不同著地沖擊模式的下肢生物力學(xué)研究

張 燊，傅維杰，劉 宇

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不同著地沖擊模式的下肢生物力學(xué)研究

張 燊，傅維杰，劉 宇

目的：比較主動和被動兩種不同著地模式下，下肢運動學(xué)、沖擊力特征、軟組織振動和肌肉活化模式，以及全面理解人體下肢著地沖擊的神經(jīng)-肌骨系統(tǒng)調(diào)控機(jī)制。方法：選取12名體育教育專業(yè)籃球?qū)ｍ椖行赃\動員，受試者隨機(jī)進(jìn)行3種下落高度(30 cm、45 cm、60 cm)×兩種下落方式的測試，每組測試重復(fù)3次。主要選擇運動學(xué)、沖擊力、軟組織振動以及肌電圖學(xué)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析。結(jié)果：3種高度條件下的觸地瞬間和緩沖期，主動著地相比于被動著地，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度顯著減小(P<0.05)，角速度明顯增大(P<0.05)。3種高度條件下，主動著地的沖擊力峰值(P<0.05)、最大負(fù)載率(P<0.05)、沖擊力頻率(P<0.05)均顯著小于被動著地。股四頭肌(除60 cm)和腘繩肌在3種高度情況下，主動著地的加速度最大振幅均顯著小于被動著地(P<0.01)。股四頭肌和腘繩肌的軟組織阻尼在3種高度情況下，主動著地均顯著大于被動著地(P<0.05)。在觸地前激活、觸地后激活和緩沖階段，主動著地部分肌肉的肌電振幅均顯著大于被動著地(P<0.05)。結(jié)論：主動著地情況下，人體可以通過積極調(diào)整肌骨系統(tǒng)的落地策略，有效減少沖擊傳遞下的軟組織振動，進(jìn)而達(dá)到有效完成動作控制和降低運動損傷風(fēng)險的作用。相反，被動著地時，肌骨系統(tǒng)需要承受更大的沖擊力和相應(yīng)軟組織的振動，進(jìn)一步增加了沖擊損傷的危險。

沖擊力；軟組織振動；肌肉活化；著地

在跑、跳和落地的過程中，每一次與地面接觸，下肢都承受著2～7倍的沖擊力[11,12,18]。已有研究表明，下肢的損傷(如關(guān)節(jié)軟骨損傷、韌帶斷裂等[40])與著地時的沖擊力峰值和負(fù)載率息息相關(guān)[39]。雖然著地時人體能夠通過改

變運動學(xué)特征、調(diào)節(jié)落地的姿態(tài)和剛度情況[2,4]等下肢策略來針對沖擊負(fù)荷的作用進(jìn)行自主的神經(jīng)-肌肉-骨骼系統(tǒng)的反應(yīng)，但在一些情況下，如下落高度[31]、著地情況判斷[32]和運動鞋/表面[16]的影響導(dǎo)致了上述肌骨系統(tǒng)反饋的改變，亦會增加下肢損傷的風(fēng)險[40]。

現(xiàn)階段的研究把地面反作用力作為輸入人體并引起軟組織振動的信號，而人體的肌肉活動模式對地面反作用力的輸入則會做出相應(yīng)反饋[34]。Wakeling等[34]通過讓受試者穿著不同材料的運動鞋來改變沖擊力屬性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在后跟受沖擊前、后的50 ms內(nèi)，下肢相應(yīng)肌肉激活的時頻域模式發(fā)生了明顯的改變。人體軟組織作為活性材料具備一定的頻率特征，能根據(jù)肌肉本身的收縮與否、緊張與放松，來改變時頻率屬性。為了更好的解釋著地沖擊的效果，近年來有學(xué)者提出“肌肉調(diào)諧(muscle tuning)”的概念，即機(jī)體通過肌肉適應(yīng)(muscle adaptation)可以改變軟組織的機(jī)械特性從而使軟組織的振動最小化[26]。

