運(yùn)動(dòng)員落地動(dòng)作的生物力學(xué)研究進(jìn)展

胡 婧，張 杰

(1.上海市虹口區(qū)業(yè)余大學(xué)，上海 200080；2.復(fù)旦大學(xué) 附屬華東醫(yī)院，上海 200040)

在眾多包含跳躍動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)中，落地動(dòng)作對(duì)于高水平運(yùn)動(dòng)員十分具有挑戰(zhàn)性的動(dòng)作之一[1]，相關(guān)的研究表明，體操運(yùn)動(dòng)員在完成相應(yīng)的動(dòng)作進(jìn)行落地時(shí)，單腿所承受的沖擊力約為自身體重的18倍甚至更高。競(jìng)技性運(yùn)動(dòng)的原則要求跳躍運(yùn)動(dòng)員完成落地動(dòng)作時(shí)雙腿并攏并且身體盡量沒有晃動(dòng)。盡管嚴(yán)苛的條件限制帶來極大的落地沖擊和損傷風(fēng)險(xiǎn)，但絕大多數(shù)的運(yùn)動(dòng)員在落地時(shí)并沒有發(fā)生嚴(yán)重的損傷。其中最主要的原因是：相較于業(yè)余運(yùn)動(dòng)員，高水平運(yùn)動(dòng)員落地時(shí)更傾向于將下肢所受到的沖擊力更加均衡的分布到下肢的髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及踝關(guān)節(jié)，落地速度增加，下肢受到的沖擊力增大的情況下，跳躍運(yùn)動(dòng)員下肢三關(guān)節(jié)伸肌力矩峰值和伸肌做功相對(duì)均衡的增大[2]。

由于人體在落地動(dòng)作中受到的巨大沖擊力，在進(jìn)行相關(guān)的生物力學(xué)仿真模擬中，落地動(dòng)作被選作一項(xiàng)常用的評(píng)價(jià)項(xiàng)目評(píng)價(jià)落地?fù)p傷的相關(guān)機(jī)制。國外學(xué)者關(guān)于排球運(yùn)動(dòng)的調(diào)查顯示[3]：落地階段所發(fā)生的損傷占下肢所有損傷的63%，其中膝損傷在所有損傷種類中占了61%。下肢90%的損傷發(fā)生率提示我們，落地階段是非常值得關(guān)注研究的。

1. 影響落地動(dòng)作運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的因素

各種跳躍運(yùn)動(dòng)中的損傷率報(bào)告以及對(duì)下肢損傷的關(guān)注度表明，在落地動(dòng)作中有很大的潛在損傷風(fēng)險(xiǎn)。相關(guān)學(xué)者通過一個(gè)極端的例子，如果讓一個(gè)80kg的人在膝關(guān)節(jié)固定住的情況下從1m高的位置自由落體，股骨的連接處是非常容易受到損傷的部位，極有可能從髖臼里被剝離開[5]。

相關(guān)學(xué)者做過關(guān)于排球攔網(wǎng)的落地研究，他在12個(gè)高度的落地測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，第一個(gè)Fmax范圍在1KN～2KN，第二個(gè)Fmax范圍在1KN～6.5kN，表明受試者表現(xiàn)出了多種落地策略。這個(gè)結(jié)果與前人的相關(guān)研究有著相同的結(jié)果，他們對(duì)十五名女性大學(xué)生排球運(yùn)動(dòng)員的攔網(wǎng)研究發(fā)現(xiàn)，落地期間的平均Fmax是2KN。有學(xué)者通過對(duì)膝關(guān)節(jié)落地時(shí)的彎曲角度研究，研究表明落地高度也對(duì)落地所受沖擊力有影響。研究者進(jìn)一步提出，Knee_Angle可以被用來減輕落地時(shí)所受到的沖擊力[4]。

國外相關(guān)學(xué)者利用三種不同高度的水平跳臺(tái)對(duì)體操運(yùn)動(dòng)員和健身操運(yùn)動(dòng)員做了關(guān)節(jié)沖擊力的測(cè)量。健身操運(yùn)動(dòng)員的垂直地面反作用力峰值的平均值在三個(gè)高度上分別是4.2倍體重,6.4倍體重,9.1倍體重。相比之下，體操運(yùn)動(dòng)員垂直地面反作用力峰值平均值在三個(gè)高度上分別是4倍體重,6倍體重,11倍體重。因此，體操運(yùn)動(dòng)員在高度增長上比健身操運(yùn)動(dòng)員表現(xiàn)出更低的敏感性。這個(gè)結(jié)論提示我們，健身操運(yùn)動(dòng)員與專業(yè)訓(xùn)練的體操運(yùn)動(dòng)員比起來也許更容易受傷，因?yàn)轶w操運(yùn)動(dòng)員在面對(duì)沖擊力表現(xiàn)出更強(qiáng)的緩沖適應(yīng)能力。

