乒乓球運動員主要進攻技術膝關節(jié)負荷特征研究

米奕翔，張 奔，周星棟，王向東，劉 恒，肖丹丹

(1.國家體育總局 體育科學研究所，北京100061；2.桑德蘭大學，英國 桑德蘭，SR1 3SD；3.寧波大學，浙江 寧波315211；4.中國乒乓球隊，北京100061)

乒乓球運動既是競技項目，也是大眾健身與娛樂項目。在我國，乒乓球素有“國球”之稱，擁有數(shù)量眾多的乒乓球專業(yè)運動員和業(yè)余愛好者，乒乓球已成為中國體育精神和競技水平的代表性運動項目。為保持世界領先水平，應對強勁對手的挑戰(zhàn)，乒乓球運動員需要長周期、大運動量和高強度的訓練，但是人體的承受能力是有一定限度的，當運動員身體機能不斷下降、局部負荷過重時，便會發(fā)生乒乓球運動員常見的運動損傷，87.5%的國家隊運動員患有不同部位、不同類型的損傷，如半月板損傷、肩袖損傷、腰肌勞損和膝脂肪墊炎等52 余種傷病[1]。在這些損傷中，膝關節(jié)損傷不容忽視。大量文獻顯示膝關節(jié)損傷在乒乓球運動中最為普遍[2-5]。國家乒乓球隊運動員日常進行的大強度技術訓練對膝關節(jié)是一種過度使用，因而膝關節(jié)損傷較多。專業(yè)運動員每次完成技術動作都需要膝關節(jié)發(fā)力，且運動員每天的訓練要完成大約4 000 次左右的揮拍，即膝關節(jié)也需要進行4 000 次左右的發(fā)力[6]?，F(xiàn)役國家乒乓球隊運動員膝關節(jié)損傷人數(shù)約占所有在訓練或比賽中發(fā)生損傷人數(shù)的20%[1]，省隊運動員膝關節(jié)的發(fā)病率為22.4%[7]。乒乓球運動員常見的膝關節(jié)損傷包括各種關節(jié)軟骨、髕骨、韌帶等的急性或慢性損傷[5]?；加新韵リP節(jié)損傷的運動員還極易繼發(fā)半月板、交叉韌帶等部位的急性損傷[8]。世界知名乒乓球運動員幾乎都經(jīng)歷過不同程度膝關節(jié)損傷，例如王皓右膝膝關節(jié)軟骨損傷引起的滑膜炎一度成為困擾他訓練和比賽的傷病，嚴重時伴有關節(jié)腫脹和肌肉萎縮，直接影響到了正手能力。又如2008年如日中天的劉國正，由于兩次髕骨骨折而不得不選擇退役。再如德國名將波爾曾經(jīng)做過膝關節(jié)半月板手術，近幾年由于膝關節(jié)傷病問題時有退賽或爆冷輸球情況的發(fā)生。

膝關節(jié)損傷對于乒乓球運動員而言，顯然是普遍存在且又影響巨大的。乒乓球運動員如何有效地預防膝關節(jié)損傷，是迫切需要探索和解決的問題，而研究預防手段的前提應該是深入了解乒乓球運動員膝關節(jié)在運動過程中的負荷特征。但目前的文獻表明，有關乒乓球運動員在擊球過程中膝關節(jié)受力的負荷特征尚不清楚。從乒乓球技術角度看，正手攻球技術、正手拉弧圈球技術、反手拉弧圈球技術是乒乓球比賽與訓練中最為常用的進攻技術。為了解乒乓球運動員在日常技術訓練中膝關節(jié)的生物力學負荷特征，本研究通過三維運動學影像、逆動力學計算等方法，分析不同性別乒乓球運動員在完成上述3種主要進攻動作過程中的下肢運動學、動力學特征，對預防乒乓球運動員膝關節(jié)損傷、延長運動員的運動壽命、提高運動成績和提高乒乓球運動員停訓后的生活質量有非常重要的意義，也可為大眾乒乓球愛好者的膝關節(jié)防護提供一定的借鑒。另外，本研究還將引發(fā)后繼一系列乒乓球訓練方法設計與評價、運動損傷防護器材研制等相關的科學研究。