在準(zhǔn)備著地和著地過程中，下肢肌肉需執(zhí)行諸多任務(wù)，如觸地前的肌肉激活和肌肉張力積累[29]、控制骨骼位置/關(guān)節(jié)剛度/軟組織振動、維持觸地時的穩(wěn)定和向前推進(jìn)身體運動[28]。然而，著地沖擊導(dǎo)致的運動損傷往往發(fā)生在不可預(yù)料的情況下，F(xiàn)robell等人[17]在研究中指出，著地模式的改變會增加患膝骨關(guān)節(jié)炎的風(fēng)險。也有研究指出，前交叉韌帶(ACL)損傷往往發(fā)生在使身體減速和改變運動方向的著地時段[7,22]。考慮到運動訓(xùn)練中的跳深(drop jump)作為一種拉伸-縮短的肌肉活動模式(stretch-shorting circle)的跳躍運動，是一種主動著地動作(active landing，AL)，并伴隨可預(yù)見性的運動控制。相反，對于不可預(yù)見性的、被動的著地動作(passive landing，PL)，下肢對動態(tài)運動姿勢的控制和沖擊/振動衰減的表現(xiàn)更具損傷危害性。因此，本研究通過對比不同動作模式(主動和被動)著地過程中，下肢運動學(xué)、沖擊力特征、軟組織振動和肌肉活化特性，以期全面理解人體下肢著地沖擊的神經(jīng)-肌骨系統(tǒng)調(diào)控機(jī)制。

1 方法

1.1 受試者

參考Ambegaonkar(2011)[5]實驗的受試者要求，選取12名體院體教專業(yè)籃球?qū)ｍ椖行宰鳛楸辉?年齡：24±3歲、身高：178±3 cm、體重：70±5 kg、運動年限：7±3年)。在實驗前所有實驗對象進(jìn)行問卷詢查，了解實驗步驟和目的且簽署協(xié)議書，右腿均為優(yōu)勢腿，且在實驗前半年下肢無任何損傷。

1.2 實驗儀器

本研究所采用的儀器如下：

翻板器：翻板可在高度范圍為20～65 cm內(nèi)進(jìn)行自由調(diào)整，升高的高度間隔最低為5 cm，翻板器后面相應(yīng)配有多個插孔，易于實驗人員手動操控翻板的水平面下翻。

運動學(xué)：Vicon三維紅外運動捕捉系統(tǒng)(圖1)，采樣頻率為120 Hz，配套的標(biāo)志點為直徑14 mm 的紅外反光球。

測力臺：瑞士奇石樂公司生產(chǎn)的Kistler三維測力臺2塊，型號9287B。

加速度信號：Biovision雙軸加速度傳感器，擁有20 g量程。

表面肌電儀：Biovision多通道表面肌電信號數(shù)據(jù)采集和處理儀。

上述測力臺、加速度計、肌電儀的采樣率均為1 200 Hz。

1.3 測試方法

1.3.1 實驗步驟

受試者熱身：受試者統(tǒng)一穿著無中底材料、緩沖差的市售普通鞋。在跑臺上進(jìn)行10 min，速度為8 km/h的慢跑熱身，然后進(jìn)行5 min的靜態(tài)拉伸活動，實驗人員講解測試動作并作示范。熱身完成后進(jìn)行相關(guān)儀器設(shè)備的固定工作。

Marker球、加速度計、肌電電極的安置：所用的28個紅外反光標(biāo)志球安放在骨盆及下肢的骨性標(biāo)志處，并在正式動作測試前采集靜態(tài)模型數(shù)據(jù)。

實驗采用2個加速度計分別固定于軟組織——股四頭肌(quad)和腘繩肌(hams)。安放加速度計時，加速度計的x軸垂直于皮膚表面，而y軸則與肌肉長軸平行。

按照實驗所測試的肌群為：腓腸肌外側(cè)(LG)、脛骨前肌(TA)、股直肌(RF)和股二頭肌(BF)。安置肌電電極前，先進(jìn)行備皮工作，剃除汗毛，砂紙打磨表皮，酒精擦拭之后，進(jìn)行肌電電極的固定工作。試驗場地布置如圖1。

1.3.2 測試動作要求

每位受試者需在同一天內(nèi)完成3種下落高度(30 cm、45 cm和60 cm)×兩種下落方式(主動著地和被動著地)的6組不同組合的隨機(jī)測試，每組測試重復(fù)3次。動作要求如下：

1.主動著地(AL)：受試者雙腳開立與肩同寬，站在翻板器平面上。待同步信號發(fā)出下落指令后，受試者沿下落平臺邊緣向下無垂直方向初速度下滑，著地后立即盡最大力向上垂直起跳[1]。

