综述篮球鞋对篮球运动损伤的生物力学影响

宋羽　曲峰　蒋量

摘 要：篮球一直以往作为世界三大球类运动之一受到广泛关注，其激烈的身体对抗和长时间的跑动、跳跃等运动特点也导致篮球运动损伤率居高不下。作为篮球运动中必不可少的核心运动装备—篮球鞋，在发挥运动员运动表现和预防运动损伤方面的作用不可小觑。通过对国内外关于篮球鞋对篮球运动生物力学影响的研究进行综述，发现大量研究集中在篮球鞋的底部结构对运动损伤的生物力学作用，且以大底、中底的硬度、屈曲刚度等较为多见；研究普遍认为地面反作用力、侧切变向动作等是造成运动员踝关节损伤的主要原因。未来建议应细化足的结构，更为具体深入的分析其对踝关节损伤等的意义，增加篮球鞋后跟杯结构的相关研究。

关键词：篮球鞋 损伤 踝关节 生物力学 运动装备

中图分类号：G80 文献标识码：A 文章编号：2095-2813（2018）03（a）-0016-05

Abstract：Basketball has always been widely regarded as one of the three major ball games in the world. Its intense physical confrontation and prolonged running and jumping characteristics have also lead to high rate of basketball injury. As a necessary core sport equipment in basketball， basketball shoes play an important role in playing athletes' performance and preventing sports injuries. This paper reviews on the influence of basketball shoes on the basketball sports biomechanics research at home and abroad， found that a large number of studies focus on the biomechanical effects of the bottom structure of basketball shoes on sports injury. The hardness and flexural stiffness and so on more common； it is widely believed that the ground reaction force， cut action is the main causes of ankle injury in athletes.

Key Words：basketball；shoes；Injury；Ankle；Biomechanicas；Sport；Equipment

篮球与足球、排球一起被称为是世界三大球类运动，身体对抗十分激烈，长期以来享有广泛的群众基础。其项目特点决定了运动员需要在有限的时间和空间内做大量的跑動和各种步法组合的跳跃动作。由于其项目特点，对运动员的爆发力和在激烈身体对抗下完成各种动作的能力要求很高。随着篮球运动的日益发展，其直接性身体对抗和技战术的应用，运动的突发性、复杂性以及持久性都在不断提高。这就使得运动员在比赛中不仅需要有良好的投球技术、稳定的核心控制力量，还必须要具备快速灵活的移动步法。一方面，作为篮球运动的基础技术之一，步法的运动主要依赖于下肢各环节间的运动以及下肢整体与外周环境间的运动来实现。长此以往这些运动特性使得篮球运动员下肢很容易发生损伤。另一方面，篮球运动频繁地起跳、投球，腾空落地时亦很容易发生损伤。尤其是当腾空后落地时在场地的限制下，由于卡位等的战术需要而踩在其他球员的脚上，重心发生偏移，经常会造成严重损伤。

1 篮球运动损伤概述

Sonzogni等[1]研究显示篮球运动损伤率为30‰，但损伤概率在不同性别和比赛水平上存在差异，一般表现为女性损伤率大于男性，比赛水平越高损伤率越大。Garrick等[2]发现，篮球运动损伤发生部位以上肢的肩、肘、腕关节和手指，及下肢的膝关节和踝关节为主，而其中踝关节扭伤最为常见。大量研究认为，最普遍的篮球运动损伤为踝关节的扭伤[3，4]，约占到全部损伤的80%。Yde等[5]通过对篮球队俱乐部进行了一个赛季的追踪调查，结果发现：在每一千小时的训练量中有3次的全身性损伤率，其中踝关节运动损伤就占一次。House等[6]表示，运动水平越高的球队，运动员发生踝关节损伤的几率越大。在对不同位置间的运动损伤进行调查发现，前锋、中锋、控球后卫之间的踝关节损伤不存在统计学差异[7]。

