綜述籃球鞋對籃球運動損傷的生物力學影響

宋羽 曲峰 蔣量

摘 要：籃球一直以往作為世界三大球類運動之一受到廣泛關注，其激烈的身體對抗和長時間的跑動、跳躍等運動特點也導致籃球運動損傷率居高不下。作為籃球運動中必不可少的核心運動裝備—籃球鞋，在發(fā)揮運動員運動表現(xiàn)和預防運動損傷方面的作用不可小覷。通過對國內(nèi)外關于籃球鞋對籃球運動生物力學影響的研究進行綜述，發(fā)現(xiàn)大量研究集中在籃球鞋的底部結構對運動損傷的生物力學作用，且以大底、中底的硬度、屈曲剛度等較為多見；研究普遍認為地面反作用力、側切變向動作等是造成運動員踝關節(jié)損傷的主要原因。未來建議應細化足的結構，更為具體深入的分析其對踝關節(jié)損傷等的意義，增加籃球鞋后跟杯結構的相關研究。

關鍵詞：籃球鞋 損傷 踝關節(jié) 生物力學 運動裝備

中圖分類號：G80 文獻標識碼：A 文章編號：2095-2813（2018）03（a）-0016-05

Abstract：Basketball has always been widely regarded as one of the three major ball games in the world. Its intense physical confrontation and prolonged running and jumping characteristics have also lead to high rate of basketball injury. As a necessary core sport equipment in basketball， basketball shoes play an important role in playing athletes' performance and preventing sports injuries. This paper reviews on the influence of basketball shoes on the basketball sports biomechanics research at home and abroad， found that a large number of studies focus on the biomechanical effects of the bottom structure of basketball shoes on sports injury. The hardness and flexural stiffness and so on more common； it is widely believed that the ground reaction force， cut action is the main causes of ankle injury in athletes.

Key Words：basketball；shoes；Injury；Ankle；Biomechanicas；Sport；Equipment

籃球與足球、排球一起被稱為是世界三大球類運動，身體對抗十分激烈，長期以來享有廣泛的群眾基礎。其項目特點決定了運動員需要在有限的時間和空間內(nèi)做大量的跑動和各種步法組合的跳躍動作。由于其項目特點，對運動員的爆發(fā)力和在激烈身體對抗下完成各種動作的能力要求很高。隨著籃球運動的日益發(fā)展，其直接性身體對抗和技戰(zhàn)術的應用，運動的突發(fā)性、復雜性以及持久性都在不斷提高。這就使得運動員在比賽中不僅需要有良好的投球技術、穩(wěn)定的核心控制力量，還必須要具備快速靈活的移動步法。一方面，作為籃球運動的基礎技術之一，步法的運動主要依賴于下肢各環(huán)節(jié)間的運動以及下肢整體與外周環(huán)境間的運動來實現(xiàn)。長此以往這些運動特性使得籃球運動員下肢很容易發(fā)生損傷。另一方面，籃球運動頻繁地起跳、投球，騰空落地時亦很容易發(fā)生損傷。尤其是當騰空后落地時在場地的限制下，由于卡位等的戰(zhàn)術需要而踩在其他球員的腳上，重心發(fā)生偏移，經(jīng)常會造成嚴重損傷。

1 籃球運動損傷概述

Sonzogni等[1]研究顯示籃球運動損傷率為30‰，但損傷概率在不同性別和比賽水平上存在差異，一般表現(xiàn)為女性損傷率大于男性，比賽水平越高損傷率越大。Garrick等[2]發(fā)現(xiàn)，籃球運動損傷發(fā)生部位以上肢的肩、肘、腕關節(jié)和手指，及下肢的膝關節(jié)和踝關節(jié)為主，而其中踝關節(jié)扭傷最為常見。大量研究認為，最普遍的籃球運動損傷為踝關節(jié)的扭傷[3，4]，約占到全部損傷的80%。Yde等[5]通過對籃球隊俱樂部進行了一個賽季的追蹤調(diào)查，結果發(fā)現(xiàn)：在每一千小時的訓練量中有3次的全身性損傷率，其中踝關節(jié)運動損傷就占一次。House等[6]表示，運動水平越高的球隊，運動員發(fā)生踝關節(jié)損傷的幾率越大。在對不同位置間的運動損傷進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，前鋒、中鋒、控球后衛(wèi)之間的踝關節(jié)損傷不存在統(tǒng)計學差異[7]。