圖1 Vicon、測力臺空間位置和實驗儀器架設(shè)示意圖

2.被動著地(PL)：站立動作同上，要求受試者身體輕微前傾，防止下落著地后由于重心靠后導(dǎo)致整個身體后仰發(fā)生傾倒。當(dāng)受試者接到“預(yù)備”口令后，通過實驗人員操作翻板突然下翻，使受試者完成被動著地[1]。

1.4 評價參數(shù)

本研究對落地反跳動作的第一次主動著地(AL)過程和被動著地動作(PL)的落地過程進(jìn)行比較，將著地過程分為觸地瞬間和緩沖期，其中，髖關(guān)節(jié)中心下降到最低點定義為緩沖期完成。

1.4.1 運動學(xué)

運動學(xué)數(shù)據(jù)采用截止頻率為7 Hz的巴特沃斯二階雙向低通濾波，并通過V3D軟件中的模型數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。選取指標(biāo)包括剛觸地時髖、膝、踝關(guān)節(jié)的角度(θ0)以及3關(guān)節(jié)角速度(ω0)。緩沖期，下肢3關(guān)節(jié)最小角度(θmin)、下肢3關(guān)節(jié)最小角速度(ωmin)、3關(guān)節(jié)角度變化量(Δθ)、下肢垂直長度變化量(ΔL)和下肢剛度(kleg)。其中，下肢剛度表達(dá)式如下：Fzmax/ΔL，F(xiàn)zmax為垂直地面反作用力最大值。其中下肢關(guān)節(jié)角度定義如下(圖2)。

圖2 受試者著地時髖(θh)、膝(θk)、踝(θa)關(guān)節(jié)角度定義示意圖

1.4.2 沖擊力

對三維測力臺采集的地面反作用力數(shù)據(jù)進(jìn)行巴特沃斯二階雙向濾波，截止頻率為50 Hz。本研究選取垂直地面反作用力最大值(Fzmax)、Fzmax時刻(tF)、負(fù)載率最大值(Gz)、Gz時刻(tG)、沖擊力頻率(fGRF)和緩沖期作為沖擊力參數(shù)。

通過結(jié)合沖擊力峰值Fz和20%～80%沖擊階段的負(fù)載率平均值Gz,ave，確定輸入頻率。

1.4.3 軟組織振動

通過DASYLab 8.0和Origin 7.5對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。選取參數(shù)為股四頭肌(quad)及腘繩肌(hams)最大振幅出現(xiàn)時間(ta)、quad和hams加速度最大振幅(apeak)、quad和hams振動的主頻(fv)、quad和hams的阻尼(c)。

振動衰減模型表達(dá)式如下：s=ae-ctsin(2πfvt+Φ)。其中，s為加速度信號實測數(shù)據(jù)，a代表振幅，t代表信號時間，Φ代表相位差，fv表示軟組織的振動主頻，c即阻尼系數(shù)。

1.4.4 肌電圖學(xué)

利用DASYLab 8.0軟件的功能模塊對肌電圖信號進(jìn)行分析，使用四階巴特沃斯濾波器的Band-pass濾波，截止頻率為10～400 Hz。選取脛骨前肌(TA)、腓腸肌外側(cè)頭(LG)、股直肌(RF)和股二頭肌(BF)的觸地前激活階段(-50 ms，pre-activation)、觸地后激活階段(+50 ms，post-activation)和緩沖階段的肌電振幅(EMGRMS)。

1.5 統(tǒng)計學(xué)

采用雙因素(著地×高度)重復(fù)測量方差分析觀察兩種下落動作的運動學(xué)、沖擊力、軟組織振動和肌肉響應(yīng)情況。統(tǒng)計軟件為SPSS 19.0，其中顯著性水平α設(shè)為0.05。

2 結(jié)果

2.1 運動學(xué)參數(shù)

3個高度條件下落的觸地瞬間，AL相比于PL，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角顯著度減小，角速度明顯增大。緩沖期時，AL的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的最小角度更小(P<0.05)，3個高度條件下，AL的膝關(guān)節(jié)的最小角速度更大，而膝關(guān)節(jié)在30 cm和45 cm高度下最小角速度較大，呈現(xiàn)顯著性差異。同時，緩沖期，AL的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度變化量顯著大于PL，踝關(guān)節(jié)僅在30 cm的AL時明顯大于PL。同樣在DJ情況下的下肢垂直長度變化量也顯著增加。AL時下肢剛度均顯著小于PL(P<0 .05)。

