乒乓球运动员主要进攻技术膝关节负荷特征研究

米奕翔，张 奔，周星栋，王向东，刘 恒，肖丹丹

(1.国家体育总局 体育科学研究所，北京100061；2.桑德兰大学，英国 桑德兰，SR1 3SD；3.宁波大学，浙江 宁波315211；4.中国乒乓球队，北京100061)

乒乓球运动既是竞技项目，也是大众健身与娱乐项目。在我国，乒乓球素有“国球”之称，拥有数量众多的乒乓球专业运动员和业余爱好者，乒乓球已成为中国体育精神和竞技水平的代表性运动项目。为保持世界领先水平，应对强劲对手的挑战，乒乓球运动员需要长周期、大运动量和高强度的训练，但是人体的承受能力是有一定限度的，当运动员身体机能不断下降、局部负荷过重时，便会发生乒乓球运动员常见的运动损伤，87.5%的国家队运动员患有不同部位、不同类型的损伤，如半月板损伤、肩袖损伤、腰肌劳损和膝脂肪垫炎等52 余种伤病[1]。在这些损伤中，膝关节损伤不容忽视。大量文献显示膝关节损伤在乒乓球运动中最为普遍[2-5]。国家乒乓球队运动员日常进行的大强度技术训练对膝关节是一种过度使用，因而膝关节损伤较多。专业运动员每次完成技术动作都需要膝关节发力，且运动员每天的训练要完成大约4 000 次左右的挥拍，即膝关节也需要进行4 000 次左右的发力[6]。现役国家乒乓球队运动员膝关节损伤人数约占所有在训练或比赛中发生损伤人数的20%[1]，省队运动员膝关节的发病率为22.4%[7]。乒乓球运动员常见的膝关节损伤包括各种关节软骨、髌骨、韧带等的急性或慢性损伤[5]。患有慢性膝关节损伤的运动员还极易继发半月板、交叉韧带等部位的急性损伤[8]。世界知名乒乓球运动员几乎都经历过不同程度膝关节损伤，例如王皓右膝膝关节软骨损伤引起的滑膜炎一度成为困扰他训练和比赛的伤病，严重时伴有关节肿胀和肌肉萎缩，直接影响到了正手能力。又如2008年如日中天的刘国正，由于两次髌骨骨折而不得不选择退役。再如德国名将波尔曾经做过膝关节半月板手术，近几年由于膝关节伤病问题时有退赛或爆冷输球情况的发生。

膝关节损伤对于乒乓球运动员而言，显然是普遍存在且又影响巨大的。乒乓球运动员如何有效地预防膝关节损伤，是迫切需要探索和解决的问题，而研究预防手段的前提应该是深入了解乒乓球运动员膝关节在运动过程中的负荷特征。但目前的文献表明，有关乒乓球运动员在击球过程中膝关节受力的负荷特征尚不清楚。从乒乓球技术角度看，正手攻球技术、正手拉弧圈球技术、反手拉弧圈球技术是乒乓球比赛与训练中最为常用的进攻技术。为了解乒乓球运动员在日常技术训练中膝关节的生物力学负荷特征，本研究通过三维运动学影像、逆动力学计算等方法，分析不同性别乒乓球运动员在完成上述3种主要进攻动作过程中的下肢运动学、动力学特征，对预防乒乓球运动员膝关节损伤、延长运动员的运动寿命、提高运动成绩和提高乒乓球运动员停训后的生活质量有非常重要的意义，也可为大众乒乓球爱好者的膝关节防护提供一定的借鉴。另外，本研究还将引发后继一系列乒乓球训练方法设计与评价、运动损伤防护器材研制等相关的科学研究。

1 研究方法

1.1 受试者

本次试验选取了国家乒乓球队运动员中无膝关节损伤史的男、女运动员各10 名，运动等级均在运动健将或者以上。对运动员无膝关节损伤史的确定方法是:通过询问国家乒乓球队的队医，确定无膝盖受伤史的运动员范围；再询问每个运动员的主观感受是否有过受伤史；由国家乒乓球队队医做检查；最后确定无膝关节损伤史的男、女运动员各10 名作为测试对象(表1)。所有受试者在数据采集之前都签署了参加研究知情表。

