鞭腿擊打不同類型目標時支撐腿踝關節(jié)運動危險性的生物力學分析

蘇健蛟　李大龍

摘 要：為預防鞭腿技術因擊打不規(guī)范而造成支撐腿踝關節(jié)的運動損傷，運用VICON System 3D運動捕捉系統(tǒng)與Polygon分析軟件，對鞭腿擊打三種不同類型目標研究表明：支撐腿接觸地面瞬間踝關節(jié)內(nèi)旋角度；擊打瞬間內(nèi)旋角速度；回旋力矩均存在顯著性差異（P<005）。擊打腳靶時身體重心過于靠前，踝關節(jié)角度呈背屈、內(nèi)翻和外旋運動；踝關節(jié)快速外旋運動時與地面反作用力結合形成對踝關節(jié)運動的阻力；擊打沙包瞬間踝關節(jié)角度過度內(nèi)翻和外旋運動以及踝關節(jié)內(nèi)翻外翻、內(nèi)旋外旋力矩的變化等都是支撐腿踝關節(jié)運動損傷的危險因素。

關鍵詞：鞭腿；目標；踝關節(jié)；損傷；危險因素

中圖分類號：G852.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-2076（2015）05-0062-06

Abstract：To prevent the potential injury to ankle joint by whip kicking in Sanda，the authors studied the whip kicking effect on 3 types of targets with VICON System 3D motion collection system and Polygon analysis software.Results reveal that there are significant differences between the instantaneous internal rotation angle of ankle joint of the supporting legs in contact with the ground，rotating inner corner speed at the striking moment，gyro moment，the ground reaction force of the X axis and Z axis （P<.05）.The risk factors of the active injury of the supporting leg's joint include the shifting forward of the body weight，the dorsiflexion，inversion and rotary motion of the ankle joint，the formation of the resistance force for the ankle joint as a result of the combination of the fast rotary motion of ankle joint and ground reaction force，the over pronation and supination movements of the ankle joint at the instant of hitting sandbags，ankle varus valgus rotation，internal rotation and external torque change.

Key words： whip leg；target；ankle joint；injury；risk factor

隨著武術項目國際化進程的推進，武術散打快速蓬勃發(fā)展，各類賽事的成功舉辦[1]，武術散打這項運動在世界各國也得到了很好的認可，關注和習練的人們也越來越多。在國際化過程中如何規(guī)范、健康、科學地發(fā)展已成為我們現(xiàn)在面臨的重要課題。由于在各類武術散打比賽中，腿法技術已成為主要的得分手段，對比賽的勝負起到關鍵性的作用[2]。鞭腿動作是一項使用率較高的技術[3-4]，頻繁地使用損傷現(xiàn)象也時常發(fā)生，損傷部位中踝關節(jié)成為主要損傷的部位[1]，踝關節(jié)也是運動中最容易受傷的關節(jié)[5]。Mack[6]對踝關節(jié)損傷的研究中占跑、跳運動項目占總受傷人數(shù)的25%，Garrick[7]、Michelle[8]、Robert[9]、金泰烷[10]、黃強、陶江、程捍東、梅林琦[11]等對踝關節(jié)損傷的類型和原因進行分析。踝關節(jié)的損傷為習練者的精神和肉體帶來了極大的痛苦，嚴重者甚至結束運動生命。目前，運動損傷[12]已成為影響武術散打國際化快速發(fā)展的主要因素。如何把運動損傷減少到最小化，使該項目快速、健康的發(fā)展是我們當前所面臨的一個重要的現(xiàn)實問題。通過國內(nèi)、外圖書館及相關網(wǎng)站查閱大量書籍和論文，參照散打運動損傷類型及鞭腿技術動作形態(tài)分析等研究的基礎上，在運動生物力學實驗室[13]運用VICON System 3D運動捕捉系統(tǒng)與Polygon分析軟件，結合踝關節(jié)的運動特征及散打鞭腿技術動作的運用特點，對其因擊打不同類型目標，支撐腿踝關節(jié)角度的趾屈背屈、外翻內(nèi)翻、內(nèi)旋外旋的方向變化；踝關節(jié)各項力矩的大小變化對踝關節(jié)運動的影響以及對支撐腿踝關節(jié)可能造成運動損傷的主要危險因素進行分析。為武術散打運動更加合理化、規(guī)范化、科學化、國際化的發(fā)展；為鞭腿技術動作因擊打不規(guī)范對支撐腿踝關節(jié)造成運動損傷的預防，為教練員及習練者提供更加客觀的實驗數(shù)據(jù)作為參考依據(jù)。