表1 主動落地(AL)與被動落地(PL)在觸地瞬間下肢3關(guān)節(jié)角度(θ0)、角速度(ω0)和緩沖期下肢3關(guān)節(jié)最小角度(θmin)、最小角速度(ωmin)、3關(guān)節(jié)角度變化量(Δθ)、下肢垂直長度變化量(ΔL)和下肢剛度(kleg)比較一覽表

Table 1 The Different Between Activity Landing and Passive Landing During Instantaneous Moment of Touchdown (variables:the angle and angle velocity of low extremity joints) and cushion phase (variables:the minimum angle,angle velocity and angle change extent of low extremity joints,the vertical variation of lower extremity length and stiffness of lower extremity)

關(guān)節(jié)ALPL30cm45cm60cm30cm45cm60cmθ0(°)髖136.2±11.9*138.0±14.2*139.6±9.6*156.9±12.7157.9±14.2156.1±16.5膝155.3±6.8*155.1±4.4*154.6±5.1*164.9±3.8163.2±4.1161.4±4.9踝137.9±5.0140.6±4.6142.7±4.2136.0±6.0140.5±7.3143.0±5.3ω0(°/s)髖-180.5±66.5**-187.3±58.0**-182.8±55.4**-54.0±25.9-62.1±26.7-62.6±24.0膝-330.2±60.2**-373.0±58.3**-396.5±63.0**-151.6±56.4-240.6±67.2-252.7±81.6踝-370.5±38.2-424.1±65.4-462.7±77.3*-337.0±51.0-431.7±79.6-377.8±93.4θmin(°)髖106.1±8.7*103.1±7.5*101.3±8.8*146.3±9.6142.6±9.2134.0±7.6膝99.9±10.7*94.0±11.5*92.2±13.8*129.6±6.6117.9±10.8109.4±13.6踝96.5±4.9*92.6±4.292.5±4.3102.6±6.796.4±6.596.3±8.3ωmin(°/s)髖-266.4±89*-314.6±68*-372.9±85*-180.7±35-213.0±46-282.2±84膝-533.0±76*-587.6±66*-597.4±93-472.0±72-516.6±69-577.3±72踝-544.1±64-635.7±81-727.2±87-498.2±74-671.9±75-699.1±81Δθ(°)髖29.9±13.1*34.8±15.3*38.2±17.7*10.4±4.015.2±5.920.4±8.3膝55.3±12.1*61.0±11.4*62.3±14.5*35.2±5.845.2±8.752.3±12.3踝41.3±6.4*48.0±6.950.1±5.332.2±5.244.1±7.048.9±8.3ΔL(m)0.26±0.05*0.30±0.06*0.32±0.07*0.13±0.020.19±0.040.23±0.06kleg(BW/m)9.0±3.7**9.7±3.4*11.8±4.3*30.2±5.023.6±5.421.9±5.3

注：*代表相同高度下，與PL存在顯著性差異，P<0 .05，**P<0 .01。

圖3 45 cm高度 AL和PL時下肢3關(guān)節(jié)角度、角速度和下肢垂直長度變化圖(豎虛線代表緩沖完成)

2.2 沖擊力參數(shù)

3個高度情況下,AL的沖擊力峰值均顯著小于PL。在30 cm和45 cm高度條件下，AL的沖擊力峰值出現(xiàn)的時間較晚(P<0 .05)，且同等高度情況下，AL的負(fù)載率峰值出現(xiàn)的時間也較晚(P<0 .05)。在3個高度條件下AL的最大負(fù)載率均顯著小于PL，同時，AL的沖擊力頻率小于PL(P<0 .01)。

圖4 不同著地方式下沖擊力峰值及出現(xiàn)時間、最大負(fù)載率及沖擊力頻率比較示意圖

2.3 軟組織振動參數(shù)

DJ的股四頭肌和腘繩肌的軟組織最大振幅出現(xiàn)時間相比于PL沒有差異。股四頭肌在30 cm和45 cm高度情況下，DJ的加速度最大振幅顯著小于PL，而腘繩肌在3高度情況下，均小于PL。雖然不同落地方式對股四頭肌和腘繩肌的軟組織主頻沒有影響，但是，股四頭肌和腘繩肌的軟組織阻尼在3高度情況下，DJ均大于PL(P<0 .05)。