2. 落地動(dòng)作中的性別差異

國外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)相比于男性，女性運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)前交叉韌帶的損傷率是男性的2-8倍，相關(guān)的研究將這種性別差異帶來的損傷歸因于女性的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)松馳、解剖結(jié)構(gòu)差異、雌激素作用、訓(xùn)練水平低于男性、肌肉力量較弱及屈伸肌肌力不均衡等因素，但目前這些觀點(diǎn)之間仍存有分歧。但是這一現(xiàn)象可以說明：男女之間某些解剖學(xué)和生理學(xué)上的差異導(dǎo)致了損傷出現(xiàn)的最主要的因素。

落地動(dòng)作中關(guān)于額狀面運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的研究發(fā)現(xiàn)女性在著地過程中更容易表現(xiàn)出比男性更大的膝關(guān)節(jié)外翻角度峰值和膝關(guān)節(jié)外翻活動(dòng)度。由于膝關(guān)節(jié)解剖構(gòu)造的特殊性，加上腘繩肌在額狀面內(nèi)對(duì)膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)固作用，決定了膝關(guān)節(jié)的外翻和內(nèi)翻活動(dòng)只能在極小的范圍內(nèi)進(jìn)行。B學(xué)者和O學(xué)者的研究指出，非接觸性前交叉人道損傷的發(fā)生通常伴有外翻動(dòng)作，因此，女性在落地動(dòng)作中表現(xiàn)出的較大的外翻角度峰值和外翻活動(dòng)范圍是導(dǎo)致其損傷發(fā)生率高于男性的重要原因，當(dāng)落地動(dòng)作中膝關(guān)節(jié)外翻角度達(dá)到最大值時(shí)，無論是膝關(guān)節(jié)還是髖關(guān)節(jié)屈曲角度最大，女性表現(xiàn)出的都比男性小。這也使我們不得不考慮落地動(dòng)作中，矢狀面和額狀面的表現(xiàn)是相互影響的，這更加會(huì)增加女性在落地動(dòng)作中受到損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

有研究通過核磁共振技術(shù)測(cè)量了10名男性和7名女性半腱肌，半膜肌，股薄肌和股二頭肌在額狀面內(nèi)的力臂長度。結(jié)果顯示：無論是直接測(cè)量到的力臂值還是根據(jù)身高做標(biāo)準(zhǔn)化后的相對(duì)值，男性的股后肌群的力臂長度均大于女性。女性膝關(guān)節(jié)伸力矩峰值高于男性，可以推斷出女性股四頭肌肌力與腘繩肌肌力差要大于男性。未來的研究應(yīng)該側(cè)重于尋找通過提升腘繩肌肌力來提升膝關(guān)節(jié)屈曲角度，降低膝關(guān)節(jié)伸力矩和外翻力矩的方法，尤其是那些附著在脛骨中部的肌肉。許多這方面的研究證實(shí)性別因素在ACL損傷風(fēng)險(xiǎn)中的重要影響。

3. 不同的落地策略對(duì)落地動(dòng)作的影響

有研究認(rèn)為，由于落地策略的不同，表現(xiàn)為硬著陸的時(shí)候主要依靠踝關(guān)節(jié)維持穩(wěn)定，而軟著陸時(shí)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)周圍肌群起著主要的緩沖作用。國內(nèi)學(xué)者發(fā)現(xiàn)在0.32-1.03m高度的落地動(dòng)作中，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)伸肌緩沖了身體受到的絕大部分沖擊力。也有人認(rèn)為膝關(guān)節(jié)才是在緩沖沖擊力中占主要作用的，踝關(guān)節(jié)跖屈肌肉和髖關(guān)節(jié)伸肌群只是起著相對(duì)次要的作用。

在可預(yù)期落地測(cè)試任務(wù)中觀察膝關(guān)節(jié)外翻力矩峰值，選擇反應(yīng)測(cè)試中觀察亮燈到做出選擇的時(shí)間以及此段時(shí)間內(nèi)的肌肉活動(dòng)情況，對(duì)二者做相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)腓腸肌和腘繩肌的肌肉活動(dòng)，選擇反應(yīng)時(shí)間與膝關(guān)節(jié)外翻力矩峰值有著高度相關(guān)關(guān)系。無論是腓腸肌還是腘繩肌，選擇反應(yīng)時(shí)間都與落地階段中蹬伸階段的膝關(guān)節(jié)外翻力矩有著顯著正相關(guān)關(guān)系。

為了研究運(yùn)動(dòng)策略對(duì)落地動(dòng)作的生物力學(xué)影響，國外學(xué)者研究了在不可預(yù)期刺激落地動(dòng)作中變更刺激發(fā)生時(shí)間對(duì)落地動(dòng)作完成的影響。結(jié)果顯示：與可預(yù)期刺激落地模式相比，在落地初期，不可預(yù)期刺激模式中受試者均表現(xiàn)出更大的髖關(guān)節(jié)外展角度和更小的髖關(guān)節(jié)屈角度，但是三個(gè)不可預(yù)期刺激模式之間沒有表現(xiàn)出顯著性差異。結(jié)果充分表明不可預(yù)期的刺激會(huì)影響落地動(dòng)作的完成，但是刺激發(fā)生的時(shí)間在本次測(cè)試中對(duì)落地動(dòng)作表現(xiàn)沒有表現(xiàn)出顯著影響。