研究對象 本研究對象（散打國際健將8人、國家健將2人）人體測量特征均值（M±SD）如下（表1）。

表1 本研究受試者身體基本特征（M±SD）一覽表

1.2 測定儀器與設備

1.2.1 三維運動捕捉系統(tǒng) 英國VICON Motion System公司生產(chǎn)的VICON System 3D紅外高速運動捕捉系統(tǒng)。包括10個T40 s型號的攝像頭（400萬像素），直徑14 mm的Marker球39個。本實驗采樣頻率設置為400 Hz。

1.2.2 三維測力臺 美國AMTI公司研制的三維測力臺系統(tǒng)，包括BP400600（長600 mm寬400 mm高82.5 mm）2塊，BP400900（長900 mm寬400 mm高82.5 mm）1塊，本實驗采樣頻率設置為1000Hz。

1.2.3 信號采集軟件及建模 運動學、動力學數(shù)據(jù)主要通過Vicon Nexus 2.0進行信號采集和前期處理。該系統(tǒng)同步采集人體三維運動學和動力學的原始信號，并對采集完成的體表Marker點命名，去除噪訊、刪補軌跡等進行處理。輸入測量的身高、體重以及各關節(jié)厚度和肢體長度值后建立人體3D模型。

1.2.4 其他實驗用品 包括固定Marker的散打腳靶和沙包、受試者實驗服裝、試驗用的卡尺、剪刀、膠帶、酒精等。

1.3 Marker 球粘貼部位、坐標及建模

人體39個坐標點及表面粘貼Marker 球的具體部位，輸入測量身體基本特征數(shù)值后建立的人體3D模型（圖 1）。

圖1 Marker 粘貼部位及人體3D模型1.4 實驗方法

實驗開始前打開Vicon、測力臺等實驗儀器和設備進行預熱和標定，讓受試者填寫實驗知情同意書，15分鐘熱身后到實驗室更換服裝并告知受試者實驗流程和注意事項、測量身體基本特征及粘貼Marker球（39個），讓受試者練習和熟悉實驗動作。根據(jù)受試者最常用后鞭腿的擊打距離（1.8±0.1 m）和高度（1.1±0.1 m），統(tǒng)一設定三種類型目標的距離、高度和方向后，讓受試者運用后鞭腿技術分別快速擊打Marker球（空擊動作）、腳靶和沙包，每次擊打動作完成后，研究者和受試者共同商議該動作質(zhì)量，受試者感覺達到平時訓練的最佳技術動作為標準。每種類型選定5次（每人共15次）達到標準的技術動作為本研究實驗標本動作。

1.5 時刻（Event）和 階段（Phase）

圖2 Event 和 Phase1.5.1 時刻（Event）

準備（E1）：支撐腳觸及測力臺的峰值地反力瞬間。

擊打（E2）：作用腿接觸目標物的瞬間。

伸展（E3）：作用腿擊打后膝關節(jié)最大伸展的瞬間。

1.5.2 階段（Phase）

擊打階段（P1）：準備開始到接觸目標物瞬間結束（E1→E2）。

伸展階段（P2）：接觸目標物瞬間開始到伸展結束（E2→E3）。

時刻設定依據(jù)VICON Nexus2.0信號采集后，觀察支撐腳觸及測力臺的峰值地反力、目標物上的Marker 球出現(xiàn)移動、膝關節(jié)最大伸展等不同階段發(fā)生變化的瞬間而設定，階段根據(jù)鞭腿技術動作特點及依據(jù)設定的不同時刻而劃分。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用英國VICON公司研發(fā)的Polygon3.5.1分析軟件，對踝關節(jié)的角度、角速度以及關節(jié)力矩進行計算。定義踝關節(jié)背屈、內(nèi)翻、內(nèi)旋為正（+），趾屈、外翻、外旋為負（-）。關節(jié)力矩主要依據(jù)逆向動力學（inverse dynamics）計算，即根據(jù)所采集的運動學及地面反作用力的數(shù)據(jù)，推算支撐腿踝關節(jié)的各項力距。所得出的各項力距全部除去自身體重進行標準化轉(zhuǎn)換。