篮球运动中频繁的变向侧切、急停、落地和急转等动作都是造成踝关节损伤概率增加的原因[8-10]。有学者认为，造成踝关节损伤的主要原因是由于运动员在完成这些动作时，踝关节处内翻突然加大，而保护踝关节稳定性的相关肌肉群和韧带则反应时过慢，从而引起踝关节扭伤。也就是说比赛时运动员跳起落地的足部呈内翻位，如果此时落地不稳就会造成踝关节的迅速内翻，很有可能出现踝关节扭伤的情况[11]。Konradsenl等[12]对踝关节突然翻转过程中肌肉对其的保护作用做了研究，发现受试者在觉察到踝关节翻转54ms后腓骨部位出现肌电活动。而当踝关节本身处于内翻时潜伏期变小，处于外翻时潜伏期变长。在踝关节发生突然内翻的176ms后出现主动对抗内翻的迹象。在着地时脚跟很容易发生内翻的情况，此时周围的肌肉总是会反应太慢，因此并不能保护踝关节。另外在急停或变向侧切时运动员经常会选择以足外侧先接触地面，此时单侧足很难承受由整个身体惯性所产生的强大冲击力，从而导致踝关节韧带和肌肉乃至骨骼的损伤。

运动损伤带给运动员的不只是极大的生理损伤，还有强烈的心理创伤，它们使运动员在赛场上的发挥受到了更多的局限，影响运动员的运动寿命。据推测，平均一个运动员因为伤病而却赛的时间达到7.6%[13]。因此，深入探讨篮球运动损伤的科学预防手段十分重要。而运动鞋作为运动员和运动表面直接的接触介质，在很大程度上影响着运动员下肢的运动技术特征。从研究现状和未来的发展趋势出发，讨论篮球鞋对运动员下肢运动的生物力学影响具有重要意义。

2 篮球鞋对运动损伤的影响

2.1 篮球鞋市场概述

中国是现今世界上最大的运动鞋生产和制造基地，国内知名品牌的运动鞋在近些年适应市场细分后也逐渐建立起了自己的研究机构来支撑品牌的专业化发展，并且以更多的款式来获得消费者的青睐以占据更大的市场。市场上几乎所有的生产厂家都在宣传自己产品在体育科技、运动性能上的优越性，来提高产品的核心竞争力和附加值，从而带动消费者对产品的价值认知。例如：安踏篮球鞋主要在“弹力胶”“耐磨橡胶”“气垫科技”“抗菌防臭”这4个方面的科技上又强调了五驱掌控科技和后跟杯的TPU支撑紧锁。而李宁篮球鞋则主要在宣传明星效应和款式设计感的基础上推出LiNing-BOUNSE+作为中底材料增加回弹。尽管如此，国际知名品牌如NIKE、adidas等在国内市场中还是占据着较主要的份额。相比于国内品牌，NIKE、adidas等在创新能力和产品技术含量上还是存在一定的优势。所以，继续完善国产篮球鞋设计、增加产品技术含量和创新成分是未来国内篮球鞋发展的必然趋势。

运动鞋的综合评价方法包括机械测试、生物力学测试、特定运动模式表现以及主观评价测试。李建设等[14]通过模拟裸足、能量回归、缓震减震、后跟控制和回归自然这5个方面入手，认为运动鞋的结构设计必须符合人体运动的生物力学原理，即在穿着时要有良好的舒适性、功能上做到减震性、摩擦性、保持鞋底柔软性和良好的稳固性、从物理角度出发需要存在与地面隔离性、材质上则要防水透气性等[15]。将篮球鞋区别于跑鞋和一般运动鞋的部分主要是中底、后跟杯及鞋面的设计，以上这些设计均能够从不同角度加强篮球鞋的缓冲性能、侧向稳定性及摩擦性[16]。在评价一双优秀的篮球鞋所具备的条件时，除了要求其符合美观的需求，更应具备生物力学功效，为足部提供适当的保护与支撑作用，甚至进一步的提高运动成绩[17-19]。只是市面上篮球鞋种类繁多不宜选择，需要有可靠的参数和科学评价方法来衡量运动鞋的功能特性。而借助生物力学的研究可以帮助人们深入理解篮球鞋各个部分的构成及其对运动表现的影响。

