不同疲劳程度下跆拳道运动员横踢动作时踝关节运动学特征的共变量分析

苏健蛟 张颖慧 卢煜 吴志恒 雷涛 冯朝海 李渊

1 武汉体育学院武术学院（武汉430079）

2 武汉体育学院东北亚民族传统体育研究中心（武汉430079）

3 武汉体育学院经济与管理学院（武汉430079）

4 韩国龙仁大学大学院（韩国龙仁017092）

5 武汉体育学院研究生院（武汉430079）

自2018年6月世界跆拳道联盟实施新的竞赛规则以来[1]，跆拳道的竞技水平得到了快速提升，竞赛程度更为激烈，运动员在比赛中所承受的体力负荷更接近极限，运动性疲劳表现也较为严重[2]。有研究认为，运动性疲劳不仅对运动技术的使用频率和使用效果产生影响，还可能引起各种功能障碍，以致损害运动员的身体健康[3]。跆拳道运动踝关节外侧副韧带损伤的现象较为常见，尤其是运动员在使用横踢动作时，支撑腿踝关节反复出现急起急停以及突发扭转的运动现象，成为引发急性损伤的常见因素[4]。运动员在长时间、高强度的训练或实战对抗中身体进入疲劳状态[5]，技术动作出现不规范或者变形的运动现象[6]，加剧了踝关节外侧副韧带的运动负荷[7]，成为诱发急性损伤的主要因素[8，9]。因此，在跆拳道训练或实战对抗中，了解不同疲劳程度出现的时间节点，对于提升横踢动作的使用效果，以及减少或预防运动损伤十分重要。

有学者根据人体运动量和运动强度的不同，将疲劳划分为轻度、中度和重度三个量级[2，10]。目前，国内外对运动性疲劳的评定方法以生理指标、生化指标评定以及主观感觉为主。现阶段较为常见的运动性疲劳（肌肉疲劳）诱导方案主要包括短时间疲劳法（shortterm fatigue protocol）和长时间疲劳法（long-term fa⁃tigue protocol）以及部分学者根据研究需要自行设计的疲劳诱导方案[11]。梳理不同疲劳诱导方案发现，大多数方案能使人体出现不同程度疲劳且达到研究目的，由于运动项目不同和疲劳诱导方案的差异，研究中很难使疲劳程度和出现疲劳的时间节点形成统一结论。基于此，本研究以跆拳道运动员身体出现的不同疲劳程度为变量因素，提出疲劳程度越大踝关节运动学特征的差异越大，且对横踢动作的使用效果影响越显著的研究假设。为此，本研究在实验室条件下，采用功率自行车诱导疲劳和采用生化指标评定疲劳程度[2，12]，运用三维运动捕捉系统采集踝关节的运动轨迹，通过对运动学特征的差异进行共变量分析来验证研究假设。

共变量分析亦称协方差分析，是方差分析的引申和扩大，是将难以人为控制的因素作为协变量，通过线性回归方法消除干扰因素影响之后进行方差分析。本研究采用共变量分析，不仅将启动时刻踝关节的运动学参数进行统一，能更直观地比较、客观地呈现运动过程中运动学参数的变化情况，而且也能更好地观察与判断不同疲劳程度下踝关节运动轨迹的差异，为跆拳道教练员在日常训练中合理安排训练强度、规范横踢动作以及降低运动损伤风险提供理论参考。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取韩国龙仁大学男子跆拳道队20 名精英运动员（相当于我国一级及以上运动等级的运动员）为本研究的受试对象。受试者年龄20.2± 0.5 岁，身高178.4± 2.5 cm，体重66.6± 3.2 kg，训练年限9.3± 1.3年。测试前确认受试者3 个月内下肢关节无运动损伤，且24 小时内未进行过大强度训练，身体状况及运动能力均为正常水平[2，13]。

1.2 研究方法

1.2.1 测定仪器与设备

三维运动捕捉系统采用Vicon Nexus 1.85（英国），包括400 万像素T40s 型号的摄像头（10 个），实验采样频率设置为100 Hz；三维测力台系统采用AMTI OR6-7（美国），包括BP400900（1 块）、BP400600（2 块），实验采样频率设置为1000 Hz；功率自行车采用Excalibur sport cycle ergometer（荷兰），最大功率设置为1500 W；血乳酸分析仪采用YSI 1500 sport（美国），以及直径14 mm的Marker球（39个）、跆拳道脚靶、卡尺、双面胶、测试服装等用品。