1 研究方法

1.1 受試者

本次試驗選取了國家乒乓球隊運動員中無膝關節(jié)損傷史的男、女運動員各10 名，運動等級均在運動健將或者以上。對運動員無膝關節(jié)損傷史的確定方法是:通過詢問國家乒乓球隊的隊醫(yī)，確定無膝蓋受傷史的運動員范圍；再詢問每個運動員的主觀感受是否有過受傷史；由國家乒乓球隊隊醫(yī)做檢查；最后確定無膝關節(jié)損傷史的男、女運動員各10 名作為測試對象(表1)。所有受試者在數(shù)據(jù)采集之前都簽署了參加研究知情表。

表1 受試者基本情況Table 1 About the subjects

1.2 數(shù)據(jù)采集

1.2.1 調試實驗儀器

運用具有6 個攝像頭的Motion 運動學采集系統(tǒng)(拍攝頻率200 Hz)與Kistler 測力臺(兩塊三維測力臺，采集頻率1 000 Hz)系統(tǒng)，外加1 臺佳能XF105攝像機，同步對所有受試者的主要乒乓球發(fā)力動作技術進行生物力學測試。實驗測試系統(tǒng)安置及測試現(xiàn)場見圖1，在北京體育大學實驗大廳進行。

圖1 實驗測試系統(tǒng)安置及測試現(xiàn)場示意圖Figure 1 Experimental test system placement and test site

首先對測試場地進行標定。將三維坐標框架置于運動員完成技術動作的區(qū)域，調整Motion 紅外光點運動捕捉系統(tǒng)6 個攝像頭的高度、焦距和俯仰角，使得三維框架上的紅外光點的大小合適。Motion 紅外光點運動捕捉系統(tǒng)的采集頻率設置為200 Hz。用1 臺攝像機輔助拍攝，以彌補Motion 只對紅外光點采集而無法看到人體真實動作的缺點，將其放在運動員運動方向右側前方，調整主光軸的合適高度，約為0.8 m，拍攝頻率設置為50 幅/s。在拍攝之前對攝像機的焦距進行調整，并使之達到最清晰的狀態(tài)，然后鎖定。調試2 塊三維測力臺的量程和精度，并進行校正。三維測力系統(tǒng)的采集頻率設置為1 000 Hz。調整完實驗儀器后就對其進行連接，將Motion和三維測力系統(tǒng)進行連接，并設置采集時間。運動學與動力學數(shù)據(jù)的采集由Motion 紅外光點運動捕捉系統(tǒng)進行同步觸發(fā)。

1.2.2 測試過程

1.2.2.1 貼標志點 先對實驗儀器進行調試及同步，測試運動員穿緊身衣，做充分的準備活動后，在其身體關節(jié)部位及球拍上貼置反射標志點，共21個。標志點位置參考YU[9]、張美珍[10]、肖曉飛[11]等的研究成果(表2)。

表2 標志點名稱及固定位置Table 2 Name and position of the markers

1.2.2.2 原地主要進攻技術測試 受試者進行足夠的準備活動之后，站在測力臺上。兩只腳分別站在每塊測力臺的中央，要求保證兩腳始終分別在面積為0.24 m2的測力臺區(qū)域里運動的前提下，自然地以最大力量完成技術動作。由國家隊教練給運動員發(fā)定點上旋多球，運動員依次完成正手攻球、正手拉弧圈球、反手拉弧圈球3 個進攻技術的測試。由實驗員判斷當技術動作比較穩(wěn)定時開始采集，各個測試系統(tǒng)同時采集5 s 后停止，然后保存文件并準備下一組動作的測試。每名受試者每個動作采集3 次有效數(shù)據(jù)用于研究:(1)正手快攻技術測試。教練員發(fā)多球至正手位底線，受試者進行正手位發(fā)力斜線近臺快攻練習；(2)正手弧圈球技術測試。教練員發(fā)多球至正手位底線，受試者進行正手位發(fā)力斜線弧圈球練習；(3)反手弧圈球技術測試。教練員發(fā)多球至反手位底線，受試者進行正手位發(fā)力斜線弧圈球練習。

受試的男女運動員中，各有1 人左手為有利手、左手執(zhí)拍，其他運動員均為右手執(zhí)拍。為了統(tǒng)一進行研究，對左手執(zhí)拍運動員的數(shù)據(jù)做了鏡面處理，處理后的左側關節(jié)數(shù)據(jù)等同于右側關節(jié)數(shù)據(jù)，對整體的測試結果無影響。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 運動學數(shù)據(jù)的處理