2.2 影响运动损伤的相关因素

有研究表明，在篮球和排球等运动项目当中，落地动作时人体下肢将承受大概是人体体重的3.5～7倍的较强冲击力[20，21]，尤其是在篮球运动中的三步上篮动作，此时冲击力甚至可以增加到体重的9倍以上[22]。前人的研究也一直认为跑、跳等动作在落地时所承受的巨大冲击力是致使运动损伤的主要原因，如此反复的大负荷可能会导致急性损伤（如扭伤、骨折、膝关节内紊乱）或诸如应力性骨裂/骨折、髌骨劳损等过度使用性伤害。因此，在1970—1980年间，大量学者率先提出了运动鞋的应具有“缓冲避震”效果，他们希望通过这种效果来降低运动过程中可能存在的较大冲击负荷，从而达到预防运动损伤的目的[23-25]。Nigg等[26]认为，运动鞋中低硬度增加会减少跖趾关节处转动能量的损失。Stacoff等[27]发现，随着中底厚度的增加，运动鞋的缓冲效果可以有效提升。Zhang等[28]在不同硬度中底篮球鞋和不同高度的垂直着地动作的研究中发现，低硬度鞋的缓冲系数显著好于中硬度鞋和高硬度鞋，并且不同下落高度下，鞋底硬度与缓冲性能的关系无统计学差异。

大量学者认为侧切变向是踝关节扭伤的第二大原因，占篮球运动损伤的30%[3]。有学者探讨了篮球鞋底与地面摩擦力之间可能存在的关系，结果显示足够的鞋底摩擦力可以使运动员在急停、变向等动作中不发生侧滑[29]。但是当鞋底与地面间摩擦系数持续增大时，相比于足部固定的不断加强，下肢也将承载吸收更大的作用力[30]。事实上，下肢骨骼与肌肉载荷能力是有限的，因此，过大和过小的摩擦力都会增加下肢损伤的概率[31]。所以对于侧向稳定性而言，篮球鞋鞋底的摩擦系数应处于一个适当的范围。

2.3 篮球学预防运动损伤的作用

预防踝关节损伤的方法通常是兩种：一是对踝关节进行稳定性训练；二是对踝关节的固定，理论上讲这种办法可以产生较好的力学稳定性，因此，篮球鞋鞋帮高度的研究较多。早期的研究认为鞋帮高度与踝关节扭伤没有很强的关系[32-34]，有些学者甚至认为高帮篮球鞋可能会对运动员的敏捷性和跳跃表现产生负面的影响[35，36]，但近几年有大量研究认为，高帮鞋在运动过程中可以有效地预防踝关节扭伤[37-40]。刘卉等[41]对篮球鞋鞋帮高度和后跟杯硬度对篮球运动员侧切变向时踝关节稳定性的影响展开探究，结果发现较高的鞋帮高度和后跟杯硬度会减少踝关节初始的内翻角度以及侧切时到达地面反作用力第一峰值的时间。

查阅资料，关于篮球鞋设计的研究大部分集中在减震性能和防滑性能上，与踝关节损伤相关的原因和危险因素的讨论还不够深入和彻底[13]。我们总是会将足视为一个整体来看起运动状态，可是事实上足的构造复杂，并不是单纯的一个刚体在运动，要想更深入地分析运动鞋对运动员的运动表现影响就应该从不同的方面来探究[42]。比如：跳跃、蹬地启动时会屈曲的跖趾关节和踝关节外翻时以距骨、跟骨足的后部为主导的距下关节。后足跟由跟骨和距骨共同构成，在步态支撑期中距骨下关节会借由足跟内外翻来吸收源自地面的反作用力为身体前进的前进提供推力，即足部需要有足够的活动度在着地时缓冲来自地面的反作用力（冲击力），在足部离地时因为需要为身体前进的提供推力，此时需要足部有足够的稳定性，对于上述关于足的作用都可以通过距骨下关节的内外翻来控制足部的活动与稳定性实现[42]。

對于篮球鞋而言，稳定后足的最大功能部位就是后跟杯（counter），它需要保证运动员在腾空移动式后足的稳定性。鞋帮和鞋后跟被认为是能够减少距下关节过度翻转，提高踝关节稳定性的关键部位[43]。其中，鞋后跟杯对踝关节过度翻转的限制得到了肯定[43，44]。相比于对篮球鞋缓冲性能、鞋帮高度的大量讨论，运动鞋后跟杯的相关讨论较少。只有少量对后跟杯硬度的研究[45]，而在结构、设计等进一步研究中都鲜少发现。