1.2.2 疲劳方案与疲劳程度设定

本研究采用60 s踏功率自行车的方式进行疲劳诱导，前30 s 以匀速60 km/h 功率进行，后30s 全速踏车[2]。疲劳评定采用血乳酸指标评定方法，结合预实验血乳酸变化曲线，对受试者在踏车前，踏车后即刻（0 min）、3 min、5 min、7 min、10 min、15 min、20 min 分别采集指尖部位约50 μL 血液样本。疲劳程度设定时，结合受试者在各个时间节点上选择RPE 6～20 量表的等级[14]以及正式实验所测定的血乳酸浓度值的结果，设定踏车后5～10 min内血乳酸值在12.52 mmol/L及以上为重度疲劳时段[12，15]，15～20 min 内血乳酸值在7.75～9.65 mmol/L 为中度疲劳时段，疲劳诱导前为轻度疲劳时段。测试过程中受试者完成动作的时间和血乳酸浓度变化见图1。本研究所采用的疲劳诱导方案为闭锁链动作，在诱导过程中动作较为简单且连续进行无中断，能较好地维持和控制疲劳状态。Wingate无氧功率的平均功率为640.1± 81.0 W，最大功率为1113.0± 199.7 W，最小功率为354.1± 77.8 W 和疲劳指数为8.7± 0.7 W/s。疲劳指数也称无氧功率递减率（fatigue index），即无氧供能时的疲劳程度。

1.2.3 测试流程

图1 测试过程中血乳酸变化

测试前准备：首先打开三维运动捕捉系统，包括10台摄像头（400 万像素），设置采样频率为100 Hz；3 块三维测力台，设置采样频率为1000 Hz；以及最大功率为1500 W 的功率自行车和血乳酸检测仪等设备进行预热、校对和标定。其次按照受试者进入测试中心的顺序，填写实验知情同意书，接受健康状况调查，熟知实验流程和注意事项，换测试服装，测量身体特征值等[13，16]。

疲劳前测试：首先采集受试者安静状态下的指尖血液样本，进行15 min 左右的热身活动，再开始粘贴Marker球（图2）。受试者熟知实验流程后，根据研究者发出的“开始”口令，使用右横踢技术快速击打目标靶位（高度为躯干得分部分）。击打完成后研究者通过视觉观察和受试者主观判断，对每个技术动作进行评定：A级为有效动作、B级为无效或失败动作。每名受试者最终选定5次A级动作为最终的分析动作。

疲劳后测试：参照跆拳道项目的比赛特点和血乳酸浓度变化曲线（图1），分别在重度疲劳和中度疲劳区间，采集横踢动作的三维运动轨迹，每人次的采集时间严格控制在5 min 内，横踢动作的击打要求和选取条件与疲劳前测试保持一致。

1.2.4 Marker球粘贴部位、坐标及模型

受试者身体表面粘贴39 个Marker 球的具体部位和坐标点，以及根据测量受试者身体各个环节的长度值，通过Vicon Polygon 3.5.1 分析软件构建的Plugin Gait Full Body3D模型见图2。

1.2.5 时刻（Event）和时段（Phase）划分

根据横踢技术的动作特点，设定支撑脚（左脚）触及测力台面出现反力信号瞬间为准备时刻（E1）；设定进攻腿（右腿）膝关节最大屈曲瞬间为屈膝时刻（E2）；设定进攻腿膝关节最大伸展瞬间为击打时刻（E3）；设定进攻脚回收触及测力台面出现反力信号瞬间为回收时刻（E4）[2，13]。设定从准备时刻结束到屈膝时刻开始为启动时段（P1）；设定从屈膝时刻结束到击打时刻开始为击打时段（P2）；设定从击打时刻结束到回收时刻开始为回收时段（P3）见图3。