1.7 統(tǒng)計學處理

對10名受試者所提取的各項數(shù)據(jù)運用Microsoft Excel進行平均處理后，采用IBM SPSS Statistics19.0對各項平均數(shù)據(jù)進行One-way RM ANOVA方法驗證，顯示結果以RM ANOVA和Compare表示，顯著性水平定義為0.05[14]。

2 實驗結果

2.1 踝關節(jié)角度分析

武術散打鞭腿擊打不同類型目標時，支撐腿（左腿）踝關節(jié)（Event）的跖屈背屈、內(nèi)翻外翻、回旋角度的大小均值（Mean±SD），以及三種擊打類型（Event）角度的One-way RM ANOVA結果如表2、表3。

由表2可見，鞭腿擊打不同類型目標時，支撐腿踝關節(jié)的背屈跖屈角度、外翻內(nèi)翻角度、回旋角度的模式在擊打目標物前后基本類似，大小存在差異。準備姿勢（E1）空擊動作時支撐腿踝關節(jié)背屈1.12±6.85°、擊打腳靶和沙包分別背屈為3.01±4.83°和背屈1.15±5.14°，擊打瞬間（E2）到擊打后伸展階段（E3）空擊動作背屈角度均為最大為16.52±10.97°、17.05±12.33°，擊打沙包時背屈角度均較小為12.60±8.74°、12.82±7.90°；踝關節(jié)內(nèi)外翻角度時，準備姿勢（E1）空擊動作內(nèi)翻幅度最小為6.02±2.56°，擊打腳靶和擊打沙包內(nèi)翻角度相對較大分別為6.97±2.94°和767±3.70°，（P=0002）type1和type2，type1和type3存在顯著性差異；在擊打瞬間到擊打后伸展瞬間，空擊動作踝關節(jié)內(nèi)翻角度在3.19°～3.60°之間，擊打腳靶在3.42°～4.55°之間，擊打沙包在3.39°～3.66°之間，（P>0.05）從統(tǒng)計學上講各擊打類型之間不存在顯著性差異；空擊動作準備階段踝關節(jié)回旋角度（E1）為外旋28.45±14.26°為最小，（P=0001）type1和type2，type1和type3之間存在顯著性差異；擊打階段三種類型在外旋16.07°～18.28°之間，擊打后伸展階段擊打腳靶動作外旋幅度最大為22.84±11.73°，（P=0.017）type1和type2，type2和type3存在顯著性差異。空擊動作踝關節(jié)P1階段呈背屈、內(nèi)翻、外旋運動，擊打后P2階段呈背屈、略微內(nèi)翻和內(nèi)旋狀態(tài)運動。擊打腳靶動作時踝關節(jié)P1階段呈背屈、內(nèi)翻、外旋運動，擊打后P2階段呈背屈、內(nèi)翻、外旋狀態(tài)運動。擊打沙包時踝關節(jié)P1階段呈背屈、內(nèi)翻、外旋運動，擊打后P2階段呈背屈、內(nèi)翻、外旋狀態(tài)運動。

表2 支撐腿踝關節(jié)Event角度均值（Mean±SD）

degree

表3 踝關節(jié)Phase角度的One-way RM ANOVA結果

2.2 踝關節(jié)角速度分析

武術散打鞭腿擊打不同類型目標時，支撐腿（左腿）踝關節(jié)時刻（Event）的跖屈背屈、內(nèi)翻外翻、回旋角速度的大小均值（Mean±SD），以及時刻（Event）角速度的One-way RM ANOVA結果如表4、表5。