圖5 不同著地方式下軟組織振動加速度最大振幅、最大振幅出現(xiàn)時間、軟組織振動的主頻和軟組織阻尼比較示意圖

2.4 肌電圖學(xué)參數(shù)

肌電觸地前激活階段，AL的肌電振幅相比PL，除脛骨前肌(30 cm)，股直肌和股二頭肌(45 cm)沒有差異外，其余DJ的肌電振幅均明顯大于PL (P<0.05)。觸地后激活階段，AL的肌電振幅均顯著大于PL，除了45 cm的腓腸肌外側(cè)頭和股二頭肌的(45 cm 和60 cm)沒有明顯變化。緩沖階段，30 cm高度條件下，AL的肌電振幅均顯著大于PL。脛骨前肌和股二頭肌在45 cm高度條件下，AL相比PL沒有明顯增減，脛骨前肌在60 cm高度條件下，肌電振幅也沒有明顯變化。

圖6 不同著地方式下觸地前激活階段、觸地后激活階段和緩沖階段肌電振幅比較示意圖

Figure 6. Compare with the EMG Amplitude of Per-activation,Post-activation and Cushion Phase during AL and PL

3 分析與討論

本研究分別采用主動著地和被動著地兩種目標(biāo)動作，用以研究人體在著地過程中的運動學(xué)、動力學(xué)、以及軟組織振動和肌電的變化情況，理解不同著地沖擊模式下神經(jīng)-肌骨系統(tǒng)的應(yīng)對機(jī)制，為運動訓(xùn)練和沖擊損傷防護(hù)提供參考和理論支撐。

3.1 運動學(xué)特征

本研究的運動學(xué)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在觸地瞬間，AL的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的角度明顯小于PL，角速度顯著大于PL，下肢髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)表現(xiàn)出更大的屈曲動作。在緩沖期，主動落地情況下也表現(xiàn)出了3關(guān)節(jié)角度變化量、下肢垂直長度變化量更多，且表現(xiàn)出了更小的下肢剛度。

根據(jù)著地任務(wù)的模式和特征，AL為主動著地，其主要任務(wù)是在觸地瞬間通過主動屈膝屈髖進(jìn)行緩沖，從而降低下肢各關(guān)節(jié)受到的沖擊力。在此過程中，膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)相對應(yīng)肌肉的做功增加，即表現(xiàn)為吸收更多的能量。由于更大角度的屈膝屈髖，使得緩沖階段需運動更長的距離，使得起跳獲得更大的能量。Shultz[32]對落地反跳(drop jump,DJ)和主動著地(drop Landing,DL)進(jìn)行對比研究，從DJ落地時的結(jié)果也證實了如上觀點。并認(rèn)為，DJ吸收的能量可能是為隨后的起跳做準(zhǔn)備。本研究中PL屬于被動著地，在此過程中主要任務(wù)是通過調(diào)節(jié)身體姿勢，進(jìn)而維持姿勢穩(wěn)定性。由于人體姿勢控制的不足，可能無法像DJ時迅速主動的屈膝屈髖，因此表現(xiàn)為更小的屈曲角度和角速度。從運動控制角度出發(fā)，人們在被動運動的情況下感覺輸入信號會進(jìn)行重新組織，從而影響運動技能的表現(xiàn)[23]。Santello等人[29]對比研究睜眼AL和閉眼被動落地動作中發(fā)現(xiàn)，AL下肢3關(guān)節(jié)的最大轉(zhuǎn)動角度顯著大于閉眼落地。這與我們的發(fā)現(xiàn)也十分相似，即AL緩沖期3關(guān)節(jié)角度變化量明顯大于PL。人體在下落過程中通過視覺可以判斷下落高度和下落時間，為觸地后控制關(guān)節(jié)運動做準(zhǔn)備。而這種預(yù)判，來源于生活中重復(fù)的下落運動[29]。盡管這種重復(fù)的動作可以彌補(bǔ)被動觸地情況(如閉眼條件)下的控制，但是，本體感覺和前庭功能并不能完全替代視覺采集的信息，這也就使得在被動落地情況下，運動模式發(fā)生了重組(如關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度)。因此本實驗中由于受試者在被動著地時，感覺系統(tǒng)輸入信號的改變，包括部分反饋時間的缺失，使得下肢通過主動或被動地調(diào)整相應(yīng)的運動學(xué)來維持受沖擊后的穩(wěn)定。