籃球運動中頻繁的變向側切、急停、落地和急轉等動作都是造成踝關節(jié)損傷概率增加的原因[8-10]。有學者認為，造成踝關節(jié)損傷的主要原因是由于運動員在完成這些動作時，踝關節(jié)處內(nèi)翻突然加大，而保護踝關節(jié)穩(wěn)定性的相關肌肉群和韌帶則反應時過慢，從而引起踝關節(jié)扭傷。也就是說比賽時運動員跳起落地的足部呈內(nèi)翻位，如果此時落地不穩(wěn)就會造成踝關節(jié)的迅速內(nèi)翻，很有可能出現(xiàn)踝關節(jié)扭傷的情況[11]。Konradsenl等[12]對踝關節(jié)突然翻轉過程中肌肉對其的保護作用做了研究，發(fā)現(xiàn)受試者在覺察到踝關節(jié)翻轉54ms后腓骨部位出現(xiàn)肌電活動。而當踝關節(jié)本身處于內(nèi)翻時潛伏期變小，處于外翻時潛伏期變長。在踝關節(jié)發(fā)生突然內(nèi)翻的176ms后出現(xiàn)主動對抗內(nèi)翻的跡象。在著地時腳跟很容易發(fā)生內(nèi)翻的情況，此時周圍的肌肉總是會反應太慢，因此并不能保護踝關節(jié)。另外在急?；蜃兿騻惹袝r運動員經(jīng)常會選擇以足外側先接觸地面，此時單側足很難承受由整個身體慣性所產(chǎn)生的強大沖擊力，從而導致踝關節(jié)韌帶和肌肉乃至骨骼的損傷。

運動損傷帶給運動員的不只是極大的生理損傷，還有強烈的心理創(chuàng)傷，它們使運動員在賽場上的發(fā)揮受到了更多的局限，影響運動員的運動壽命。據(jù)推測，平均一個運動員因為傷病而卻賽的時間達到7.6%[13]。因此，深入探討籃球運動損傷的科學預防手段十分重要。而運動鞋作為運動員和運動表面直接的接觸介質，在很大程度上影響著運動員下肢的運動技術特征。從研究現(xiàn)狀和未來的發(fā)展趨勢出發(fā)，討論籃球鞋對運動員下肢運動的生物力學影響具有重要意義。

2 籃球鞋對運動損傷的影響

2.1 籃球鞋市場概述

中國是現(xiàn)今世界上最大的運動鞋生產(chǎn)和制造基地，國內(nèi)知名品牌的運動鞋在近些年適應市場細分后也逐漸建立起了自己的研究機構來支撐品牌的專業(yè)化發(fā)展，并且以更多的款式來獲得消費者的青睞以占據(jù)更大的市場。市場上幾乎所有的生產(chǎn)廠家都在宣傳自己產(chǎn)品在體育科技、運動性能上的優(yōu)越性，來提高產(chǎn)品的核心競爭力和附加值，從而帶動消費者對產(chǎn)品的價值認知。例如：安踏籃球鞋主要在“彈力膠”“耐磨橡膠”“氣墊科技”“抗菌防臭”這4個方面的科技上又強調(diào)了五驅掌控科技和后跟杯的TPU支撐緊鎖。而李寧籃球鞋則主要在宣傳明星效應和款式設計感的基礎上推出LiNing-BOUNSE+作為中底材料增加回彈。盡管如此，國際知名品牌如NIKE、adidas等在國內(nèi)市場中還是占據(jù)著較主要的份額。相比于國內(nèi)品牌，NIKE、adidas等在創(chuàng)新能力和產(chǎn)品技術含量上還是存在一定的優(yōu)勢。所以，繼續(xù)完善國產(chǎn)籃球鞋設計、增加產(chǎn)品技術含量和創(chuàng)新成分是未來國內(nèi)籃球鞋發(fā)展的必然趨勢。

