大的髋、膝关节屈曲角度并未减小人体承受的地面反作用力（Ground reaction force，GRF），而增大其角速度却可以[8]。因此，一些学者开始探究人体双脚落地过程中矢状面内下肢关节的肌肉活动所承载的功能和作用。其实，下肢关节的能量耗散策略主要受落地高度、性别和触地表面硬度的影响[7，9-11]。其中，DeVita和Skelly就发现当人体采取软式落地（soft-style landing）时下肢髋、膝关节的伸肌将吸收大多数冲击能量，而硬式落地（stiff-style landing）带来的冲击负荷则主要由踝关节的跖屈肌（plantar-flexor muscles）耗散[7]。Zhang等进一步指出从0.32～1.03 m的高度双脚落地，其下肢髋、膝关节的伸肌也是充当减震器的作用来减少落地过程承受的冲击负荷[9]。Decker等揭示从0.60m的高度落地，不论男、女其膝关节都将承担最多的冲击负荷，而髋关节的伸肌和踝关节的跖屈肌则分别是男、女能量耗散的第二选择[10]。

然而，关于人体单脚落地矢状面内下肢关节运动学、动力学以及能量耗散策略的研究并未得到足够的重视。虽然在一些研究中已经注意到落地过程中单双脚之间的差异性[12]，落地高度[13]、疲劳[3]以及性别[14]对单脚落地的影响，但这些研究主要集中在赤脚（barefoot）的足尖（toes first）落地策略上，极少去关注单脚足底（flatfoot first）落地的生物力学特征。诚然，在单脚落地过程性别之间呈现不同的力学特征，但在足底落地的情况下，随着落地高度的变化，两者之间其下肢关节运动与能量耗散的机制尚不清楚。鉴于此，本研究着重探讨单脚足底落地过程中性别和落地高度（0.25 m和0. 50 m）对人体矢状面内下肢关节的运动学、动力学和能量耗散的影响，藉此进一步优化落地技术，提升下肢关节矢状面内缓冲避震的功效以及完善下肢关节损伤风险的评估体系。

1 对象与方法

1.1 实验对象

杭州师范大学体育与健康学院在校学生18名自愿参与本实验，受试者基本情况见表1。要求受试者每周至少2次体育锻炼的经历，每次至少30 min以上。在过去的6个月内下肢和足部均无损伤史，身体状况和运动能力良好，且测试之前24 h内无任何剧烈活动。

表1 受试对象基本情况（±s）

表1 受试对象基本情况（±s）

性别 n 年龄(岁) 身高(cm) 体重(kg)男 10 22.66 – 2.57 174.65 – 5.35 69.16 – 5.71女 8 23.14 – 2.42 164.13 – 3.28 51.87 – 4.25

1.2 研究方法

1.2.1 仪器设备

采用红外高速运动捕捉系统QUALISYS（瑞典，QTM公司）和9台Oqus300+型号的摄像头进行运动学采集和分析处理，采样频率为500 Hz。marker球直径为19 mm，专用实验服装2件、不同尺码的NIKE运动鞋6双和运动袜若干。2台KISTLER三维测力台（瑞士，KISTLER公司），型号为9287C（长×宽：900 mm×600 mm）。外置信号放大器，采样频率1000 Hz，通过数模转换器与QUALISYS系统连接并同步。生物力学分析软件VISUAL3DTM（美国，C-MOTION公司），版本为V3D Version5.1.7.0，主要完成对运动学、动力学数据的处理与分析。

1.2.2 测试流程

首先，对拍摄范围进行三维空间的标定。同时受试对象在跑台上进行5 min的热身活动，并告知测试人员其跳跃时的支撑腿，本研究所有受试者的优势腿均为右腿。随后在下肢安放24个marker球和4块跟踪板（16个marker球）。完成静态模型的拍摄后，取下各个关节处的marker球（踝、膝关节及大转子，共计10个）。单脚落地动作要求受试对象双脚与肩同宽，站立在0.25 m或0.50 m的台上，双手放在髋关节两侧。测试开始后，身体重心慢慢向前移动，尽量确保无向前和向上的速度下落，落地后自然缓冲。若身体发生前倾且

