基于足底壓力的羽毛球運動足部受力特征研究

傅維杰，劉 宇，李 路

在我國，羽毛球除了作為一種傳統(tǒng)的競技體育項目之外，還是深受各年齡段人群青睞的大眾健身運動。它要求人們在很短時間內(nèi)做出急停、急轉(zhuǎn)、起跳、蹬跨等各種連貫復(fù)雜的動作，并配合上肢完成擊球[1]。從生物力學(xué)角度來說，上述一系列的基本動作包括雙足運動的高速和不對稱性、下肢各關(guān)節(jié)角度的快速變化以及運動過程中巨大的地面沖擊力[2]。而正是由于羽毛球動作中太多的啟動、落地與變向，使得其成為造成人體下肢，特別是足部損傷的重要原因[3]，從而影響運動員的競技水平以及羽毛球運動在群眾體育中的開展。

以往研究表明：通過理解足部壓力分布特征可以有效地優(yōu)化技術(shù)動作、降低足部傷害、改善專項鞋的設(shè)計等[4－5]。目前，有關(guān)足底壓力的研究仍主要集中于走、跑、跳等常見步態(tài)特征[6－7]，研究對象也多為不同年齡段人群和病患[8－9]。針對與競技體育和大眾健身均息息相關(guān)的運動項目（如羽毛球等）的足底壓力特征研究，國內(nèi)外卻鮮有報道。因此，本研究擬通過獲取羽毛球運動中最常見的前場蹬跨步和蹬轉(zhuǎn)起跳步法動作的足底壓力，對羽毛球運動足部受力特征進(jìn)行分析和探討，以期為改善羽毛球動作技術(shù)、減少運動損傷和專用鞋的防護(hù)設(shè)計提供參考。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選取校隊高水平羽毛球男運動員 12 名，年齡（20．1±1．9歲），身高（179．1±3．4）cm，體重（71．1±7．6）kg，訓(xùn)練年限（10．7±2．5）年，一級和二級運動員各6名。所有受試者經(jīng)過足部病史詢問和體格檢查，確定其下肢和足部無急、慢性損傷，解剖結(jié)構(gòu)和機(jī)能正常，身體狀況以及運動能力良好，并于實驗前自愿簽訂知情同意書

1.2 研究方法

1.2.1 測試儀器 采用德國Medilogic Insole Measurement鞋墊式足底壓力測試系統(tǒng)。所采用壓力鞋墊的大小根據(jù)受試者鞋碼選擇41/42碼，厚度為1．2 mm，由64個矩陣分布的共225個0．6×0．4 cm 壓力傳感器組成（見圖 1），壓力范圍為 0～64 N/cm2，最高采樣率為300 Hz。

圖1 鞋墊壓力傳感器組成和足底區(qū)域劃分Figure 1 Composition of insole pressure sensor and region division of plantar

1.2.2 實驗方法 采用根據(jù)錄像觀察所得的羽毛球運動中最常用的 3 種步法：左前場蹬跨步（left front lunge step，LFLS）、右前場蹬跨步（RFLS）和一步蹬轉(zhuǎn)起跳（Revolve to Jump，RTJ）作為測試動作[10]（見圖2）。以上述3種步法規(guī)定為一組，要求受試者進(jìn)行3組×5次的步法動作，每完成一組動作后休息至體能恢復(fù)。實驗時，將壓力鞋墊平整地置于鞋內(nèi)，采集的數(shù)據(jù)通過無線接受器實時地傳送到PC中。受試者均右手持拍，穿著同一型號的羽毛球鞋、襪，并選用羽毛球運動中最常見的木地板作為運動場地。

圖2 羽毛球蹬跨步（左）和一步蹬轉(zhuǎn)起跳動作（右）示意圖Figure 2 Badminton front-court lunge steps（left）and revolve to jump（right）

