基于三维运动捕捉的篮球护膝防护性能研究

刘青青 阎玉秀

摘 要：在篮球运动中，需要完成大量高速度和强对抗性的篮球技术动作，其中急停跳投与争抢篮板球特别容易引起膝关节的损伤。本文运用三维动态捕捉系统捕捉这两个技术动作，探讨在无护膝防护和两种护膝防护状态下，膝关节屈曲角，外旋角与外展角的变化，并对不同状态下的膝关节最大屈曲角，最大外旋角和最大外展角进行单因素方差分析。结果得出在急停跳投和争抢篮板球动作下，两种护膝装置对膝关节屈曲和外旋均有防护效果，其中半刚性护膝对膝关节外展有一定的防护作用。

关键词：篮球运动损伤;护膝;三维运动捕捉;防护性能

中图分类号：TS941.17

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2019）02-0053-06

Abstract：In basketball game， it need to complete a large number of high-speed and strong confrontational basketball technology actions， of which stop-jump shots and rebound fighting are especially easy to cause knee injuries. 3D Dynamic Capture System was used in this paper to capture the two movements in order to investigate the change of knee flexion angle， external rotation angle and abduction angle without protection and under the protection of two kinds of kneepads. Finally， one-way ANOVA method was adopted to analyze the protective effect on the peak knee flexion angle， peak knee abduction angle and peak knee abduction angle under different conditions. The results showed that the two kinds of kneecaps had protective effects on knee flexion and external rotation， where the semi-rigid kneecap had certain protective effect on the knee abduction.

Key words：basketball sports injury; kneepads; 3D Dynamic Capture System; protective ability

籃球运动动作激烈，运动员需要频繁的使用膝关节做急起、急停、变向、转身、跳跃等技术动作，这很容易导致膝关节运动损伤[1]，徐小敏对江苏十余所高校篮球运动员的调研显示，膝关节损伤在运动员中较为普遍，约有88.57%的篮球运动员都发生过不同程度的膝关节损伤[2]。尤其是做垂直跳起、突然停步转身等动作时，膝关节承受到很大的冲击力，垂直跳起会使脚在落地时与地面进行剧烈冲击，然而这些冲击力会通过脚缓冲到膝关节[3];而突然停步转身会使膝关节发生强烈扭转而引起损伤。随着人们自我保护意识的提高，逐渐意识到佩戴护膝可对膝关节起到一定的固定作用，从而防止膝关节的损伤或者减轻膝关节的损伤程度。

目前国家标准中对护膝的规定只限定了护膝材料的安全性能，但是并没有对护膝的防护性能做出相关要求，因此造成了市面上的护膝种类各异，性能也各异[4]。通过本论文的研究可以评定不同款式的护膝在篮球运动项目中的防护效果，为篮球运动爱好者以及运动员购买护膝提供参考。

1 实验准备

1.1 实验对象

挑选在校男大学生篮球爱好者8名，年龄（23.25±1.20）岁，身高（176.38±1.87）cm，体重（71.33±2.32）kg，膝围（37.23±2.03）cm，所有受试者6个月内下肢无损伤史，且能很熟练的完成各种篮球动作。实验在浙江理工大学服装学院人体科学实验室进行。

1.2 实验材料

主要通过线上电商调研，选择了3个销售平台（淘宝、阿里巴巴和京东），通过搜索了“防护护膝”关键词，基于销售量、好评率和销售信用综合选择了40余款不同产品进行整理分析。本文的防护性研究主要从护膝的穿戴方式进行分析，可以将护膝结构分为弹性套筒穿戴式和开口调节式和绷带缠绕式，市面上这三种占比分布分别为 42%、51%、7%，反映出用户对于弹性套筒穿戴式和开口调节式这两种穿戴方式的穿脱习惯接受度接近。