運動員關節(jié)點的空間三維坐標由三維紅外光點Motion 系統(tǒng)中的軟件對采集得到的標識點進行標識，運用系統(tǒng)自帶的線性插值補點法對采集中出現(xiàn)遮擋并丟失的標識點進行填補，確保整個采集過程中各個標識點一直存在。以受試者完成技術動作的準備、引拍、揮拍擊球、隨揮、還原階段為一個完整的動作單元。采用低通濾波的方法對原始三維坐標數(shù)據(jù)進行平滑處理，截斷頻率為8 Hz，進而計算每次進攻技術動作中下肢關節(jié)中心的三維坐標、小腿與地面的三維角度、膝關節(jié)三維角度等運動學數(shù)據(jù)指標。

1.3.2 動力學數(shù)據(jù)處理

主要運用KISTLER 三維測力臺自帶的數(shù)據(jù)分析軟件，配合使用Microsoft Excel 2016 軟件，對所獲取的動力學三維原始數(shù)據(jù)進行分析和處理。

導出測力臺三維地面支撐反作用力(GRF)數(shù)據(jù)及壓力中心，通過Excel 計算以下指標:豎直方向第一峰值力、豎直方向第一峰值出現(xiàn)時間、豎直方向最大加載率、豎直方向緩沖被動沖量、豎直方向第一峰值力沖量、豎直方向著地過程全部沖量。垂直方向上的地面支撐反作用力，正值代表向上的力，負值代表向下的力；左右方向上的地面支撐反作用，正值代表向左的力，負值代表向右的力；前后方向上的地面支撐反作用，正值代表向前的力，負值代表向后的力。

為了消除測試對象由于體重不同對結果的影響，更有利于比較，對膝關節(jié)所受三維力做了標準化處理，將膝關節(jié)所受三維力除以體重標準化。標準化膝關節(jié)受力單位為BW。

1.3.3 逆向動力學數(shù)據(jù)的處理

運用MS3D 7.0 版(MotionSoft，Inc.Chapel Hill，NC 2006)，通過逆動力學方法計算獲得膝關節(jié)三維力矩。根據(jù)各關節(jié)轉動中心的三維空間坐標計算出各運動環(huán)節(jié)質心的三維空間坐標，繼而計算各環(huán)節(jié)質心的加速度，其中所運用的人體慣性參數(shù)采用了Helen-Heys 模型參數(shù)。應用Cortex2.1 軟件，運用逆動力學方法進行計算，通過動力學分析所得數(shù)據(jù)(三維地面反作用力和壓力中心)、運動學分析所得數(shù)據(jù)(環(huán)節(jié)質心加速度和環(huán)節(jié)角加速度)以及人體環(huán)節(jié)慣性參數(shù)(各環(huán)節(jié)長度、環(huán)節(jié)質心相對位置、環(huán)節(jié)質量和轉動慣量)，求得膝關節(jié)的三維合力矢量。

1.3.4 膝關節(jié)角度的處理

在處理膝關節(jié)角度時，運用的是相對于動態(tài)的大腿坐標系和小腿坐標系的人體解剖位角度。由股骨內側髁、外側髁以及髖關節(jié)中心構建大腿坐標系。由外踝點、內踝點以及膝關節(jié)中心(股骨內外側髁中點)構建小腿坐標系。

膝關節(jié)角度為大腿坐標系和小腿坐標系之間的歐拉角。膝關節(jié)屈伸角(屈角為正值、伸角為負值)為圍繞冠狀軸轉動所獲得的角度；膝關節(jié)內收外展角(內收角為正值、外展角為負值)為圍繞矢狀軸轉動所獲得的角度；膝關節(jié)內旋外旋角(內旋角為正值、外旋角為負值)為圍繞垂直軸轉動所獲得的角度，如圖2。

圖2 膝關節(jié)角度示意圖Figure 2 Diagram of knee angle

1.4 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

運用方差分析方法，分析下肢運動學數(shù)據(jù)和膝關節(jié)受力在不同性別、不同進攻技術之間的差異。

2 結果與分析

2.1 3 種進攻技術膝關節(jié)三維角度特征分析

2.1.1 膝關節(jié)三維角度極值分析

由表3 可知，3 種主要進攻技術中，男、女運動員在完成正手攻球技術動作時都表現(xiàn)出更小的膝關節(jié)屈角(P<0.05)，在完成正手拉弧圈技術動作時都表現(xiàn)出更大的膝關節(jié)外旋角(P<0.05)，在完成反手拉弧圈技術動作時都表現(xiàn)出更小的膝關節(jié)內旋角(P<0.05)。與女運動員相比，男運動員在完成3種技術動作時表現(xiàn)出更大的膝關節(jié)外展角(P<0.05)、更大的膝關節(jié)內旋角(P<0.05)，在完成正手拉弧圈技術動作時表現(xiàn)出更小的膝關節(jié)外旋角(P<0.05)。另外，男運動員在完成反手拉弧圈技術動作時表現(xiàn)出更大的膝關節(jié)外展角。