1.2.3 數(shù)據(jù)處理分析 數(shù)據(jù)采集與分析采用配套軟件Medilogic 3．0完成。本研究在BONTRAGER[11]等人有關(guān)鞋墊區(qū)域設(shè)置的基礎(chǔ)上，針對動作特點和壓力鞋墊自身的構(gòu)造特征，把足底劃分為足前區(qū)（Forefoot）、足中區(qū)（Mid－foot）、足跟區(qū)（Heel）以及內(nèi)外兩側(cè)（Medial&Lateral）共5個區(qū)域進(jìn)行足底壓強(qiáng)特征值和曲線的分析（見圖1）。

1.2.4 主要觀察指標(biāo) 根據(jù)羽毛球步法動作的特點，我們將左前場蹬跨步、右前場蹬跨步和一步蹬轉(zhuǎn)起跳3種步法劃分為后腳起蹬（TO）和前腳著地（TD）2個階段分別進(jìn)行分析。主要參數(shù)：（1）足底平均最大壓強(qiáng)、最大壓強(qiáng)轉(zhuǎn)變量；（2）各區(qū)域最大壓強(qiáng)分布、壓強(qiáng)－時間變化曲線；（3）壓心（center of pressure，簡稱COP）軌跡。

1.3 統(tǒng)計學(xué)分析

2 結(jié) 果

2.1 各步法足底最大壓強(qiáng)比較

經(jīng)過體重標(biāo)準(zhǔn)化后足底平均最大壓強(qiáng)（MMP）見表1，其中轉(zhuǎn)變量（transferred）表示各步法從后腳起蹬（TO）轉(zhuǎn)變?yōu)榍澳_著地（TD）過程中，最大壓強(qiáng)改變的百分比，即Transferred＝（MPPTD－MPPTO）/MPPTO×100%

表1 3種步法經(jīng)過體重標(biāo)準(zhǔn)化后足底平均最大壓強(qiáng)比較（N/kg×cm2）Table 1 The plantar average maximum pressure of three technical movements after weight standardized（N/kg×cm2）

表2 各步法足底平均最大壓強(qiáng)相關(guān)性比較Table 2 Correlative comparison of each technical movement plantar average maximum pressure

LFLS和RFLS在TO、TD和PT方面的值都很接近，說明兩者在最大壓力的特征表現(xiàn)方面相似，這是由步法的技術(shù)特點決定的。相反，RTJ時TO和TD的值顯著大于其他兩者（P＜0．05；P＜0．01）。同時，LFLS 和 RFLS時 PT 值為負(fù)，而在 RTJ時 PT 值則為正（+16．90%）。

LFLS和RFLS并沒有表現(xiàn)出顯著相關(guān)，相反，RTJ則表現(xiàn)出2階段之間存在顯著相關(guān)，且為正相關(guān)。換句話說，羽毛球運動員在做一步蹬轉(zhuǎn)起跳時，其蹬地的平均壓力越大，著地瞬間所表現(xiàn)的力也會越大（見表2）。

2.2 各步法足底壓力分布特征比較

2.2.1 起蹬（TO）階段 在足部支撐的末期，無論哪一種步法的足前區(qū)都會出現(xiàn)一個明顯的峰值。在整個TO階段，LFLS和RFLS在足底各個區(qū)域的最大壓強(qiáng)都很接近，無顯著差異，兩者的足前區(qū)和內(nèi)側(cè)區(qū)值均大于足中區(qū)、足跟區(qū)和外側(cè)區(qū)；RTJ時，各個區(qū)域最大壓強(qiáng)相比前兩種動作均表現(xiàn)出較大差異，但同時足前區(qū)和內(nèi)側(cè)區(qū)也如前兩種動作一樣，其值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于足中區(qū)、足跟區(qū)和外側(cè)區(qū)（見表3）。

通過足底最大壓力示意圖發(fā)現(xiàn)（見圖3），在整個TO階段，足前區(qū)的內(nèi)側(cè)跖骨區(qū)、拇趾和第1、2跖骨區(qū)無論是平均壓力還是最大壓力均顯著高于足部的其他部位。其中，第1跖骨頭是足部出現(xiàn)瞬時和平均壓力峰值的部位，最大能超過64 N/cm2。相比之下，雖然RTJ的整體平均壓力分布與前兩者有所相似，但從分布范圍來看，足弓以及足跟部位壓力相對更廣，足前區(qū)的平均壓力相對趨于平衡。