针对护膝类型的选择对篮球爱好者进行问卷调查，主要通过网络问卷调查的方式，共收回50份有效问卷，结果如图1所示，选择弹性护膝和开口式半刚性护膝的占比较大，分别是81.25%和79.20%。

根据市场调研和问卷调查，最终选取某品牌的弹性护膝和开口式半刚性护膝来研究其防护性，护膝的具体参数如表1所示。

1.3 实验设备

实验主要仪器为美国Qualisys Track Manager三维动态捕捉系统，三维动态捕捉系统配备动作捕捉摄相机9台，四百万像素，有用于动作捕捉的反光Marker球和四个刚体，其中刚体由4个Marker点组成，这样结构就保证了Marker点的运动与刚体的运动一致，主要用于系统的坐标系设定[5-6]。数据分析软件为三维步态体态分析软件Visual 3D。三维动态捕捉系统可通过高速摄像头捕捉标记在人体上的Marker点来记录人体关节在运动过程中的轨迹，再把数据导入Visual 3D软件中进行骨骼模型构造以及计算和分析，最后以三维坐标数据形式直接输出到Excle表中。

2 实验设计

2.1 实验原理

膝关节损伤最常见的类型有膝关节骨折、交叉韧带损伤、侧副韧带损伤以及半月板损伤。前交叉韧带和内侧副韧带在屈膝最大时容易发生撕裂;研究认为受地面反作用力和膝关节矢状面运动惯性的作用，再加上膝关节外旋及过度外展，容易导致前交叉韧带损伤[7];篮球运动时，膝关节经常处于半屈位状态，而此时在轴向负荷作用下，同时伴有内收或者外展，容易出现膝关节半月板损伤[8]。膝关节过度屈曲、外展和外旋是造成膝关节损伤的重要原因。护膝的主要作用是给予膝关节一定的固定和支撑，因此研究护膝是否能有效地减小膝关节最大屈曲角、外展角、外旋角来确定护膝的防护性能。其中膝关节最大屈曲角、外展角、外旋角指的是篮球动作中受试者膝关节屈曲、外展、外旋至最大时的角度[9]。

2.2 实验操作

三维动态捕捉实验按照防护状态分为3组，然后进行不同篮球动作的实验，具体情况如表2所示。

八位受试者统一穿着普通运动短裤以及篮球运动鞋，测试前做好热身准备。首先在人体相应部位贴上Marker点，如图2所示，其中四个刚体分别绑在受试者左右大腿中部外侧，左右小腿中部外侧。表3是各Marker点对应在下肢上的位置介绍。

首先采集受试者静止状态下的数据，为后期在Visual 3D中构建骨骼模型做基础，让受试者双手抱于胸前保持静止，采集30 s。在静态点的基础上减少左右下肢的FTC、FLE、FME、FAL、TAM这十个点，受试者先通过抽签的方式随机选择护具测试顺序，随后进行急停跳投和抢篮板球的动态测试。受试者在听到“开始”口令后做动作，动作结束站稳后要保持静止3 s，以防捕捉不到落地时的三维数据。每次动作间休息1 min，以避免肌肉疲劳对测试结果产生影响，每种测试条件下每个动作采集3次有效数据。动态实验过程中要关注受试者身上的Marker点，若出现Marker点被遮挡或掉落的情况，都需要重新进行测试。

3 结果与分析

动态捕捉的数据以三维坐标数据形式直接输出到Excle表中，其中数据的正负表示方向，如图3所示，X轴（前后方向）、Y軸（左右方向）、Z轴（垂直方向）分别代表膝关节沿着X轴正方向屈曲、沿着Y轴负方向外展、沿着Z轴正方向外旋。根据实验数据，计算并提取膝关节最大屈曲角、最大外展角、最大外旋角。