另一方面，PL著地時較小的髖、膝關(guān)節(jié)屈曲角度和角速度，可以使得人體肌肉系統(tǒng)吸收的動能減少，但也因此增加了作用于身體其他組織的沖擊應(yīng)力[15]?？梢姡瑳_擊力的衰減和吸收，與運動學(xué)數(shù)據(jù)有很大的關(guān)系。這說明在主動著地時，人體有意識的調(diào)整下肢著地角度及下肢3關(guān)節(jié)的角度變化量，尤其是起主要作用的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，為了更好的緩沖因著地而產(chǎn)生并傳遞至人體的沖擊力。此外，AL組的下肢剛度明顯小于PL組。根據(jù)腿剛度的計算方法，其剛度大小與最大垂直力和小腿長度的垂直變化相關(guān)[25]。在上述結(jié)果中，AL時下肢垂直長度的變化明顯大于PL，且AL的沖擊力峰值也顯著小于PL，這種差異與上文提到的運動學(xué)的變化相類似。然而，下肢剛度的增加會導(dǎo)致負(fù)載率的增加，進(jìn)而會使下肢承受的沖擊更大，這些變量的增加會加大骨骼受損的風(fēng)險，如膝骨關(guān)節(jié)炎和骨裂等損傷[10]。

3.2 沖擊力特征

就沖擊力而言，其顯著性差異主要體現(xiàn)在所有高度情況下主動著地方式?jīng)_擊力峰值、最大負(fù)載率均發(fā)生明顯的衰減，并延遲了上述峰值出現(xiàn)的時間，且在所有高度情況下主動著地的沖擊力頻率也顯著小于被動著地。

對于人體而言，適當(dāng)大小的沖擊力刺激有利于提升骨的完整性以及骨密度[13]。但是，過高的沖擊力則會造成運動損傷。研究顯示，在起跳和落地時，人體通常需要承受3.5～7倍于自身體重的地面沖擊力[12]。如此之大的沖擊力，足以造成運動損傷的發(fā)生。影響沖擊力大小的原因主要包括下落高度[31]、下肢運動學(xué)[32]和運動表面[16]的影響。本實驗中，受試者穿著統(tǒng)一的運動鞋且都從相同的高度落于同樣的測力臺上。因此，本實驗中影響沖擊力峰值的大小和出現(xiàn)的時間主要與受試者落地的運動策略有關(guān)。在AL時，當(dāng)受試者通過采用屈膝屈髖的著地方式(表1)，這種著地方式可以增加關(guān)節(jié)角度，進(jìn)而減小著地的有效質(zhì)量，減少沖擊[14]。

另外，我們關(guān)于沖擊力的結(jié)果中還發(fā)現(xiàn)，主動著地的沖擊頻率顯著小于被動著地。當(dāng)AL時，沖擊力的頻率為7～11 Hz之間，類似于之前研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人類在主動跑、跳過程中，沖擊力的頻率在10～20 Hz左右[24,27]。而在被動著地時，人體接收到更大的輸入信號，這就可能導(dǎo)致了2倍于主動著地時的沖擊力頻率。這一結(jié)果與Boyer等人關(guān)于在不同表面跑步的沖擊力頻率的研究結(jié)果相類似。他們發(fā)現(xiàn)，未知情況下在高硬度表面跑步時，其輸入頻率顯著大于在已知情況下在較軟的表面進(jìn)行跑步[9]。因此，我們認(rèn)為，在被動著地情況下，由于人體肌肉-骨骼系統(tǒng)需要通過不同的運動策略來完成著地動作，在著地時，會受到更大的作為輸入信號的沖擊峰值，最終影響相關(guān)軟組織振動頻率的增加。

3.3 軟組織振動

人體軟組織作為活性材料具備一定的振動頻率特征，能根據(jù)肌肉本身的收縮與否、緊張與放松，來改變頻率屬性[34]。在之前的研究中，某些學(xué)者將人體的軟組織作為一個振動系統(tǒng)進(jìn)行考慮，認(rèn)為其固有頻率的范圍在5～65 Hz[8]。影響軟組織的振動特征的原因主要與肌肉力量的大小、肌肉長度、縮短速度和收縮程度有關(guān)[33,35]。