2.2.2 著地（TD）階段 TD階段，LFLS和RFLS在足底各個區(qū)域的MMP值都很接近，無顯著差異，兩者的足跟區(qū)值顯著大于足底其它區(qū)域，分別達(dá)到了 0．115 N/kg×cm2和 0．120 N/kg×cm2（見表3）。根據(jù)觸地階段足底壓力與時間曲線以及實時壓力的變化可知，TD瞬間，運動員是靠腳跟外側(cè)進(jìn)行著地，之后壓力從足中部過度到足前部（見圖4）。結(jié)合壓心（COP）的軌跡得出：從運動員腳跟著地瞬間開始，COP的變化是從足跟區(qū)的中外側(cè)通過足中區(qū)的外側(cè)（見圖5）逐漸向足前區(qū)過渡，也就是說在TD階段，高水平羽毛球運動員會把足底壓力集中于腳后跟和足外側(cè)進(jìn)行緩沖制動。

表3 三種步法經(jīng)過體重標(biāo)準(zhǔn)化后足底各區(qū)域最大壓強(qiáng)比較（N/kg×cm2）Table 3 Plantar average maximum pressure of different plantar divisions in three technicalmovements after weight standardized（N/kg×cm2）

圖3 蹬跨步和一步蹬轉(zhuǎn)起跳時蹬地階段足底最大壓力示意圖Figure 3 Peak plantar pressures of front-court lunge steps and revolve to jump during toe-off

圖4 蹬跨步著地階段足底各區(qū)域壓力-時間曲線以及實時壓力變化圖Figure4 Different plant ardivisions pressure-time curve off ront-court lungesteps durin gtouch downan dreal-time pressure graph

RTJ時，除足跟區(qū)外，足底各個區(qū)域的MMP值相比LFLS和RFLS均表現(xiàn)出非常顯著的差異（P＜0．05），同時足前區(qū)、足跟區(qū)和內(nèi)側(cè)區(qū)的值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于足中區(qū)和外側(cè)區(qū)（見表3）。由于騰空時身體只受到重力作用，此時特殊的足部解剖學(xué)位置決定運動員下落著地時的足底壓力特征：TD瞬間足前區(qū)先接觸地面同時壓力由足內(nèi)側(cè)向足跟區(qū)進(jìn)行過渡（見圖6上）。其中，接觸瞬間足前區(qū)的壓力分布主要還是集中于拇趾以及第1、2跖骨頭，且仍以第1跖骨頭為最主要區(qū)域（見圖6下）。

圖5 蹬跨步時著地階段壓力中心位置變化Figure 5 Position change of center of pressure in front-court lunge steps during touchdown

圖6 一步蹬轉(zhuǎn)起跳著地階段足底各區(qū)域壓力-時間曲線以及實時壓力變化圖Figure 6 Different plantar divisions pressure-time curve of revolve to jump during touchdown and real-time pressure graph

3 討 論

作為我國優(yōu)勢競技體育及傳統(tǒng)健身項目的羽毛球，融合了運動中諸多急停、急起、側(cè)向急轉(zhuǎn)等一系列動態(tài)步法。步法動作作為羽毛球運動之母，均源自走、跑、跳、轉(zhuǎn)等基本的移動性動作[12]，而足底壓力技術(shù)在這些基本動作領(lǐng)域的應(yīng)用早已十分成熟。早在20世紀(jì)70年代，GRUNDY等在對人體行走時足底壓力的研究中就指出：人體在裸足狀態(tài)下正常行走時，前腳掌的負(fù)重與足跟相比并沒有什么明顯的變化，但前腳掌的負(fù)重時間卻比足跟長[13]。之后，HENNING等對于跑速在3．3 m/s下的足底壓力分布進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：隨著前腳掌內(nèi)側(cè)負(fù)重的增加，腳后跟外側(cè)也開始出現(xiàn)壓力值；在著地階段，足底壓力的分布主要集中于拇趾和第1跖骨區(qū)[14]。MARK[15]則對13名擊劍運動員的足底壓力指標(biāo)進(jìn)行測試，比較2種不同運動鞋對于常見擊劍步法的差異，為擊劍專用鞋的研制提供理論依據(jù)。