表1 受试者基本情况Table 1 About the subjects

1.2 数据采集

1.2.1 调试实验仪器

运用具有6 个摄像头的Motion 运动学采集系统(拍摄频率200 Hz)与Kistler 测力台(两块三维测力台，采集频率1 000 Hz)系统，外加1 台佳能XF105摄像机，同步对所有受试者的主要乒乓球发力动作技术进行生物力学测试。实验测试系统安置及测试现场见图1，在北京体育大学实验大厅进行。

图1 实验测试系统安置及测试现场示意图Figure 1 Experimental test system placement and test site

首先对测试场地进行标定。将三维坐标框架置于运动员完成技术动作的区域，调整Motion 红外光点运动捕捉系统6 个摄像头的高度、焦距和俯仰角，使得三维框架上的红外光点的大小合适。Motion 红外光点运动捕捉系统的采集频率设置为200 Hz。用1 台摄像机辅助拍摄，以弥补Motion 只对红外光点采集而无法看到人体真实动作的缺点，将其放在运动员运动方向右侧前方，调整主光轴的合适高度，约为0.8 m，拍摄频率设置为50 幅/s。在拍摄之前对摄像机的焦距进行调整，并使之达到最清晰的状态，然后锁定。调试2 块三维测力台的量程和精度，并进行校正。三维测力系统的采集频率设置为1 000 Hz。调整完实验仪器后就对其进行连接，将Motion和三维测力系统进行连接，并设置采集时间。运动学与动力学数据的采集由Motion 红外光点运动捕捉系统进行同步触发。

1.2.2 测试过程

1.2.2.1 贴标志点 先对实验仪器进行调试及同步，测试运动员穿紧身衣，做充分的准备活动后，在其身体关节部位及球拍上贴置反射标志点，共21个。标志点位置参考YU[9]、张美珍[10]、肖晓飞[11]等的研究成果(表2)。

表2 标志点名称及固定位置Table 2 Name and position of the markers

1.2.2.2 原地主要进攻技术测试 受试者进行足够的准备活动之后，站在测力台上。两只脚分别站在每块测力台的中央，要求保证两脚始终分别在面积为0.24 m2的测力台区域里运动的前提下，自然地以最大力量完成技术动作。由国家队教练给运动员发定点上旋多球，运动员依次完成正手攻球、正手拉弧圈球、反手拉弧圈球3 个进攻技术的测试。由实验员判断当技术动作比较稳定时开始采集，各个测试系统同时采集5 s 后停止，然后保存文件并准备下一组动作的测试。每名受试者每个动作采集3 次有效数据用于研究:(1)正手快攻技术测试。教练员发多球至正手位底线，受试者进行正手位发力斜线近台快攻练习；(2)正手弧圈球技术测试。教练员发多球至正手位底线，受试者进行正手位发力斜线弧圈球练习；(3)反手弧圈球技术测试。教练员发多球至反手位底线，受试者进行正手位发力斜线弧圈球练习。

受试的男女运动员中，各有1 人左手为有利手、左手执拍，其他运动员均为右手执拍。为了统一进行研究，对左手执拍运动员的数据做了镜面处理，处理后的左侧关节数据等同于右侧关节数据，对整体的测试结果无影响。

1.3 数据处理

1.3.1 运动学数据的处理

运动员关节点的空间三维坐标由三维红外光点Motion 系统中的软件对采集得到的标识点进行标识，运用系统自带的线性插值补点法对采集中出现遮挡并丢失的标识点进行填补，确保整个采集过程中各个标识点一直存在。以受试者完成技术动作的准备、引拍、挥拍击球、随挥、还原阶段为一个完整的动作单元。采用低通滤波的方法对原始三维坐标数据进行平滑处理，截断频率为8 Hz，进而计算每次进攻技术动作中下肢关节中心的三维坐标、小腿与地面的三维角度、膝关节三维角度等运动学数据指标。

1.3.2 动力学数据处理

主要运用KISTLER 三维测力台自带的数据分析软件，配合使用Microsoft Excel 2016 软件，对所获取的动力学三维原始数据进行分析和处理。

导出测力台三维地面支撑反作用力(GRF)数据及压力中心，通过Excel 计算以下指标:竖直方向第一峰值力、竖直方向第一峰值出现时间、竖直方向最大加载率、竖直方向缓冲被动冲量、竖直方向第一峰值力冲量、竖直方向着地过程全部冲量。垂直方向上的地面支撑反作用力，正值代表向上的力，负值代表向下的力；左右方向上的地面支撑反作用，正值代表向左的力，负值代表向右的力；前后方向上的地面支撑反作用，正值代表向前的力，负值代表向后的力。