運動鞋的綜合評價方法包括機械測試、生物力學測試、特定運動模式表現(xiàn)以及主觀評價測試。李建設等[14]通過模擬裸足、能量回歸、緩震減震、后跟控制和回歸自然這5個方面入手，認為運動鞋的結構設計必須符合人體運動的生物力學原理，即在穿著時要有良好的舒適性、功能上做到減震性、摩擦性、保持鞋底柔軟性和良好的穩(wěn)固性、從物理角度出發(fā)需要存在與地面隔離性、材質上則要防水透氣性等[15]。將籃球鞋區(qū)別于跑鞋和一般運動鞋的部分主要是中底、后跟杯及鞋面的設計，以上這些設計均能夠從不同角度加強籃球鞋的緩沖性能、側向穩(wěn)定性及摩擦性[16]。在評價一雙優(yōu)秀的籃球鞋所具備的條件時，除了要求其符合美觀的需求，更應具備生物力學功效，為足部提供適當?shù)谋Ｗo與支撐作用，甚至進一步的提高運動成績[17-19]。只是市面上籃球鞋種類繁多不宜選擇，需要有可靠的參數(shù)和科學評價方法來衡量運動鞋的功能特性。而借助生物力學的研究可以幫助人們深入理解籃球鞋各個部分的構成及其對運動表現(xiàn)的影響。

2.2 影響運動損傷的相關因素

有研究表明，在籃球和排球等運動項目當中，落地動作時人體下肢將承受大概是人體體重的3.5～7倍的較強沖擊力[20，21]，尤其是在籃球運動中的三步上籃動作，此時沖擊力甚至可以增加到體重的9倍以上[22]。前人的研究也一直認為跑、跳等動作在落地時所承受的巨大沖擊力是致使運動損傷的主要原因，如此反復的大負荷可能會導致急性損傷（如扭傷、骨折、膝關節(jié)內(nèi)紊亂）或諸如應力性骨裂/骨折、髕骨勞損等過度使用性傷害。因此，在1970—1980年間，大量學者率先提出了運動鞋的應具有“緩沖避震”效果，他們希望通過這種效果來降低運動過程中可能存在的較大沖擊負荷，從而達到預防運動損傷的目的[23-25]。Nigg等[26]認為，運動鞋中低硬度增加會減少跖趾關節(jié)處轉動能量的損失。Stacoff等[27]發(fā)現(xiàn)，隨著中底厚度的增加，運動鞋的緩沖效果可以有效提升。Zhang等[28]在不同硬度中底籃球鞋和不同高度的垂直著地動作的研究中發(fā)現(xiàn)，低硬度鞋的緩沖系數(shù)顯著好于中硬度鞋和高硬度鞋，并且不同下落高度下，鞋底硬度與緩沖性能的關系無統(tǒng)計學差異。

大量學者認為側切變向是踝關節(jié)扭傷的第二大原因，占籃球運動損傷的30%[3]。有學者探討了籃球鞋底與地面摩擦力之間可能存在的關系，結果顯示足夠的鞋底摩擦力可以使運動員在急停、變向等動作中不發(fā)生側滑[29]。但是當鞋底與地面間摩擦系數(shù)持續(xù)增大時，相比于足部固定的不斷加強，下肢也將承載吸收更大的作用力[30]。事實上，下肢骨骼與肌肉載荷能力是有限的，因此，過大和過小的摩擦力都會增加下肢損傷的概率[31]。所以對于側向穩(wěn)定性而言，籃球鞋鞋底的摩擦系數(shù)應處于一個適當?shù)姆秶?/p>

2.3 籃球學預防運動損傷的作用

預防踝關節(jié)損傷的方法通常是兩種：一是對踝關節(jié)進行穩(wěn)定性訓練；二是對踝關節(jié)的固定，理論上講這種辦法可以產(chǎn)生較好的力學穩(wěn)定性，因此，籃球鞋鞋幫高度的研究較多。早期的研究認為鞋幫高度與踝關節(jié)扭傷沒有很強的關系[32-34]，有些學者甚至認為高幫籃球鞋可能會對運動員的敏捷性和跳躍表現(xiàn)產(chǎn)生負面的影響[35，36]，但近幾年有大量研究認為，高幫鞋在運動過程中可以有效地預防踝關節(jié)扭傷[37-40]。劉卉等[41]對籃球鞋鞋幫高度和后跟杯硬度對籃球運動員側切變向時踝關節(jié)穩(wěn)定性的影響展開探究，結果發(fā)現(xiàn)較高的鞋幫高度和后跟杯硬度會減少踝關節(jié)初始的內(nèi)翻角度以及側切時到達地面反作用力第一峰值的時間。