非支撑脚触地或重心不稳出现2次移动，需要重新测试一次。每个高度每人需要成功采集3次落地数据，且落地方式均是脚掌着地。

1.3 数据处理与指标的选取

本研究根据V3D软件建立骨架模型，人体分为足、小腿、大腿和骨盆7个环节。其中，踝、膝关节中心分别定义为内外踝和胫骨内外粗隆的中点，骨盆近端与远端半径分别为左右髂棘与大转子之间距离的一半，骨盆深度设为0.144 m。另外，运动学（关节角度、角速度等）和动力学（地面反作用力）参数通过Butterworth进行低通滤波，其截止频率分别为12 Hz和50 Hz。

本文定义踝关节跖屈、膝关节屈曲和髋关节屈曲的角度和力矩为正值（+），对应的踝关节背屈、踝关节伸展和髋关节伸展为负值（-）。落地过程定义为从触地瞬间至膝关节角度最大屈曲结束，下肢关节活动度（ROM）主要有踝、膝和髋关节落地过程矢状面的活动范围。通过逆向动力学获取下肢各个关节的力矩峰值，关节功率定义为关节角速度与力矩的乘积，对关节功率进行积分得到关节做功，其中负功代表关节处伸肌离心耗散能量[9]。另外，力矩、功率和做功分别采用体重标准化，单位分别记为：Nm/kg、W/kg和J/kg。

1.4 统计学分析

男、女单脚落地GRF峰值、下肢关节运动学和能量耗散等指标均用均值±标准差（x¯±s）表示，本文采用双因素方差分析：性别×落地高度（2×2），对上述指标在性别和落地高度4个水平之间进行多重比较。同时，所有数据用Excel 2007和SPSS 17.0软件进行统计分析，其中显著性水平定为P=0.05。

2 研究结果

2.1运动学

随着落地高度的增加，不论男、女其下肢各关节活动范围（ROM）均有所增大。其中相对于0.25 m，男、女从0.50 m落地其踝关节活动范围出现显著性增大（P= 0.012和P=0.027）。在0.50m的高度落地，男性下肢各个关节的活动范围均高于女性，且呈显著性差异（P＜0. 05）。整体而言，男性单脚足底落地其下肢关节活动范围均高于女性，说明女性采取较为硬式的落地策略完成动作（图1）。

图1 男、女分别在0.25 m、0.50 m高度单脚落地其下肢关节活动范围

男、女在单脚足底落地过程踝关节角速度峰值分别随着落地高度的增加呈显著性增大（P＜0.01），女性髋关节角速度峰值也得到显著性提高（P＜0.05）。另外相同高度，女性踝关节角速度峰值都高于男性，且呈显著性差异（P＜0.05），如表2。

表2 男、女分别在0.25 m、0.50 m高度单脚落地下肢各关节角速度峰值

2.2 动力学

从0.50 m的高度单脚足底落地，不论男、女，相对于0.25 m，其GRF合力峰值均呈现显著提高（P＜0.05）。同时在0.50 m的高度，女性承受的GRF合力峰值明显高于男性，且呈显著性差异（P=0.042），如图2所示。

图2 男、女单脚落地GRF合力峰值

整个单脚足底落地过程，GRF在到达第1个峰值后，又会迅速增大在18 ms左右到达第2个峰值（图3a）。由于人体下肢肌肉骨骼系统具有缓冲减震的功能，所以踝、膝和髋关节作用力峰值逐渐减小，且延迟到达冲击力峰值的时间（图3b）。随着落地高度的增加，各个关节反作用力峰值均随之增大。虽然每个高度上男性的关节反作用力峰值都大于女性，但两者之间无显著性差异。