從表4來看，鞭腿擊打不同類型目標時，支撐腿踝關節(jié)的背屈跖屈角速度的模式和大小基本類似，擊打目標物瞬間到擊打后伸展瞬間，擊打沙包時踝關節(jié)回

表4 支撐腿踝關節(jié)Event角速度均值（Mean±SD）

degree/s

表5 踝關節(jié)Phase角速度的One-way RM ANOVA結果

旋角速度與空擊動作、擊打腳靶動作之間出現(xiàn)差異。三種擊打類型支撐腿接觸地面瞬間（E1）踝關節(jié)角速度背屈為276.85～307.85 deg/s之間，三種擊打類型擊打瞬間角速度減慢為14.50～61.47 deg/s之間，擊打后過伸展瞬間三種擊打類型均出現(xiàn)趾屈現(xiàn)象，趾屈角速度為3.24～24.00 deg/s；趾屈背屈時三種擊打類型（P>.05）均不存在顯著性差異?；匦撬俣热N擊打類型均出現(xiàn)方向上的變化，準備瞬間（E1）空擊動作角速度外旋14.85±28.83 deg/s相對較慢，擊打腳靶和沙包時角速度外旋為48.84±22.54 deg/s和5236±25.25 deg/s明顯較快。擊打瞬間空擊動作角速度繼續(xù)加速外旋為45.37±21.15 deg/s，擊打腳靶瞬間角速度外旋減慢為29.98±29.15 deg/s，而擊打沙包時角速度運動方向發(fā)生變化，由外旋變?yōu)閮?nèi)旋2926±14.39 deg/s，（P=.011）type1：type3，type2：type3之間都存在顯著性差異；擊打后伸展瞬間（E3）空擊動作角速度減慢為外旋18.99±33.09 deg/s，擊打腳靶后伸展瞬間角速度加快為外旋88.80±17.67 deg/s，擊打沙包后伸展瞬間角速度再次變向呈外旋86.16±23.74 deg/s，從統(tǒng)計學上看（P>005）均不存在顯著性差異?？論魟幼鱌1階段踝關節(jié)角速度呈背屈、外旋方向運動，擊打后P2階段角速度呈跖屈、外旋方向運動；擊打腳靶前P1階段角速度呈背屈、外旋方向運動，擊打后P2階段角速度呈跖屈、外旋方向運動；擊打沙包前P1階段角速度呈背屈、內(nèi)旋方向運動，擊打后P2階段角速度呈跖屈、外旋方向運動。

2.3 踝關節(jié)力矩分析

武術散打鞭腿擊打不同類型目標時，支撐腿（左腿）踝關節(jié)的跖屈背屈、內(nèi)翻外翻、內(nèi)旋外旋力矩的大小均值（Mean±SD），以及擊打瞬間踝關節(jié)最大力矩的One-way RM ANOVA結果如表6、表7。

表6 三種擊打類型踝關節(jié)最大力矩均值（Mean±SD）

Nm/kg

表7 踝關節(jié)最大力矩的One-way RM ANOVA結果

鞭腿擊打不同類型目標時，支撐腿踝關節(jié)最大力矩從表6來看，三種擊打類型之間踝關節(jié)的背屈力矩、內(nèi)翻外翻、內(nèi)旋外旋力矩的模式類似、大小各不相同。背屈力矩值空擊動作相對較小為131±011 Nm/kg，擊打腳靶和沙包相對較大為155±014 Nm/kg和158±013 Nm/kg；內(nèi)翻力矩值空擊動作為007±003 Nm/kg，擊打腳靶和擊打沙包較大為012±004 Nm/kg和013±005 Nm/kg；外翻力矩值擊打腳靶時相對較小020±003 Nm/kg，空擊動作和擊打沙包相對較大為022±003 Nm/kg和022±003 Nm/kg，三種擊打類型在背屈力矩、內(nèi)翻力矩、外翻力矩值中（P>005）均不存在顯著性差異；踝關節(jié)內(nèi)旋力矩值中空擊動作最大為030±004 Nm/kg，擊打沙包最小為015±003 Nm/kg，三種擊打類型從統(tǒng)計學上看（P=0005）type1：type3和type2：type3之間都存在顯著性差異；踝關節(jié)的外旋力矩空擊動作最小為014±005 Nm/kg，擊打腳靶和沙包相對較大為027±003 Nm/kg和032±004 Nm/kg，三種擊打類型從統(tǒng)計學上看（P=0003）type1與type2、type1與type3之間都存在顯著性差異。