3 篮球鞋对运动表现的影响

运动表现被认为是以时间，距离，做功为计量单位的体育活动的结果[46]。可以通过增强运动员的力量、速度、敏捷、灵活性，平衡性等方面的素质来提升运动表现，其目的是为了预防运动损伤的发生，增加肌肉比重[47]。运动鞋作用于运动表现主要体现在对技术动作的拉制，保持运动员的身体平衡等方面，而中底硬度的变化可以影响起跳以及加速跑，运动鞋的缓冲减震功能、能量回弹效果都会影响到运动表现[48]。跳跃是篮球运动中的一项基本动作，而运动表现很多时候取决于基础动作完成的质量优劣。Feltner等[49]人对下蹲反跳的运动表现进行研究，发现60%的运动表现增加取决于蹬离地面速度的增加。Voigt等[50]证实在较短触地时间的单腿跳动作中，机械功率和比目鱼肌的激活程度在最适触地时间情况下会增加。Horita等[51]通过进一步对跳深动作和下蹲反跳动作表面肌电的研究，发现预先编排激活顺序的膝关节伸肌群联合收缩是在跳深动作中影响运动表现的主要因素。傅维杰[52]通过自制的翻板器，让受试者在主动着地和被动着地两种情况下进行跳跃实验。研究结果表明，穿着篮球鞋在主动落地时没有改变冲击力的真符合频率，而在被动着地时降低了冲击力、载荷率和鞋跟加速度，并且穿着篮球鞋改变了主动落地反跳过程中的踝关节部分运动学结果。

4 结语

尽管前人已经做了一些篮球鞋对运动损伤的影响的研究，但在踝关节的相关研究中，普遍是将足视为一个整体，且对鞋底结构和鞋帮高度的研究较多，聚焦在篮球鞋后跟帮上的讨论较少。因此，相比于其他部分，未来的研究可以从篮球鞋后跟杯对运动损伤的影响入手，细化足的结构，从而更全面的评价篮球鞋对运动损伤的影响

参考文献

[1] Jr SJ，Gross ML.Assessment and treatment of basketball injuries[J].Clinics in Sports Medicine，1993，12（2）：221.

[2] Garrick JG.The frequency of injury， mechanism of injury， and epidemiology of ankle sprains.[J].Am J Sports Med，1977， 5（5）：241-242.

[3] Mckay GD，Goldie PA，Payne WR，et al.Ankle injuries in basketball：Injury rate and risk factors[J].British Journal of Sports Medicine，2001，35（2）：103.

[4] Perry SD，Lafortune MA.Influences of inversion/eversion of the foot upon impact loading during locomotion[J].Clinical Biomechanics，1995，10（5）：253.

[5] Yde J，Nielsen AB.Sports injuries in adolescents' ball games： soccer，handball and basketball[J].British Journal of Sports Medicine，1990，24（1）：51.

[6] Hosea TM，Carey CC，Harrer MF.The gender issue： epidemiology of ankle injuries in athletes who participate in basketball[J]. Clinical Orthopaedics & Related Research， 2000，372（372）：45-49.

[7] Mcguine TA，Greene JJ，Best T，et al.Balance as a predictor of ankle injuries in high school basketball players[J].Clinical Journal of Sport Medicine Offoial Journal of the Canadian Acadermy of Sport Medicine，2000，10（4）：239.

[8] Fong DT，Hong Y，Shima Y，et al. Biomechanics of supination ankle sprain：a case report of an accidental injury event in the laboratory.[J].American Journal of Sports Medicine，2009，37（4）：822-827.

[9] Fong DT，Chan YY，Mok KM，et al.Understanding acute ankle ligamentous sprain injury in sports[J].Smartt Sports Medicine Arthroscopy Rehabilitation Therapy，2009，1（1）：14.

[10] Kristianslund E，Bahr R，Krosshaug T.Kinematics and kinetics of an accidental lateral ankle sprain[J].Journal of Biomechanics，2011，44（14）：2576.