本研究結(jié)果顯示，PL組股四頭肌(除60 cm情況下)和腘繩肌軟組織加速度最大振幅顯著大于AL組。在本實驗中，我們選用同一批受試者進(jìn)行相同條件的主、被動著地測試，受試者肌肉力量大小和肌肉長度并沒有差異。因此，影響軟組織加速度最大振幅可能與主、被動落地的運動控制水平有關(guān)。Khassetarash等研究發(fā)現(xiàn)，疲勞會增加軟組織的振動幅度，他們認(rèn)為這主要與肌肉功能的下降有關(guān)[20]。同樣的，在被動著地情況下肌肉的控制能力明顯要弱于主動著地情況，在本研究中，關(guān)于肌電的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)觸地前激活階段，AL組的肌電振幅明顯大于PL組。另外，研究結(jié)果還顯示，AL組在所有高度下的股四頭肌和腘繩肌的軟組織阻尼顯著大于PL組。有研究發(fā)現(xiàn)[36]，肌肉等張收縮時，隨著關(guān)節(jié)角度的增加，股四頭肌的阻尼會隨之增加。因為，在主動著地時，會采用快速屈膝屈髖的策略，而被動著地時需要控制姿勢穩(wěn)定性，從而會使得屈膝屈髖的角度不足。而從振動力學(xué)觀點來看，人體能通過預(yù)程序控制著地，改變振動頻率或阻尼系數(shù)使得共振振幅最小化[37]，亦可以通過學(xué)習(xí)改變肌肉活動的水平，以適應(yīng)不同的著地形式[30]。但這種觀點還需要進(jìn)一步驗證。

3.4 肌肉活化

肌肉活化程度可以反映出軟組織的力學(xué)特性[34]。通過肌肉活化的模式，能夠觀察到肌肉用力的工作狀態(tài)。本研究的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，下肢各主要肌群在肌電觸地前激活階段、觸地后激活階段和緩沖階段，AL的大部分肌電振幅顯著大于PL。在高沖擊力的任務(wù)中，肌肉預(yù)激活的主要目的是增加下肢肌肉的穩(wěn)定性[19]。此外，有研究還認(rèn)為，觸地前激活程度越高，越有利于降低前交叉韌帶損傷的風(fēng)險[6]。在觸地后激活階段和緩沖階段，肌電活動的增加主要是為了穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)，并為后續(xù)任務(wù)做準(zhǔn)備[21]。因此，主動落地能夠更好的維持下肢穩(wěn)定性，并降低相關(guān)沖擊損傷的風(fēng)險。上述觀點較為傳統(tǒng)的分析了肌肉活化的模式，認(rèn)為肌肉活化的目的是為人體運動系統(tǒng)的下一步動作進(jìn)行準(zhǔn)備[38]，并且為關(guān)節(jié)力矩的產(chǎn)生起到了重要的作用[3]。

現(xiàn)階段，某些學(xué)者提出了一種新的范例(paradigm)，認(rèn)為在觸地階段，肌肉可以通過調(diào)諧作用而減少相應(yīng)軟組織的振動[9]，該理論被稱為“肌肉調(diào)諧”。具體表現(xiàn)為，機(jī)體通過肌肉適應(yīng)(muscle adaptation)可以改變軟組織的力學(xué)特性，從而使軟組織受沖擊時的振動最小化[26]。從本研究的結(jié)果來看，主動著地時，人體肌骨系統(tǒng)會對整個主動著地起跳過程進(jìn)行動作控制，募集更多肌肉細(xì)胞參與運動，產(chǎn)生足夠的肌肉力矩來完成目標(biāo)動作。被動著地時，對整個動作無法獲得提前預(yù)知，可能缺乏主動調(diào)節(jié)意識，造成了相應(yīng)肌肉的參與較少。上述發(fā)現(xiàn)一定程度上驗證“肌肉調(diào)諧”理論。此外，Boyer等對人體在不同表面跑步的肌肉活動的研究結(jié)果也得到了相類似的結(jié)果[9]：實驗組(不清楚跑道情況)比控制組(清楚跑道情況)在觸地后軟組織的加速度顯著增加。