为了消除测试对象由于体重不同对结果的影响，更有利于比较，对膝关节所受三维力做了标准化处理，将膝关节所受三维力除以体重标准化。标准化膝关节受力单位为BW。

1.3.3 逆向动力学数据的处理

运用MS3D 7.0 版(MotionSoft，Inc.Chapel Hill，NC 2006)，通过逆动力学方法计算获得膝关节三维力矩。根据各关节转动中心的三维空间坐标计算出各运动环节质心的三维空间坐标，继而计算各环节质心的加速度，其中所运用的人体惯性参数采用了Helen-Heys 模型参数。应用Cortex2.1 软件，运用逆动力学方法进行计算，通过动力学分析所得数据(三维地面反作用力和压力中心)、运动学分析所得数据(环节质心加速度和环节角加速度)以及人体环节惯性参数(各环节长度、环节质心相对位置、环节质量和转动惯量)，求得膝关节的三维合力矢量。

1.3.4 膝关节角度的处理

在处理膝关节角度时，运用的是相对于动态的大腿坐标系和小腿坐标系的人体解剖位角度。由股骨内侧髁、外侧髁以及髋关节中心构建大腿坐标系。由外踝点、内踝点以及膝关节中心(股骨内外侧髁中点)构建小腿坐标系。

膝关节角度为大腿坐标系和小腿坐标系之间的欧拉角。膝关节屈伸角(屈角为正值、伸角为负值)为围绕冠状轴转动所获得的角度；膝关节内收外展角(内收角为正值、外展角为负值)为围绕矢状轴转动所获得的角度；膝关节内旋外旋角(内旋角为正值、外旋角为负值)为围绕垂直轴转动所获得的角度，如图2。

图2 膝关节角度示意图Figure 2 Diagram of knee angle

1.4 数据的统计分析

运用方差分析方法，分析下肢运动学数据和膝关节受力在不同性别、不同进攻技术之间的差异。

2 结果与分析

2.1 3 种进攻技术膝关节三维角度特征分析

2.1.1 膝关节三维角度极值分析

由表3 可知，3 种主要进攻技术中，男、女运动员在完成正手攻球技术动作时都表现出更小的膝关节屈角(P<0.05)，在完成正手拉弧圈技术动作时都表现出更大的膝关节外旋角(P<0.05)，在完成反手拉弧圈技术动作时都表现出更小的膝关节内旋角(P<0.05)。与女运动员相比，男运动员在完成3种技术动作时表现出更大的膝关节外展角(P<0.05)、更大的膝关节内旋角(P<0.05)，在完成正手拉弧圈技术动作时表现出更小的膝关节外旋角(P<0.05)。另外，男运动员在完成反手拉弧圈技术动作时表现出更大的膝关节外展角。

表3 膝关节角度极值(单位:°)Table 3 Extremum of the subject’s knee angle(Unit:°)

2.1.2 地面垂直反作用力最大时膝关节角度分析

由表4 可知，当地面垂直反作用力最大时，男、女运动员在完成3 种主要进攻技术时，正手攻球动作表现出更小的膝关节屈角(P<0.05)。与女运动员相比，男运动员在完成反手拉弧圈技术动作时表现出更大的膝关节屈角(P<0.05)，在完成正手攻球技术动作时表现出更大的膝关节内旋角(P<0.05)。

表4 地面垂直反作用力最大时膝关节角度(单位:°)Table 4 Knee angle when the ground reaction force was maximum(Unit:°)

2.2 3 种进攻技术膝关节受力分析

由表5 可知，乒乓球运动员在完成3 种主要进攻技术动作时膝关节受到垂直方向的力最大，大约是自身体重的1 倍；膝关节受到前后方向的力次之，约是自身体重的0.4 倍；膝关节受到左右方向的力最小，约为运动员自身体重的0.1 倍。其中男运动员在完成反手拉弧圈球技术动作时比完成正手攻球和正手拉弧圈球动作表现出更小的向前方向的力(P<0.05)、更小的向上方向力最小值(P<0.05)；女运动员在完成反手拉弧圈球技术动作时比完成正手拉弧圈球动作表现出更小的向前方向力(P<0.05)、比完成正手攻球动作表现出更大的向上方向力最小值(P<0.05)。与女运动员相比，男运动员在完成3 种主要进攻技术动作过程中表现出更小的向后方向力(P<0.05)、更大的向前方向力(P<0.05)。