查閱資料，關于籃球鞋設計的研究大部分集中在減震性能和防滑性能上，與踝關節(jié)損傷相關的原因和危險因素的討論還不夠深入和徹底[13]。我們總是會將足視為一個整體來看起運動狀態(tài)，可是事實上足的構造復雜，并不是單純的一個剛體在運動，要想更深入地分析運動鞋對運動員的運動表現(xiàn)影響就應該從不同的方面來探究[42]。比如：跳躍、蹬地啟動時會屈曲的跖趾關節(jié)和踝關節(jié)外翻時以距骨、跟骨足的后部為主導的距下關節(jié)。后足跟由跟骨和距骨共同構成，在步態(tài)支撐期中距骨下關節(jié)會借由足跟內(nèi)外翻來吸收源自地面的反作用力為身體前進的前進提供推力，即足部需要有足夠的活動度在著地時緩沖來自地面的反作用力（沖擊力），在足部離地時因為需要為身體前進的提供推力，此時需要足部有足夠的穩(wěn)定性，對于上述關于足的作用都可以通過距骨下關節(jié)的內(nèi)外翻來控制足部的活動與穩(wěn)定性實現(xiàn)[42]。

對于籃球鞋而言，穩(wěn)定后足的最大功能部位就是后跟杯（counter），它需要保證運動員在騰空移動式后足的穩(wěn)定性。鞋幫和鞋后跟被認為是能夠減少距下關節(jié)過度翻轉，提高踝關節(jié)穩(wěn)定性的關鍵部位[43]。其中，鞋后跟杯對踝關節(jié)過度翻轉的限制得到了肯定[43，44]。相比于對籃球鞋緩沖性能、鞋幫高度的大量討論，運動鞋后跟杯的相關討論較少。只有少量對后跟杯硬度的研究[45]，而在結構、設計等進一步研究中都鮮少發(fā)現(xiàn)。

3 籃球鞋對運動表現(xiàn)的影響

運動表現(xiàn)被認為是以時間，距離，做功為計量單位的體育活動的結果[46]?？梢酝ㄟ^增強運動員的力量、速度、敏捷、靈活性，平衡性等方面的素質來提升運動表現(xiàn)，其目的是為了預防運動損傷的發(fā)生，增加肌肉比重[47]。運動鞋作用于運動表現(xiàn)主要體現(xiàn)在對技術動作的拉制，保持運動員的身體平衡等方面，而中底硬度的變化可以影響起跳以及加速跑，運動鞋的緩沖減震功能、能量回彈效果都會影響到運動表現(xiàn)[48]。跳躍是籃球運動中的一項基本動作，而運動表現(xiàn)很多時候取決于基礎動作完成的質量優(yōu)劣。Feltner等[49]人對下蹲反跳的運動表現(xiàn)進行研究，發(fā)現(xiàn)60%的運動表現(xiàn)增加取決于蹬離地面速度的增加。Voigt等[50]證實在較短觸地時間的單腿跳動作中，機械功率和比目魚肌的激活程度在最適觸地時間情況下會增加。Horita等[51]通過進一步對跳深動作和下蹲反跳動作表面肌電的研究，發(fā)現(xiàn)預先編排激活順序的膝關節(jié)伸肌群聯(lián)合收縮是在跳深動作中影響運動表現(xiàn)的主要因素。傅維杰[52]通過自制的翻板器，讓受試者在主動著地和被動著地兩種情況下進行跳躍實驗。研究結果表明，穿著籃球鞋在主動落地時沒有改變沖擊力的真符合頻率，而在被動著地時降低了沖擊力、載荷率和鞋跟加速度，并且穿著籃球鞋改變了主動落地反跳過程中的踝關節(jié)部分運動學結果。

4 結語

盡管前人已經(jīng)做了一些籃球鞋對運動損傷的影響的研究，但在踝關節(jié)的相關研究中，普遍是將足視為一個整體，且對鞋底結構和鞋幫高度的研究較多，聚焦在籃球鞋后跟幫上的討論較少。因此，相比于其他部分，未來的研究可以從籃球鞋后跟杯對運動損傷的影響入手，細化足的結構，從而更全面的評價籃球鞋對運動損傷的影響

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