不论落地高度如何变化，男、女单脚足底落地其下肢踝、髋关节力矩峰值均明显高于膝关节，且男性各个高度的关节力矩峰值都高于女性，但仅踝和髋关节力矩峰值呈现显著性差异（P＜0.05）。另外，随着落地高度的增加，男、女单脚足底落地下肢踝和髋关节力矩峰值都出现显著性提高（P＜0.05），如图4所示。

图3 落地过程的垂直地面反作用力和下肢各关节反作用力

图4 男、女单脚落地下肢各关节力矩峰值

2.3 关节能量耗散

落地高度的增加导致男、女下肢各关节功率峰值均有所增大，但无显著性差异。在相同的高度，男、女分别在踝关节、膝关节功率峰值上呈现显著性差异（P＜0. 05），如图5所示。

图5 男、女单脚落地其下肢各关节功率峰值

在矢状面内，男、女主要是通过踝和髋关节完成抵抗冲击能量。但随着高度的增加，男、女两者的踝、膝关节平均做功呈现显著性增大（P＜0.05）。同时，男、女踝关节的耗散能量百分比分别上升了5.0%和4.5%，而髋关节的耗散能量百分比分别下降了5.8%和4.8%（表3）。

表3 男、女分别在0.25m、0.50m高度单脚落地下肢各关节离心做功（标准差）和耗散能量百分比

3 分析与讨论

多年来，虽然针对人体落地冲击引起下肢关节损伤的生物力学机制研究一直受到人们的关注与讨论，但关于性别之间随着落地高度的变化其下肢关节运动学、动力学和能量耗散策略并没有得到足够的重视和认识。本研究着重以足底落地方式为出发点，详细探讨两种高度（0.25 m和0.50 m）和不同性别在单脚落地的过程中对矢状面内下肢各个关节ROM、关节角速度、GRF峰值、关节力矩和关节功率的影响以及关节做功耗散能量情况。本研究主要发现：1）采取更为硬式的落地方式或较高的落地高度将会增大下肢关节角速度峰值和GRF峰值；2）单脚足底落地过程中，男、女均以踝关节跖屈肌为主、髋关节伸肌为辅的耗散能量策略来抵抗冲击负荷；3）随着落地高度的增加，男、女踝关节跖屈肌的耗散比重增加，而髋关节伸肌的耗散比重呈现减少的趋势。

人们通常在触地后利用下肢关节屈曲和肌肉活动来减缓身体向下的加速运动，进而降低承载负荷[7，10]。因此随着落地高度的增加，不论男、女，均会采用增大下肢关节ROM和角速度峰值的方式来抵抗冲击能量[15-16]。而女性在单脚足底落地过程中，由于下肢关节ROM较小，虽然增加了下肢各个关节的角速度，仍然要承受高于男性的地面反作用力峰值（图2）。所以，即使相同的落地高度，女性单脚落地也更容易发生下肢关节损伤风险，其主要原因就是女性采取更为硬式的落地方式大大弱化了下肢关节缓冲避震的作用，这一结果与DeVita等人的研究结果相似[7，17]。

另外，本研究还发现女性在单脚落地过程其下肢踝、膝和髋关节角速度峰值均大于男性（表2），这表明女性希望通过加快下肢关节的屈曲来主动应对落地带来的冲击能量。同时男、女单脚落地踝关节角速度峰值随着落地高度的增加呈现显著性增大，从而说明男、女单脚落地的耗散策略较为相似，都是主要利用踝关节的快速屈曲来抵抗冲击负荷。Yu等曾指出增加人体下肢关节角速度可以减小落地过程承受的GRF[8]，而本研究仅发现落地高度增加其下肢关节角速度峰值增大，同时GRF峰值呈现显著性增大，或许增加关节角速度带来的GRF变化完全被落地高度的影响所掩盖。