本研究發(fā)現(xiàn)：蹬地和著地階段，左前場蹬跨步、右前場蹬跨步的平均最大壓力值、壓力變化以及平均壓力分布均無顯著差異；相比較而言，一步蹬轉(zhuǎn)起跳步法，無論是平均最大壓力值還是壓力變化都明顯大于前兩者。且離地和著地前后2個階段的平均最大壓力值存在顯著的正相關(guān)，換句話說，羽毛球運動員在做一步蹬轉(zhuǎn)起跳時，其蹬地的平均壓力越大，著地瞬間所表現(xiàn)的力也會越大，并從另一個角度支持由于騰空前要求踝關(guān)節(jié)充分蹬地[16]從而導(dǎo)致著地?fù)p傷的幾率增大。

根據(jù)足底壓力的分布特征，3種步法在離地階段，足前區(qū)的內(nèi)側(cè)跖骨區(qū)以及拇趾和第1、2跖骨區(qū)無論是平均壓力還是最大壓力均高于足部的其他部位，足尖對于羽毛球運動員步法運動的重要性不言而喻[17]，因此在設(shè)計專業(yè)羽毛球運動鞋時，可以著重考慮加強(qiáng)對于足前區(qū)，特別是第1跖骨范圍內(nèi)足底耐磨性的設(shè)計，以此延長運動鞋的壽命。同時在著地階段，左前場蹬跨步和右前場蹬跨步無顯著差異，均是靠腳跟中部及外側(cè)進(jìn)行著地，從足跟區(qū)的中外側(cè)通過足中區(qū)的外側(cè)逐漸向足前區(qū)過渡，其中著地瞬間，足跟區(qū)平均最大壓力高于足部的其他部位。一步蹬轉(zhuǎn)起跳步法的整個著地過程則是由運動員的足前區(qū)先接觸地面，同時壓力由足外側(cè)向足跟區(qū)進(jìn)行過渡，其足前區(qū)平均最大壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于左前場蹬跨步和右前場蹬跨步，接觸瞬間足前區(qū)的壓力分布主要還是集中于拇趾以及第1、2跖骨區(qū)，且仍以第1跖骨區(qū)為最主要區(qū)域。由此可以推斷，羽毛球運動中踝關(guān)節(jié)在著地瞬間較易受傷的原因除了落地時本身足部內(nèi)翻的解剖位置之外，足部受力的不均衡也是踝關(guān)節(jié)扭傷的重要原因之一[18]。因此，在羽毛球鞋的設(shè)計中，應(yīng)重點加強(qiáng)對于踝關(guān)節(jié)的保護(hù)，并在運動員騰空的過程中，盡量減少過度內(nèi)翻情況的發(fā)生，同時盡可能地合理分布著地時的壓力區(qū)域，減小局部壓力峰值。

4 結(jié) 論

3種步法在離地時，足前區(qū)的內(nèi)側(cè)跖骨區(qū)以及大拇趾和第1、2跖骨區(qū)的最大壓力均高于其他部位；著地時，蹬跨步把足底壓力集中于腳后跟和足外側(cè)進(jìn)行緩沖制動，蹬轉(zhuǎn)起跳步則把壓力集中于大拇趾及第1、2跖骨區(qū)。因此，羽毛球運動員應(yīng)注意在采用不同步法時足前區(qū)和足跟區(qū)中部及足外側(cè)的負(fù)荷變化，并盡可能地選擇穿著能夠分散上述區(qū)域壓力的專項鞋來避免足部受力的過度集中。

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