表5 3 种进攻技术乒乓球运动员膝关节受力极值(单位:BW)Table 5 Extreme force of subject’s knee joint(Unit:BW)

2.3 3 种进攻技术膝关节力矩分析

由表6 可知，男运动员在完成正手拉弧圈球和正手攻球技术动作时，相比女运动员表现出更大的屈膝力矩(P<0.05)；在完成正手拉弧圈球技术动作时，相比女运动员表现出更小的伸膝力矩。在内收与外展力矩、内旋与外旋力矩方面，不存在性别差异。另外，不论男、女运动员，在完成3 种技术动作时膝关节力矩几乎都不存在显著差异。

表6 乒乓球运动员完成3 种进攻技术膝关节力矩极值(单位:BH∗BW)Table 6 Extreme moment of subject’s knee joint(Unit:BH∗BW)

3 讨论

3.1 3 种进攻技术的膝关节运动学特征

本研究结果中，男、女运动员在完成正手攻球技术动作时，膝关节的屈角均显著小于正手拉弧圈球技术和反手拉弧圈球技术。这与3 个技术的动作要领有关，攻球时运动员主要向后引拍，身体重心基本维持在一定高度。而拉弧圈球时要求运动员在引拍过程中身体重心稍降低，向后下方引拍。因此，运动员在拉弧圈球过程中膝关节屈角比攻球过程中更大。同时，在完成反手拉弧圈技术动作时男、女运动员都表现出更小的膝关节内旋角，说明反手拉弧圈动作引拍过程中运动员身体重心转移的程度相对较小，更多的是向下引拍，这一结果与当前的反手弧圈技术要领是一致的[12]。另外，男运动员在完成3 种技术动作时比女运动员表现出更大的膝关节内旋角，这是因为男运动员在引拍过程中支撑脚的脚尖相对冲前，而女运动员支撑脚的脚尖更加偏向身体外侧。高速录像回放也清晰地证实了这一点，男子运动员在重心转换过程中脚后跟的移动幅度较小，更多依靠膝关节的扭转完成；女运动员在重心转换过程中脚后跟的移动幅度相对更大，膝关节的扭转程度相对小一些。

在完成乒乓球技术动作的过程中，为更好地完成蹬转，运动员双脚基本不移动。在躯干扭转时，膝关节便形成了一定的外展角度。挥拍过程中，男运动员膝关节外展角显著大于女运动员，这是男运动员重心转换的幅度大于女运动员造成的。这一结果与肖丹丹等的研究是一致的[13]，且这个现象在女运动员中表现得更加突出。

在击球过程中，男、女运动员在完成正手攻球和正手拉弧圈球动作时击球点并无差异，而在完成反手拉弧圈球技术动作时击球点存在一定差异[14-15]。本研究结果也显示完成反手拉弧圈球技术动作过程中，当地面垂直反作用力最大时，男运动员膝关节的屈角显著大于女运动员，说明男运动员在使用反手拉弧圈时击球发力点更低。

3.2 3 种进攻技术的膝关节负荷的共性探讨

从技术的要领看，乒乓球运动员在完成正手攻球和正手拉弧圈球技术动作过程中，首先根据来球位置向右后方引拍，身体重心逐渐从两腿之间向右后方移动，直至移到支撑发力腿(右腿)上，然后支撑发力腿开始蹬地发力，随后完成挥拍击球。同样在完成反手拉弧圈球技术动作的过程中，乒乓球运动员支撑发力腿是左腿，身体重心要向左腿移动，然后由左腿蹬地发力，随后完成挥拍击球。依上述过程，运动员在完成进攻技术动作时，膝关节支撑发力腿所受的垂直方向的力随着身体重心向支撑发力腿的转移而增大。本研究结果显示，乒乓球运动员在完成3 种主要进攻技术过程中，膝关节的负荷主要来自于垂直方向的三维力与伸膝力矩，同时伴随着前后方向的力、左右方向的力，以及一定的内收或外展力矩、内旋或外旋力矩。膝关节垂直受力是胫骨和股骨之间压力的问题，而膝关节左右和前后方向的力是膝关节在半屈状态下做出的侧向滑移和拧转动作。垂直方向的压力在正常情况下都不足以导致膝关节损伤，但是在有垂直压力的同时又伴随有拧转和切向的滑移动作时，这一动作过程对膝关节有很严重的影响[16-17]，易诱发膝关节的损伤。虽然本研究结果显示乒乓球运动员的膝关节在左右方向的受力相对较小，但乒乓球运动员在击球过程中膝关节始终保持在半屈位置，且膝关节的内旋或外旋、内收与外展力矩在大部分时间都存在。尤其是在支撑发力腿蹬转瞬间，膝关节的内收外展和内旋外旋角度达到最大值，此时对膝关节的损伤是很严重的，极易造成半月板损伤。