由于人体下肢肌肉骨骼系统具有缓冲减震的功能，其踝、膝和髋关节作用力峰值逐渐减小，且延迟到达冲击力峰值的时间（图3b）。男、女单脚落地其下肢

踝、髋关节力矩峰值均明显高于膝关节（图4），这与Yeow等[12]的研究结果相一致，说明单脚落地髋关节伸肌和踝关节跖屈肌要尽量多做功来增加下肢刚度，进而提供足够的能量来应对冲击负荷。另外与Yeow等[12]研究中10名男性在0.60m高度单脚落地的结果相比，本研究不论男、女和落地高度（0.25 m和0.50 m），单脚足底落地踝关节的力矩峰值较高，而膝关节的力矩峰值较低。不论高度如何，男性单脚足底落地其下肢关节力矩峰值均高于女性，这也与Decker等的研究结果相似[10]。同时，本研究还发现不论性别和落地高度，下肢髋关节力矩峰值都是最大的（图4），进一步佐证了Dufek和Bates的研究结果：近端关节的肌群面对落地冲击要比远端关节产生更大的力矩峰值[18]。

本研究结果显示，不论男、女，其下肢各个关节功率峰值均随着落地高度的增加而增大（图5所示），这与Zhang等的研究结果一致[9]。同时还发现整个落地过程踝关节功率峰值均是最大，依次则是髋、膝关节，而Yeow等指出在0.60m的高度单脚落地其踝关节跖屈肌耗散比为45.7%、膝和髋关节则分别为11.4%和42. 9%。这与本研究结果相似，进一步说明单脚落地踝、髋关节是矢状面内耗散能量的主要关节[12]。其实，在下肢各个关节平均做功和耗散能量百分比上也充分体现了这一点（表3），不管落地高度和性别，单脚落地踝关节耗散能量百分比总在60%左右，而膝关节总低于10%。同时，随着落地高度的增加，男、女踝关节跖屈肌的耗散比重均增加，而髋关节伸肌的耗散比重都呈现减少的趋势（表3）。

本研究的不足之处：1）由于采取足底落地方式，势必改变个别受试者的落地习惯，并不能完全展示出人们在实际体育锻炼中的落地状况；2）红外高速运动捕捉系统在采集运动学数据时，存在关节中心的不精确势必造成内在负荷的误差问题。

4 结论

女性采取更为硬式的落地方式，虽然增加了下肢各个关节角速度，仍然要承受高于男性的地面反作用力峰值。单脚足底落地过程中，男、女均以踝关节跖屈肌为主、髋关节伸肌为辅的耗散能量策略来抵抗冲击负荷。随着落地高度的增加，男、女踝关节跖屈肌的耗散能量比增加，而髋关节伸肌的耗散能量比却减少。

[1]Dufek JS，Bates BT.Biomechanical factors associated with injury during landing in jump sports[J].Sports Med，1991，12（5）：326-337.

[2]李旭鸿，郝卫亚.落地冲击引起下肢损伤的生物力学研究进展[J].中国运动医学杂志，2013，32（2）：186-191.

[3]Coventry E，O'Connor KM，Hart BA，et al.The effect of lower extremity fatigue on shock attenuation during single-leg landing[J].Clin Biomech，2006，21（10）：1090-1097.

[4]李旭鸿，范年春，韩斌，等.排球运动员落地技术特征研究[J].中国运动医学杂志，2015，34（3）：279-283.

[5]MyerGD，FordKR，PaternoMV，etal.Theeffectsof generalized joint laxity on risk of anterior cruciate ligament injury in young female athletes[J].Am J Sports Med，2008，36（6）：1073-1080.

[6]YeowCH，CheongCH，NgKS，etal.Anteriorcruciate ligament failure and cartilage damage during knee joint compression：a preliminary study based on the porcine model [J].Am J Sports Med，2008，36（5）：934-942.

[7]DeVita P，Skelly WA.Effect of landing stiffness on joint kinetics and energetics in the lower extremity[J].Med Sci Sports Exerc，1992，24（1）：108-115.

[8]Yu B，Lin CF，Garrett WE.Lower extremity biomechanics during the landing of a stop-jump task[J].Clin Biomech，2006，21（3）：297-305.