[11] Stacoff A，Steger J，stüssi E，et al.Lateral stability in sideward cutting movements[J].Journal of Biomechanics，1996，28（3）：350.

[12] Konradsen L，Voigt M，HφJsgaard C.Ankle inversion injuries.The role of the dynamic defense mechanism[J].American Journal of Sports Medicine.1997，25（25）：54-58.

[13] 程鵬.高低帮篮球鞋对下肢生物力学特征的影响[D].北京体育大学，2010.

[14] 李建设，顾耀东，陆毅琛，等.运动鞋核心技术的生物力学研究[J].体育科学，2009，29（5）：40-49.

[15] 郑秀瑗，刘静民.运动鞋研究概况和发展趋势[J].体育科研，2009，30（2）：56-60.

[16] Reinschmidt C，Nigg BM.Current issues in the design of running and court shoes[J]. Sportverletz Sportschaden，2000，14（3）：71-81.

[17] Robinson JR，Frederick EC，Cooper LB. Systematic ankle stabilization and the effect on performance[J].Medicine & Science in Sports & Exercise，1986，18（6）：625.

[18] Frederick EC.Kinematically mediated effects of sport shoe design： A review[J].Journal of Sports Sciences，1986，4（3）：169.

[19] Stacoff A.Sports shoes"prevention and performance"[J].Sportverletzung Sportschaden ：Organ der Gesellschaft fu?r Orthopa disch-Traumatologische Sportmedizin，2000，14（3）：69.

[20] Dick R，Hertel J，Agel J，et al.Descriptive Epidemiology of Collegiate Men's Basketball Injuries： National Collegiate Athletic Association Injury Surveillance System， 1988—1989 Through 2003—2004[J].Journal of Athletic Training，2007，42（2）：194.

[21] 傅维杰，刘宇，魏书涛，等.不同落地方式下篮球鞋对冲击力和股四头肌振动的影响[J].体育科研，2010，31（6）：32-36.

[22] Mcclay IS，Robinson JR，Andriacchi TP， et al.A Kinematic Profile of Skills in Professional Basketball Players[J].Journal of Applied Biomechanics，1994，10（3）：205-221.

[23] De WB，De CD，Aerts P.Biomechanical analysis of the stance phase during barefoot and shod running[J].Journal of Biomechanics，2000， 33（3）：269.

[24] Clarke TE，Frederick EC，Cooper LB.Effects of shoe cushioning upon ground reaction forces in running[J].International Journal of Sports Medicine，1983，4（4）：247.

[25] Aguinaldo A，Mahar A.Impact Loading in Running Shoes With Cushioning Column Systems[J].Journal of Applied Biomechanics， 2003，19（4）：353-360.

[26] Stefanyshyn DJ，Nigg BM.Influence of midsole bending stiffness on joint energy and jump height performance.[J].Medicine & Science in Sports & Exercise，2000，32（2）：471.

[27] Stacoff A， Denoth J， Kaelin X，et al.Running injuries and shoe construction： Some possible relationships[J].International Journal of Sport Biomechanics，1988（4）：342-357.

[28] Zhang S，Clowers K，Kohstall C，et al. Effects of various midsole densities of basketball shoes on impact attenuation during landing activities[J].Journal of Applied Biomechanics，2005，21（1）：3-17.

[29] Andrews JR， Mcleod WD，Ward T，et al.The cutting mechanism[J].American Journal of Sports Medicine，1977，5（3）：111.

[30] Kent R，Crandall J，Forman J，et al.Development and assessment of a device and method for studying the mechanical interactions between shoes and playing surfaces in situ at loads and rates generated by elite athletes[J].Sports Biomechanics，2012，11（3）：414.

[31] Ford KR，Manson NA，Evans BJ，et al. Comparison of in-shoe foot loading patterns on natural grass and synthetic turf[J]. Journal of Science & Medicine in Sport，2006， 9（6）：433-440.

[32] Ashtonmiller JA，Ottaviani RA， Hutchinson C，et al.What best protects the inverted weightbearing ankle against further inversion？ Evertor muscle strength compares favorably with shoe height，athletic tape， and three orthoses[J].American Journal of Sports Medicine，1996，24（6）：800.