表3 膝關節(jié)角度極值(單位:°)Table 3 Extremum of the subject’s knee angle(Unit:°)

2.1.2 地面垂直反作用力最大時膝關節(jié)角度分析

由表4 可知，當?shù)孛娲怪狈醋饔昧ψ畲髸r，男、女運動員在完成3 種主要進攻技術時，正手攻球動作表現(xiàn)出更小的膝關節(jié)屈角(P<0.05)。與女運動員相比，男運動員在完成反手拉弧圈技術動作時表現(xiàn)出更大的膝關節(jié)屈角(P<0.05)，在完成正手攻球技術動作時表現(xiàn)出更大的膝關節(jié)內旋角(P<0.05)。

表4 地面垂直反作用力最大時膝關節(jié)角度(單位:°)Table 4 Knee angle when the ground reaction force was maximum(Unit:°)

2.2 3 種進攻技術膝關節(jié)受力分析

由表5 可知，乒乓球運動員在完成3 種主要進攻技術動作時膝關節(jié)受到垂直方向的力最大，大約是自身體重的1 倍；膝關節(jié)受到前后方向的力次之，約是自身體重的0.4 倍；膝關節(jié)受到左右方向的力最小，約為運動員自身體重的0.1 倍。其中男運動員在完成反手拉弧圈球技術動作時比完成正手攻球和正手拉弧圈球動作表現(xiàn)出更小的向前方向的力(P<0.05)、更小的向上方向力最小值(P<0.05)；女運動員在完成反手拉弧圈球技術動作時比完成正手拉弧圈球動作表現(xiàn)出更小的向前方向力(P<0.05)、比完成正手攻球動作表現(xiàn)出更大的向上方向力最小值(P<0.05)。與女運動員相比，男運動員在完成3 種主要進攻技術動作過程中表現(xiàn)出更小的向后方向力(P<0.05)、更大的向前方向力(P<0.05)。

表5 3 種進攻技術乒乓球運動員膝關節(jié)受力極值(單位:BW)Table 5 Extreme force of subject’s knee joint(Unit:BW)

2.3 3 種進攻技術膝關節(jié)力矩分析

由表6 可知，男運動員在完成正手拉弧圈球和正手攻球技術動作時，相比女運動員表現(xiàn)出更大的屈膝力矩(P<0.05)；在完成正手拉弧圈球技術動作時，相比女運動員表現(xiàn)出更小的伸膝力矩。在內收與外展力矩、內旋與外旋力矩方面，不存在性別差異。另外，不論男、女運動員，在完成3 種技術動作時膝關節(jié)力矩幾乎都不存在顯著差異。

表6 乒乓球運動員完成3 種進攻技術膝關節(jié)力矩極值(單位:BH?BW)Table 6 Extreme moment of subject’s knee joint(Unit:BH?BW)

3 討論

3.1 3 種進攻技術的膝關節(jié)運動學特征

本研究結果中，男、女運動員在完成正手攻球技術動作時，膝關節(jié)的屈角均顯著小于正手拉弧圈球技術和反手拉弧圈球技術。這與3 個技術的動作要領有關，攻球時運動員主要向后引拍，身體重心基本維持在一定高度。而拉弧圈球時要求運動員在引拍過程中身體重心稍降低，向后下方引拍。因此，運動員在拉弧圈球過程中膝關節(jié)屈角比攻球過程中更大。同時，在完成反手拉弧圈技術動作時男、女運動員都表現(xiàn)出更小的膝關節(jié)內旋角，說明反手拉弧圈動作引拍過程中運動員身體重心轉移的程度相對較小，更多的是向下引拍，這一結果與當前的反手弧圈技術要領是一致的[12]。另外，男運動員在完成3 種技術動作時比女運動員表現(xiàn)出更大的膝關節(jié)內旋角，這是因為男運動員在引拍過程中支撐腳的腳尖相對沖前，而女運動員支撐腳的腳尖更加偏向身體外側。高速錄像回放也清晰地證實了這一點，男子運動員在重心轉換過程中腳后跟的移動幅度較小，更多依靠膝關節(jié)的扭轉完成；女運動員在重心轉換過程中腳后跟的移動幅度相對更大，膝關節(jié)的扭轉程度相對小一些。