[9]ZhangSN，BatesBT，DufekJS.Contributionsoflower extremity joints to energy dissipation during landings[J].Med Sci Sports Exerc，2000，32（4）：812-819.

[10]Decker MJ，Torry MR，Wyland DJ，et al.Gender differences in lower extremity kinematics，kinetics and energy absorption during landing[J].Clin Biomech，2003，18（7）：662-669.

[11]Yeow CH，Lee PVS，Goh JCH.Sagittal knee joint kinematics and energetics in response to different landing heights and techniques[J].Knee，2010，17（2）：127-131.

[12]Yeow CH，Lee PVS，Goh JCH.An investigation of lower extremity energy dissipation strategies during single-leg and double-leg landing based on sagittal and frontal plane biomechanics[J].Hum Mov Sci，2011，30（3）：624-635.

[13]Yeow CH，Lee PVS，Goh JCH.Effect of landing height on frontal plane kinematics，kinetics and energy dissipation at lower extremity joints[J].J Biomech，2009，42（12）：1967-1973.

[14]Schmitz RJ，Kulas AS，Perrin DH，et al.Sex differences in lower extremity biomechanics during single leg landings[J]. Clin Biomech，2007，22（6）：681-688.

[15]McNitt-Gray JL.Kinetics of the lower extremities during drop landings from three heights[J].J Biomech，1993，26（9）：1037-1046.

[16]Pappas E，Hagins M，Sheikhzadeh A，et al.Biomechanical differences between unilateral and bilateral landings from a jump：gender differences[J].Clin J Sport Med，2007，17（4）：263-268.

[17]Seegmiller JG，McCaw ST.Ground reaction forces among gymnasts and recreational athletes in drop landings[J].J Athl Train，2003，38（4）：311-314.

[18]Dufek JS，Bates BT.The evaluation and prediction of impact forces during landings[J].Med Sci Sports Exerc，1990，22（2）：370-377.

Effect of Gender and Landing Height on Kinematics，Kinetics and Energy Dissipation of Lower Extremity Joints during Single-leg Landing

Li Xuhong1，Fan Nianchun2，Han Bin2，Su Yun2
1 Zhejiang Research Institute of Sport Science，Hangzhou，China 310004 2 School of Physical Education and Health，Hangzhou Normal University，Zhejiang，China 310036 Corresponding Author：Li Xuhong，Email：amanen@163.com

Objectives The influence of landing height on kinematics，kinetics and energy dissipation of lower extremity joints in sagittal plane during single-leg flatfoot landing and its differences between males and females are studied in the present paper.Methods Eighteen subjects are instructed to perform single-leg flatfoot landing respectively from 0.25 m and 0.50 m height.Force-plates and motion capture system are used to obtain kinematic and kinetic data with sampling rate at 500 Hz and 1000 Hz respectively.Joint moment is calculated by using inverse dynamics.Joint power is computed as a product of joint moment and angular velocity，and the work is the integration of joint power on time.Results There are markedly increases in the ankle joint ROM，peak angular velocity at the ankle，peak resultant GRF，peak ankle and hip joint moments，and eccentric work of the ankle joint from 0.50-m height jump as compared with that from 0.25-m height jump（P＜0.05 or P＜0.01）.Compared to the males，the females have a higher peak of angular velocity of ankle，resultant GRF and the ankle joint power when they complete single-leg flatfoot landing from 0.50-m height（P＜0.05），however，their joint ROM and the peak ankle joint moment is lower than the males（P＜0.05）.

landing height，gender，single-leg landing，sagittal plane，energy dissipation

2015.07.19

浙江省国民体质与健身技术研究重点实验室开放性基金（2011F10052-09）

李旭鸿，Email：amanen@163.com

Conclusions Stiffer single-leg flatfoot landing in women appears as compared to men.The ankle plantar flexors and hip extensors are the dominant energy dissipaters during single-leg flatfoot landing regardless of male and female.The ankle contributes more to total energy dissipation as landing height increases，while the energy dissipation of hip extensor reduces.