图2 Marker粘贴部位及人体3D模型

图3 时刻和时段

1.2.6 数据处理与统计方法

三维运动捕捉系统和测力系统，通过数模转换器同步采集横踢技术的原始信号源，分析软件自动对采集的Marker 点进行命名、利用Vicon Nexus1.85 系统内置的Low-pass Filter 函数对运动学数据进行滤波、删补轨迹等技术处理。运用Vicon Polygon3.5.1软件建模后对踝关节的角度、角速度和动作速度、位移等进行计算。根据踝关节LFOO 部位Marker 球的直线运动轨迹计算关节位移，定义踝关节跖屈、外翻、旋外等运动值为负（－）。使用Excel 2013 对测试数据进行前期处理，再用IBM SPSS Statistics 19.0 统计软件进行独立样本单因子单共变量分析，分析结果用平均值和标准差（±s）表示，显著性水平设定为α=0.05。

2 结果

2.1 踝关节角度的共变量分析结果

踝关节角度的共变量分析结果见表1。启动时段，重度疲劳的背屈角度较小，与中度疲劳之间存在显著性差异（F=10.136，P<0.05）；轻度疲劳的内旋角度较大，与中度疲劳之间存在显著性差异（F=4.475，P<0.05）。回收时段，重度疲劳的外翻角度较小，与轻度和中度疲劳之间存在显著性差异（F=5.584，P<0.05）；旋外角度表现为：中度疲劳>轻度疲劳>重度疲劳，三种疲劳程度之间存在显著性差异（F=4.443，P<0.05）。

表1 踝关节角度的共变量分析结果

2.2 踝关节角速度的共变量分析结果

踝关节角速度的共变量分析结果见表2。启动时段，轻度疲劳的跖屈角速度较小，与中度和重度疲劳之间存在显著性差异（F=3.132，P<0.05）。击打时段，背屈角速度表现为：轻度疲劳<中度疲劳<重度疲劳，三种疲劳状态之间存在显著性差异（F=10.012，P<0.05）。

表2 踝关节角速度的共变量分析结果（±s）

表2 踝关节角速度的共变量分析结果（±s）

以中立位零度计算法设定关节的零点位。X表示踝关节在额状轴上进行跖屈背屈运动的均值，Y表示踝关节在矢状轴上进行内翻外翻运动的均值，Z 表示踝关节在纵轴上进行旋内旋外运动的均值。a P<0.05，与轻度疲劳比较；b P<0.05，与中度疲劳比较；c P<0.05，与重度疲劳比较。* P<0.05。

类型准备时刻（°）启动时段（°）击打时段（°）回收时段（°）X Y Z X Y Z X Y Z X Y Z轻度93.97 4.66－44.58－127.60± 12.57－17.25± 3.55 169.88± 15.50 181.58± 17.48 c 16.09± 2.98－146.94± 14.42－81.10± 7.30－13.98± 2.24 120.75± 17.08中度93.97 4.66－44.58－135.28± 13.00 a－25.65± 3.54 165.23± 15.53 206.56± 18.07 a 18.98± 2.97－130.81± 14.44－73.46± 7.55－14.46± 2.23 119.66± 17.11重度93.97 4.66－44.58－157.46± 12.73 a－21.63± 3.54 151.07± 15.48 219.18± 17.69 b 21.31± 2.97－155.04± 14.39－86.99± 7.39－15.10± 2.23 121.67± 17.05 F---3.132 *1.600 0.305 10.012 *1.770 0.843 1.101 0.305 1.490

2.3 踝关节位移的共变量分析结果

踝关节位移的共变量分析结果见图4。启动时段，重度疲劳的内翻位移（Y 轴）较小，与轻度和中度疲劳之间存在显著性差异（F=8.735，P<0.05）；重度疲劳的旋内位移（Z轴）较大，与轻度和中度之间存在显著性差异（F=7.159，P<0.05）。击打时段，重度疲劳的背屈位移（X 轴）较大，与轻度和中度疲劳之间存在显著性差异（F=8.193，P<0.05）。回收时段，轻度疲劳的旋内位移（Z轴）较小，与中度和重度疲劳存在显著性差异（F=2.676，P<0.05）。

2.4 动作时间的共变量分析结果

踝关节的动作时间共变量分析结果见图5。启动时段，三种疲劳程度表现为：重度疲劳>中度疲劳>轻度疲劳，三种疲劳程度之间存在显著性差异（F=16.671，P<0.05）；击打时段和回收时段的动作时间较为接近，三种疲劳程度之间不存在显著性差异。