[33] Ottaviani RA，Ashton-Miller JA， Kothari SU，et al.Basketball shoe height and the maximal muscular resistance to applied ankle inversion and eversion moments[J].American Journal of Sports Medicine，1995，23（4）：418.

[34] Barrett JR， Tanji JL， Drake C，et al. High- versus low-top shoes for the prevention of ankle sprains in basketball players.A prospective randomized study[J].American Journal of Sports Medicine，1993，21（4）：582-585.

[35] Robinson JR，Frederick EC，Cooper LB. Systematic ankle stabilization and the effect on performance[J].Medicine & Science in Sports & Exercise，1986，18（6）：625.

[36] Brizuela G，Llana S，Ferrandis R，et al.The influence of basketball shoes with increased ankle support on shock attenuation and performance in running and jumping[J]. Journal of Sports Sciences，1997，15（5）：505.

[37] Lam GW， Park EJ，Lee KK，et al.Shoe collar height effect on athletic performance， ankle joint kinematics and kinetics during unanticipated maximum-effort side-cutting performance[J].Journal of Sports Sciences，2015，33（16）：1738-1749.

[38] Curtis CK，Laudner KG，MCLODA TA，et al. The Role of Shoe Design in Ankle Sprain Rates Among Collegiate Basketball Players[J]. J Athl Train，2008，43（3）：230-233.

[39] Sherman NW，DANIEL M.Effects of High-Top and Low-Top Shoes on Ankle Inversion[J]. Journal of Athletic Training，2000，35（1）：38-43.

[40] Fong TP，Hong Y，Chan LK，et al.A Systematic Review on Ankle Injury and Ankle Sprain in Sports[J].Sports Medicine，2007，37（1）：73-94.

[41] Hui L，Wu Z，Lam WK.Collar height and heel counter-stiffness for ankle stability and athletic performance in basketball[J].Research in Sports Medicine，2017，25（2）：1.

[42] 魏勇.运动鞋对羽毛球典型步法中跖趾关节和后足稳定性的影响[J].体育科学，2009，29（10）：89-96.

[43] Frederick EC，Wojcieszak C.Textile use in sport shoes-Textiles in Sport-16[J].Textiles in Sport， 2005（1）：339-351.

[44] Spears IR，Miller-Young JE，Sharma J，et al. The potential influence of the heel counter on internal stress during static standing： a combined finite element and positional Mri investigation[J].Journal of Biomechanics，2007， 40（12）：2774-2780.

[45] 吳子天.篮球鞋后跟杯硬度和鞋帮高低对踝关节稳定性和动作表现的影响[D].北京体育大学，2016.

[46] Nigg BM，Segesser B.Biomechanical and orthopedic concepts in sport shoe construction.[J].Medicine & Science in Sports & Exercise，1992，24（5）：595-602.

[47] Cook SD，Kester MA，Brunet ME，et al. Biomechanics of running shoe performance[J]. Clinics in Sports Medicine，1985，4（4）：619.

[48] Schneiders AG，Sullivan SJ，Kvarnstr?MJ，et al.The effect of footwear and sports-surface on dynamic neurological screening for sport-related concussion[J].Journal of Science & Medicine in Sport，2010，13（4）：382-386.

[49] Feltner ME，Fraschetti DJ，CRISP RJ.Upper extremity augmentation of lower extremity kinetics during countermovement vertical jumps[J].Journal of Sports Sciences，1999，17（6）： 449-466.

[50] Voigt M，Chelli F，Frigo C.Changes in the excitability of soleus muscle short latency stretch reflexes during human hopping after 4 weeks of hopping training[J].European Journal of Applied Physiology & Occupational Physiology，1998，78（6）：522-532.

[51] Horita T，Komi P，Nicol C，et al.Interaction between pre-landing activities and stiffness regulation of the knee joint musculoskeletal system in the drop jump：implications to performance[J].European Journal of Applied Physiology，2002，88（1-2）：76-84.

[52] 傅维杰.运动鞋和紧身装备对冲击力、软组织振动及肌肉活动影响的研究[D].上海体育学院，2011.