实验数据以均数±标准差（x±S）形式表示，采用SPSS 17.0统计学软件进行统计学处理。采用单因素方差分析比较护膝装置防护间各实验参数的差异是否有统计学意义，若有统计学意义则继续采用多重比较确定显著性差异发生在具体哪两个水平之间。其中样本数据发生的概率是由统计量的观测值概率P值间接计算得到的，显著性水平α是指统计量的值落在某个极端区域的概率值，一般设定α=0.05，若概率P值小于显著性水平（P<0.05），则认为差异有统计学意义[10]。

3.1 膝关节角度变化与分析

根据三维动态捕捉系统捕捉的动态影像，把数据进行运动阶段的划分，急停跳投可分为跑步急停（T1）—起跳（T2）—腾空（T3）—落地（T4）四个阶段;争抢篮板球动作分为起跳（T1）—腾空（T2）—落地（T3）三个阶段。

3.1.1 急停跳投动作角度变化与分析

急停跳投情况下，三维动态捕捉测试膝关节屈曲角、外展角、外旋角随时间变化曲线如图4-图6所示。

由图4所示，膝关节屈曲角变化相对来说比较规律，在T1、T2、T4阶段，膝关节屈曲都是先增大后减小，弹性护膝和半刚性护膝防护下的屈曲角小于无护膝防护下的屈曲角;在T3阶段，屈曲变化比较平稳，各种状态下的膝关节屈曲角相差不大。

由图5所示，膝关节的外旋变化整体处于不稳定状态，但是可以看出在T1、T2、T4阶段，膝关节的外旋角有明显的先增大后减小的过程;在T3阶段，膝关节的外旋在小范围内波动;在四个阶段中，弹性护膝和半刚性护膝防护下的外旋角均小于无护膝防护下的外旋角。

由图6所示，膝关节的外展角变化不稳定，波动比较多，但是可以看出在T1、T2阶段，膝关节的外展角整体出现先增大后减小的变化趋势，出现了两个峰值;在T4阶段前期，膝关节外展先增大后减小，变化幅度较大，后期处于波动状态;在T1、T2、T4阶段，无护膝防护和弹性护膝防护下外展角大小相差不大，半刚性护膝防护下的外展角小于无护膝防护下的外展角;在T3阶段后期，膝关节外展逐渐增大，变化幅度大，弹性护膝和半刚性护膝防护下的外展角小于无护膝防护下的外展角。

急停跳投动作下，在急停、起跳和落地过程中，膝关节各个角度变化幅度比较大。主要原因是：在急停时，先是脚弯曲，然后小腿、膝盖、大腿依序用力，膝关节屈曲转动，身体重心降低而停止[11];在起跳过程中，膝关节通过屈曲、外展、外旋来积攒力量用力跳起来达到运动效果;在落地过程中，两膝深屈并旋转用力来缓冲落地带的冲力。因此在这三个过程中膝关节矢状面和冠状面都处于不稳定的状态，导致屈曲、外旋、外展的角度变化幅度较大，比较容易造成膝关节损伤。由图4、图5、图6所示，在这三个阶段相对于无护膝防护，半刚性护膝防护的膝关节屈曲角、外展角、外旋角的变化都是明显减小的。

3.1.2 抢篮板球动作角度变化与分析

争抢篮板球情况下，三维动态捕捉测试膝关节屈曲角、外展角、外旋角随时间变化曲线如图7-图9所示。

由图7所示，膝关节的屈曲角变化相对来说比较规律，T1阶段膝关节屈曲先增大后减小，此时弹性护膝和半刚性护膝防护下的屈曲角小于无护膝防护下的屈曲角;T2阶段时，屈曲趋于稳定状态，各个状态下屈曲角相差不大;T3阶段，膝关节屈曲逐渐增大然后减小，整体来看弹性护膝和半刚性护膝的屈曲角小于无护膝防护下的屈曲角。

由图8所示，膝关节的外旋变化不稳定，在T1和T3阶段膝关节的外旋角明显出现先逐渐增加到最大然后减小的趋势;在T2阶段，膝关节外旋变化在小范围内波动;在T1、T2和T3阶段，弹性护膝和半刚性护膝防护下的的外旋角均小于无护膝防护下的外旋角。