3 討論

本研究目的在于探求武術散打鞭腿擊打不同類型目標時，所設定的三個時刻踝關節(jié)角度、角速度、最大力矩等三種擊打類型之間的變化差異，三種類型之間某一階段的角度、角速度和力矩等運動學和動力學各項參數(shù)的變化，對支撐腿踝關節(jié)可能造成運動傷害的危險因素進行分析，本研究的危險因素依據(jù)《實用運動醫(yī)學》[15]在運動中可能造成“輕度傷”及以上為標準的危險性動作，本文暫不對傷害等級和傷害類型進行研究。

研究表明，由于鞭腿技術采用“鞭打原理”，在運動過程中以軀干和支撐腿為鞭桿、作用腿為鞭身、腳背的擊打點為鞭稍的鞭打運動，所以鞭腿在擊打不同類型目標時支撐腿的運動軌跡存在差異。在準備瞬間支撐腿踝關節(jié)均出現(xiàn)背屈、內(nèi)翻、外旋運動；擊打瞬間三種擊打類型呈背屈、外翻和外旋運動現(xiàn)象；伸展瞬間三種擊打類型踝關節(jié)呈背屈、略內(nèi)翻和外旋運動。三種擊打類型三個瞬間支撐腿踝關節(jié)與正常人步行支撐腿著地時踝關節(jié)背屈2.13±1.42，離地時趾屈3.23±106；著地時外翻0.80±1.39，離地時內(nèi)翻1.64±094；著地時外旋15.67±8.95，離地時內(nèi)旋16.63±9.50相比較[16]，三種擊打類在擊打瞬間和擊打后伸展階段均出現(xiàn)過度的背屈、內(nèi)翻、外旋現(xiàn)象。三個瞬間兩個階段空擊動作踝關節(jié)的背屈角度最大，擊打沙包動作背屈角度變化相對較小，支撐腿踝關節(jié)背屈角度的變化與作用腿擊打目標物后，動作運動方向和動作幅度有著直接的關系，由于擊打沙包時在擊打瞬間受到沙包的阻力，作用腿運動方向發(fā)生改變，支撐腿踝關節(jié)運動方向也隨著改變，而空擊動作擊打過程中作用腿未受到阻力一直向前運動，運動幅度和動作距離都相對較大，所以形成了空擊動作支撐腿踝踝關節(jié)的背屈角度較大。而三種擊打類型在準備瞬間均出現(xiàn)較大的內(nèi)翻、外旋現(xiàn)象，尤其是擊打沙包外旋角度最大，擊打瞬間到擊打后伸展瞬間內(nèi)翻角度減滿由外旋角度逐漸加大運動變化，隨著身體重心的旋轉(zhuǎn)支撐腳的運動變化，支撐腿踝關節(jié)內(nèi)翻、外旋角度減小，但是擊打后伸展階段再次出現(xiàn)略微外旋現(xiàn)象，擊打腳靶動作外旋角度相對較大。