綜上所述，落地反跳的預(yù)著地階段，肌肉激活現(xiàn)象十分明顯，為即將觸地緩解沖擊和隨后的起跳做準(zhǔn)備。在主動著地瞬間，使下肢3關(guān)節(jié)運動學(xué)的變化更為合理，緩解沖擊的同時積蓄能量，并利用這部分能量更好的起跳。但在被動著地情況下，由于主觀對下落的時機(jī)不可控，肌骨系統(tǒng)不能及時對落地做出準(zhǔn)備，使得身體以更直立的狀態(tài)落地，導(dǎo)致較大的沖擊，且對沖擊的衰減也更加被動，使肌骨系統(tǒng)承載更大的沖擊負(fù)荷，進(jìn)而增加了沖擊損傷的風(fēng)險。

4 結(jié)論

主動著地情況下，人體可以通過積極調(diào)整肌骨系統(tǒng)的落地策略，增加髖、膝關(guān)節(jié)屈曲/減小下肢剛度，從而合理衰減地面反作用力和負(fù)載率，降低下肢所承受的沖擊負(fù)荷，并進(jìn)一步有效減少沖擊傳遞下的軟組織振動，增加肌肉活化的同時維持下肢穩(wěn)定，進(jìn)而達(dá)到有效完成動作控制和降低運動損傷風(fēng)險的作用。相反，被動著地時，由于人體無法對下落的發(fā)生和觸地狀態(tài)做出及時的預(yù)判，降低了下肢運動學(xué)的調(diào)節(jié)和肌肉激活，導(dǎo)致肌骨系統(tǒng)不得不承受更大的沖擊力和相應(yīng)軟組織的振動，進(jìn)一步增加了沖擊損傷的危險。

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The Biomechanics of Lower Limb during Active Landing and Passive Landing

ZHANG Shen,FU Wei-jie,LIU Yu

Objective:To examine the kinematics,impact force,tissue vibration and muscle activity during active landing (AL) and passive landing (PL).In addition,the aim was to understand the regulation mechanism of nerves-muscle skeletal system during landing.Methods:Twelve trained basketball male volunteers in physical education were required to complete three different attitudes(30 cm、45 cm、60 cm)×two different landing models (AL & PL).The variables were measured including kinematic of lower extremity,impact characteristics,soft tissue acceleration signal and EMG signals.Results:At three different attitudes,AL showed significantly decrease the knee and hip joint angle (P<0.05),and significantly increase angle velocity (P<0.05) during the instantaneous moment of touchdown and cushion phase compared with PL.The peak of impact force (P<0.05),maximum loading rate (P<0.05) and impact frequency (P<0.05) were significantly reduce during AL compared with PL at three different attitudes.AL showed significantly decrease the maximum amplitude of accelerate of quadriceps femoris (except 60cm) (P<0.01) and hamstrings (P<0.01) at three different attitudes compared with PL.At three different attitudes,AL showed significantly increase the tissue damping (P<0.05) compared with PL.The parts of muscles showed significant increase the EMG amplitude (P<0.05) during AL in per-activation,post-activation and cushion phase compared with PL.Conclusion:At the case of AL,the human being can adjustment the landing strategy of muscle-skeletal system,which mean effective decrease the tissue vibrate under the impact force.Eventually,the effective motor control were resulted in decrease the risk of sports injuries.On the counter,muscle-skeletal system were bear higher impact force and tissue vibrate,and improve the risk of sports injuries.

impact;tissuevibration;muscularactivation;landing

1000-677X(2016)01-0059-08

10.16469/j.css.201601007

2015-09-30；

2015-12-14

國家自然科學(xué)基金(11302131)；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金(20123156120003)；上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目(14YZ125)。

張燊(1989-)，女，遼寧人，碩士，主要研究方向為運動生物力學(xué)，Tel：(021)51253239，E-mail：zhangshen0708@163.com；傅維杰(1983-)，男，浙江人，副教授，博士，主要研究方向為人體肌骨系統(tǒng)力學(xué)和運動鞋及裝備研發(fā)，Tel：(021)51253239，E-mail：fuweijie315@163.com；劉宇(1959-)，男，河北張家口人，教授，主要研究方向為運動控制與協(xié)調(diào)的生物力學(xué)等，Tel：(021)50253571，E-mail：yuliu@sus.edu.cn。

上海體育學(xué)院 運動健身科技省部共建教育部重點實驗室，上海 200438 Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China.

G804.6

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