2.5 动作速度的共变量分析结果

踝关节的动作速度共变量分析结果见图6。击打时段，轻度疲劳与中度疲劳的内翻速度（Y 轴）存在显著性差异（F=3.172，P<0.05）；击打时段，三种疲劳程度的旋内速度（Z轴）为：重度疲劳>轻度疲劳>中度疲劳，三种疲劳程度之间存在显著性差异（F=5.703，P<0.05）。回收时段，重度疲劳的旋内速度（Z轴）较大，与轻度和中度疲劳之间存在显著性差异（F=5.341，P<0.05）。

图4 踝关节位移共变量分析结果

图5 动作时间共变量分析结果

图6 踝关节速度共变量分析结果

3 讨论

通过观察测试结果发现，启动时段因受身体重心前移、躯干和支撑腿绕纵轴进行旋外转动的影响，支撑脚瞬间承受全身重量，并以脚掌为支点快速进行逆时针转动，身体重力[17]致使脚与地面产生的摩擦力[18]造成踝关节瞬间出现跖屈、外翻、旋内的运动现象。因受试者身体出现疲劳的程度存在差异，踝关节的运动学参数之间出现了显著性差异（P<0.05）。有研究认为，持续3～5 min 无氧运动就有较多的乳酸堆积，运动能力因乳酸的升高和堆积而受到抑制，抑制程度主要取决于乳酸浓度[2]。通过观察启动时段重度疲劳1.02 cm、中度疲劳0.92 cm、轻度疲劳0.87 cm的位移测试结果，可以看出受试者所受到的抑制程度对踝关节位移的影响。运动性疲劳具有对神经中枢产生抑制的作用，是运动过程中时常发生的一种生理现象，也是防止机体过度消耗而发生机能失调的一种警戒性保护性反应[19]。学界将运动训练中的肌力下降称为外周性疲劳，它主要发生在神经肌肉接点、突触传递点、骨骼肌收缩舒张位置，引起肌肉收缩速度和最大收缩力下降，从而导致运动能力降低[2，20，21]。随着疲劳程度的不断增加，重度疲劳时启动时段位移增大、速度降低的运动现象，正是肌肉收缩速度和最大收缩力下降的综合表现。综合测试结果来看，疲劳程度越大，踝关节运动学参数的差异越显著，稳定性随之表现也较差。有研究认为，踝关节的动态稳定有赖于对急启急停和突发扭转干扰的应激能力，这种应激能力产生足够的拉力来防止超出正常活动范围，从而预防周围韧带的损伤[22]。也有研究认为，踝关节是人体主要的负重关节，与下肢髋、膝关节的关节面相比相对较小，而承受的重量却相对最大。同时踝关节也是运动中急启急停、突发扭转等动作的支点，更是人体在运动中最容易受伤的关节之一[3]。因此，受试者身体出现不同程度的运动性疲劳时，踝关节在急速启动和突发扭转过程中，所表现出稳定性较差的运动现象，不仅对横踢动作的连贯性造成了影响，同时也是引发外侧副韧带急性损伤风险的重要因素。

横踢技术是比较典型的鞭打运动形式[23]，在击打过程中依照身体的大、小环节依次加速与制动，来完成动量矩向末端环节的快速传递。在击打时段受躯干和支撑腿加速与制动传递的影响，进攻腿迅速形成击打，而支撑脚踝关节却瞬间出现了急停的运动现象。受疲劳程度差异的影响，三种疲劳程度之间踝关节运动学参数的表现不尽相同。疲劳程度越大踝关节由外翻向内翻、由旋外向旋内的活动度以及动作位移都相对较大，不仅对踝关节的稳定性产生不利影响，同时也加大了关节内外侧韧带的应力。有研究认为，踝关节被动稳定是依靠关节面和周围副韧带的完整，而动态稳定主要依靠肌肉活动、重力作用、足与地面互相作用等综合因素的影响[22]。从外侧副韧带的稳定功能来看，距腓前韧带主要限制关节的旋内和跖屈，中立位时可对抗距骨相对胫骨的向前移位，运动中受到跖屈内翻应力时最为紧张，此时易发生距腓前韧带拉伤或断裂[2]。有研究通过应力位测量显示，踝关节距腓前韧带在内翻旋内时张力增加，跖屈位时张力最大，背伸状态下张力最小。当足部内翻跖屈位着地时，距腓前韧带遭受张力最大，踝关节外侧韧带中距腓前韧带强度最低[24]。当踝关节外侧韧带出现疲劳时，关节周围软组织中的本体感受器同时出现相应的疲劳，无法快速精确感知关节的肌力、位置等信息，本体感受器在调节运动过程中会随之发生异常，外侧副韧带损伤的风险也会随之增大[25]。因此，运动性疲劳的程度越大，在击打时段踝关节内翻、旋内角度越大，其稳定性表现也就较差，不仅对横踢动作的流畅性带来了不利影响，同时成为引发踝关节周围韧带损伤风险的重要因素。