三種擊打類型準備瞬間支撐腿踝關節(jié)角速度呈背屈、外旋狀態(tài)，擊打沙包背屈角速度相對較慢、擊打腳靶動作背屈角速度相對較快；外旋角速度空擊動作較慢，擊打腳靶和擊打沙包最快。由于三種擊打類型不同，空擊動作和擊打腳靶、擊打沙包時出現(xiàn)外旋角速度存在較大的差異，為保證鞭腿擊打物體時身體重心的穩(wěn)定，支撐腳底部位與地面接觸產(chǎn)生摩擦減緩腳部移動速度，作用腿技術動作速度加快帶動身體重心快速向前移動，支撐腿的踝關節(jié)上下運動出現(xiàn)相反方向而造成踝關節(jié)角速度加大，在擊打瞬間三種類型背屈角速度減慢，外旋角速度空擊動作相對較快，擊打沙包時角速度出現(xiàn)內(nèi)旋現(xiàn)象。由于擊打瞬間空擊動作未受到目標物的阻力技術動作一直向前運動，支撐腿踝關節(jié)角速度處于外旋加速狀態(tài)；擊打腳靶瞬間鞭腿受到腳靶的阻力減緩了作用腿運動速度，支撐腿踝關節(jié)的外旋角速度也隨之減緩；而擊打沙包瞬間作用腿受到目標物的阻力不能繼續(xù)向前移動，由于身體的慣性支撐上部在擊打瞬間繼續(xù)外旋運動，而踝關節(jié)的下部受到地面的摩擦停止瞬間，也就出現(xiàn)踝關節(jié)角速度內(nèi)旋現(xiàn)象。在擊打后伸展階段三種擊打類型呈背屈和外旋現(xiàn)象，空擊動作背屈角速度最快，但是外旋角速度最慢?？論魟幼鲿r作用腿未受到目標物的阻力處于向前運動狀態(tài)，支撐腿踝關節(jié)隨著作用腿速度的變化，外旋角速度也隨之減緩。擊打腳靶和沙包后作用腿受到阻力作用腿運動速度減緩和方向改變，支撐腿為控制身體平衡調(diào)整身體重心的變化等踝關節(jié)角速度再次出現(xiàn)加速外旋現(xiàn)象。這也就出現(xiàn)了三種擊打類型在擊打瞬間和伸展瞬間出現(xiàn)的差異現(xiàn)象原因所在。

踝關節(jié)力矩測定主要依據(jù)逆向動力學計算[17]，即根據(jù)鞭腿運動時支撐腿踝關節(jié)在各時刻、各階段角度、角速度的變化以及地面反作用力的大小參數(shù)，計算出支撐腿踝關節(jié)的各項最大力距值。在支撐腿踝關節(jié)各項力矩中，三種擊打類型的背屈力矩均為最大在1.31～1.58 Nm/kg之間；內(nèi)翻力矩空擊動作時較小，而擊打沙包時較大；外翻力矩三種類型基本相似；空擊動作內(nèi)旋力矩最大、外旋力矩最小，擊打沙包時內(nèi)旋力矩最小、外旋力矩最大，兩種類型踝關節(jié)的最大力矩的運動方向相反。作用腿擊打三種類型目標物瞬間由于受到阻力大小的不同，造成身體重心的穩(wěn)定性、支撐腿運動軌跡以及地面反作用力大小存在差異，而所產(chǎn)生的各項關節(jié)力矩也存在差異，根據(jù)各項最大力矩值的大小變化情況，可以得出作用腿受到的阻力越大，支撐腿踝關節(jié)的各項力矩也越大。

4 結論與建議

4.1 結論

4.1.1 鞭腿擊打三種類型目標瞬間及擊打后伸展瞬間，支撐腿踝關節(jié)內(nèi)旋角度、回旋角速度、回旋力矩等存在顯著性差異。

4.1.2 鞭腿因擊打不同類型時受到目標物的阻力使動作速度減緩和改變運動軌跡，造成支撐腿踝關節(jié)角度反復出現(xiàn)內(nèi)外翻、內(nèi)外旋的運動現(xiàn)象以及擊打沙包瞬間角速度的快速回旋方向變化都是踝關節(jié)運動損傷的主要危險因素。

4.1.3 鞭腿擊打固定目標物時造成技術動作向前運動方向突然受阻，動作軌跡瞬間發(fā)生反方向運動，支撐腿突然受到作用腿反方向運動的變化，身體重心和支撐腿的踝關節(jié)運動方向也隨之變化，以及支撐腿受到地面反作用力產(chǎn)生的阻力，造成踝關節(jié)上下面運動方向相反、回旋力矩突然加大也成為踝關節(jié)運動損傷的主要危險因素。

4.2 建議

鞭腿擊打腳靶時，身體重心不要過于靠前，保持重心的平衡。減少踝關節(jié)背屈、外翻和內(nèi)旋的角度，減輕擊打瞬間的支撐腿觸地的力量，減小地面反作用力的阻力；鞭腿擊打沙包時，盡量避免支撐腿踝關節(jié)角度過度外翻、內(nèi)旋運動和踝關節(jié)力矩的外翻內(nèi)翻、外旋內(nèi)旋的反方向變化。

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