另外，与女运动员相比，男运动员在完成3 种主要进攻技术动作过程中，表现出更小的向后方向力、更大的向前方向力。尤其是在完成正手拉弧圈球技术动作时，更是显著表现出更大的伸膝力矩与屈膝力矩。这一结果与当前男、女运动员的技术表现是相吻合的[18]。男运动员在训练或者比赛中，更容易形成中远台的相持[19]。为了保持击球的质量、维持一定的球速，他们在击球过程中向前发力更加明显，身体后坐相对较少。而女运动员的技术打法要求她们的站位更加贴近球台[20-21]，在近台对攻过程中，球速相对较快，拉弧圈球时引拍动作往往显得稍慢，以至于躯干稍向后倾。

3.3 3 种进攻技术的膝关节负荷的差异探讨

本研究结果显示，男运动员在完成反手拉弧圈球技术动作时，比完成正手攻球和正手拉弧圈球动作表现出更小的向前方向的力，且差异显著。女运动员在完成反手拉弧圈球技术动作时，比完成正手拉弧圈球动作表现出更小的向前方向力，且差异显著。由于运动员身体活动范围的限制，以右手执拍运动员为例，完成正手攻球和正手拉弧圈球技术动作过程中，可以充分地向右后方引拍，挥拍击球时也可以充分地向左前方发力。而在完成反手拉弧圈球技术动作过程中，运动员向左后方向的引拍幅度是受到一定限制的，难以充分地向后引拍，因此在挥拍击球时，向前方向的发力必然不如正手攻球和正手拉弧圈球技术。

男、女运动员在完成反手拉弧圈球技术动作时，膝关节所受到的向上方向的力的最小值显著小于完成正手攻球和正手拉弧圈球技术时所受到的力。同时，男运动员在完成反手拉弧圈球技术动作时，膝关节所受到的向上方向的力的最大值也小于正手攻球和正手拉弧圈球技术。而女运动员在完成反手拉弧圈球技术动作时，膝关节所受到的向上方向的力的最大值却大于正手攻球和正手拉弧圈球技术，在均值上表现出了一定的差别。乒乓球运动员在完成技术动作过程中，膝关节在受到垂直方向力的同时，所受到的左右方向的力是引发损伤的重要因素。因此，运动员完成不同技术动作时，膝关节所受的左右方向的力的差异值得关注，即便它们并不存在显著的差异。从均值看，男运动在完成正手攻球和正手拉弧圈球技术动作时，膝关节所受到的左右方向的力相对大于完成反手拉弧圈球动作时的力，而女运动员在均值上并未表现出差别。显然，正手攻球和正手拉弧圈球技术对于男运动员来说，在理论上的损伤风险相对更大，而女运动员3 种技术的损伤风险差别不大。

4 结论与建议

4.1 结论

1)完成3 种进攻技术动作时，男运动员膝关节的屈角比女运动员更大；3 种技术动作中，正手攻球的屈角最小。2)完成3 种进攻技术动作时，膝关节所受负荷主要源于垂直方向的力与伸膝力矩，同时伴随有一定前后方向与水平方向的力，以及内收与外展力矩、内旋与外旋力矩。3)与女运动员相比，完成3 种进攻技术动作时男运动员的膝关节负荷更大。4)男运动员在完成反手拉弧圈球技术动作时，膝关节损伤风险较另两种技术更小，而女运动员在完成3 种技术动作时的膝关节损伤风险相近。

4.2 建议

1)进一步对不同训练水平、不同年龄段的乒乓球运动员进行相关研究，以全面了解乒乓球运动员膝关节的负荷特征。2)在对运动员进行等速肌力测试的基础上，有针对性地合理增加运动员的下肢力量，以减少膝关节损伤发生的风险。3)依据乒乓球运动员膝关节负荷特征，进一步设计与研究有助于膝关节防护的训练手段。4)在乒乓球鞋的设计上，要多考虑垂直方向减震缓冲的功能。