随着击打时段技术动作的完成，进攻腿膝关节迅速由伸展运动向屈曲运动转换，来缩短肢体质量分布距离和减小转动半径[16]，起到稳定身体重心和加快动作回收速度的作用。但是，随着躯干和支撑腿绕纵轴加速转动与动力距向末端传递，以支撑脚掌为支点进行转向后的顺时针运动，导致了踝关节运动学参数差异更为显著。通过比较三种疲劳状态下踝关节角度、位移和动作时间的测试结果，发现运动性疲劳程度越大，对踝关节稳定性的影响就越大。有研究认为，中枢神经系统紊乱与运动性疲劳产生有着密不可分的关系[26]。踝关节外侧韧带对维持外侧稳定有重要作用，各条韧带都被丰富的神经支配，同时分布有很多本体感受器[24]，并为踝关节的运动功能提供着本体感受信息。当机体发生运动性疲劳时，中枢神经系统的兴奋、抑制过程平衡被破坏，基底神经节功能调控呈现不足，机体运动能力出现下降[2，21]。随着疲劳程度的不断增大，反映大脑皮层活动的激活像素（activated pixels，AP）快速增加，并释放更多的神经冲动来弥补下降的肌肉力量。当肌肉出现不同程度的疲劳时，AP增加的区域出现不同程度的叠加，出现中枢疲劳时，AP 时间曲线则会在平台期后，而肌力下降程度也会出现较大的差异[2，27]。由此可见，运动性疲劳所引发的肌力下降是导致踝关节稳定功能出现较大差异的重要因素，与本研究所提出的疲劳程度越大踝关节运动学特征差异越大的假设相吻合。也有研究认为，当肌肉做出剧烈运动时，体内的糖类、脂类等能源物质被大量消耗，而乳酸等代谢产物在体内开始大量堆积，并导致骨骼肌内pH值逐渐降低，肌肉细胞中Ca2+转移活动受到抑制，肌肉的收缩能力显著下降，从而导致运动性疲劳的发生[2，28]。因此，随着疲劳程度的不断增加，肌纤维最大收缩力和收缩速度受到的抑制也随之增大。在使用横踢动作时，肌肉收缩能力下降与踝关节活动度快速增大的过程，不仅成为影响横踢动作稳定性的一种运动现象，同时也成为影响横踢动作使用效果以及增大踝关节急性损伤风险的重要因素。

4 总结与建议

随着血乳酸峰值的出现，疲劳程度骤然增大，踝关节在急启急停和扭转能力方面的运动学参数差异较为显著；踝关节活动度随着疲劳程度的增加而加大，从而致使身体重心的稳定性与横踢动作的流畅性越来越差，并成为影响横踢动作使用效果和增大踝关节运动损伤风险的重要因素。

建议跆拳道运动员在平时训练时，以无氧阈速度的训练方法结合有氧耐力的训练方法，以提升乳酸峰值或推迟乳酸峰值出现的时间节点，从而延缓踝关节运动功能下降；在实战对抗中，教练员可根据运动员技术特点和重度疲劳出现的时间节点，充分利用场地宽度，调整技战术，合理分配比赛时间与技术动作使用的频率，避免重度疲劳过早出现，从而减小运动性疲劳对横踢动作使用效果的影响，减少或预防踝关节急性运动损伤。