由图9所示，膝关节的外展变化整体处于不稳定状态，波动较多。在T1、T3阶段膝关节的外展角均有逐渐增加到最大然后减小的过程，变化幅度比较大。在T2阶段后期，膝关节外展变化幅度较大;在T1、T2和T3阶段，无护膝防护和弹性护膝防护下外展角大小相差不大，半刚性护膝防护下的外展角小于无护膝防护下的外展角。

在争抢篮板球动作的起跳和落地过程中，膝关节的三个角度变化幅度都比较大。因为抢篮板球需要运动员看准来球方向后跳起抢球，在起跳过程中，主要通过膝关节的屈曲转动来积攒力量，然后用力跳起;抢球后的落地过程中，地面会产生很强的反作用力，需要两膝深屈并旋转用力来缓冲。在起跳和落地过程中，膝关节屈曲伸直和不断的旋转用力，所以屈曲、外旋、外展的角度变化幅度较大，容易造成膝关节的损伤。从圖7、图8、图9可以看出，在这两个阶段相对于无护膝防护，半刚性护膝防护的膝关节屈曲角、外展角、外旋角的变化都是明显减小的。

3.2 护膝对各角度防护性能分析

首先将不同篮球动作下，无护膝防护状态下、佩戴弹性护膝和半刚性护膝所得到的膝关节最大屈曲角、最大外展角和最大外旋角进行比较分析，然后进行单因素方差分析，确定与无防护状态相比，两种防护状态下各个角度的变化是否有显著性差异，并采用多重比较确定不同护膝间的各个角度是否有显著性差异。结果如图10、图11、表4所示。

由图10、图11、表4可以得出以下结果：

膝关节最大屈曲角，无论是急停跳投还是争抢篮板球，相对于无护膝防护，弹性护膝和半刚性护膝防护下均有明显的减小，其中半刚性护膝防护下的减小非常显著;半刚性护膝与弹性护膝防护下相比无统计学意义。

膝关节最大外旋角，在急停跳投和争抢篮板球时，弹性护膝和半刚性护膝防护下与无护膝防护相比均有明显的减小，其中半刚性护膝防护下的减小最为显著;半刚性护膝与弹性护膝防护下相比明显减小。

膝关节最大外展角，在急停跳投和争抢篮板球动作中，相对于无护膝防护，半刚性护膝防护下明显减小;弹性护膝防护下角度减小不显著;半刚性护膝与弹性护膝防护下相比明显减小。

4 结 论

本文通过三维动态捕捉系统测量了无护膝防护和佩戴两款不同护膝状态下人体进行急停跳投和抢篮板球的三维坐标数据，并通过单因素方差分析和多重比较对数据进行分析，得到以下结论：

a）在急停跳投和抢篮板球动作的起跳和落地阶段中，相对于无护膝防护，弹性护膝和半刚性护膝防护下的膝关节屈曲角、外展角、外旋角都有所减小，与弹性护膝防护相比，半刚性护膝防护下各个角度的减小幅度更为明显。

b）无论是在急停跳投动作还是争抢篮板球动作，相对于无护膝防护，半刚性护膝均能显著的减小膝关节的最大屈曲角、最大外展角和最大外旋角，具有良好的防护效果;和无护膝防护相比，弹性护膝不能有效地减小膝关节最大外展角;半刚性护膝对膝关节最大外展角和最大外旋角的减小幅度明显大于弹性护膝防护。

c）综合考虑，防护性能较好的护膝为半刚性护膝，它可以加强膝关节在冠状面和矢状面的稳定性，因为它采用EVA垫片，有效加强保护膝盖，承受髌骨压力，避免移位，护膝两侧有可弯曲的弹簧，能支撑膝关节的屈曲，加强膝关节的稳定性。

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