在完成乒乓球技術動作的過程中，為更好地完成蹬轉，運動員雙腳基本不移動。在軀干扭轉時，膝關節(jié)便形成了一定的外展角度。揮拍過程中，男運動員膝關節(jié)外展角顯著大于女運動員，這是男運動員重心轉換的幅度大于女運動員造成的。這一結果與肖丹丹等的研究是一致的[13]，且這個現(xiàn)象在女運動員中表現(xiàn)得更加突出。

在擊球過程中，男、女運動員在完成正手攻球和正手拉弧圈球動作時擊球點并無差異，而在完成反手拉弧圈球技術動作時擊球點存在一定差異[14-15]。本研究結果也顯示完成反手拉弧圈球技術動作過程中，當?shù)孛娲怪狈醋饔昧ψ畲髸r，男運動員膝關節(jié)的屈角顯著大于女運動員，說明男運動員在使用反手拉弧圈時擊球發(fā)力點更低。

3.2 3 種進攻技術的膝關節(jié)負荷的共性探討

從技術的要領看，乒乓球運動員在完成正手攻球和正手拉弧圈球技術動作過程中，首先根據(jù)來球位置向右后方引拍，身體重心逐漸從兩腿之間向右后方移動，直至移到支撐發(fā)力腿(右腿)上，然后支撐發(fā)力腿開始蹬地發(fā)力，隨后完成揮拍擊球。同樣在完成反手拉弧圈球技術動作的過程中，乒乓球運動員支撐發(fā)力腿是左腿，身體重心要向左腿移動，然后由左腿蹬地發(fā)力，隨后完成揮拍擊球。依上述過程，運動員在完成進攻技術動作時，膝關節(jié)支撐發(fā)力腿所受的垂直方向的力隨著身體重心向支撐發(fā)力腿的轉移而增大。本研究結果顯示，乒乓球運動員在完成3 種主要進攻技術過程中，膝關節(jié)的負荷主要來自于垂直方向的三維力與伸膝力矩，同時伴隨著前后方向的力、左右方向的力，以及一定的內收或外展力矩、內旋或外旋力矩。膝關節(jié)垂直受力是脛骨和股骨之間壓力的問題，而膝關節(jié)左右和前后方向的力是膝關節(jié)在半屈狀態(tài)下做出的側向滑移和擰轉動作。垂直方向的壓力在正常情況下都不足以導致膝關節(jié)損傷，但是在有垂直壓力的同時又伴隨有擰轉和切向的滑移動作時，這一動作過程對膝關節(jié)有很嚴重的影響[16-17]，易誘發(fā)膝關節(jié)的損傷。雖然本研究結果顯示乒乓球運動員的膝關節(jié)在左右方向的受力相對較小，但乒乓球運動員在擊球過程中膝關節(jié)始終保持在半屈位置，且膝關節(jié)的內旋或外旋、內收與外展力矩在大部分時間都存在。尤其是在支撐發(fā)力腿蹬轉瞬間，膝關節(jié)的內收外展和內旋外旋角度達到最大值，此時對膝關節(jié)的損傷是很嚴重的，極易造成半月板損傷。

另外，與女運動員相比，男運動員在完成3 種主要進攻技術動作過程中，表現(xiàn)出更小的向后方向力、更大的向前方向力。尤其是在完成正手拉弧圈球技術動作時，更是顯著表現(xiàn)出更大的伸膝力矩與屈膝力矩。這一結果與當前男、女運動員的技術表現(xiàn)是相吻合的[18]。男運動員在訓練或者比賽中，更容易形成中遠臺的相持[19]。為了保持擊球的質量、維持一定的球速，他們在擊球過程中向前發(fā)力更加明顯，身體后坐相對較少。而女運動員的技術打法要求她們的站位更加貼近球臺[20-21]，在近臺對攻過程中，球速相對較快，拉弧圈球時引拍動作往往顯得稍慢，以至于軀干稍向后傾。

3.3 3 種進攻技術的膝關節(jié)負荷的差異探討

本研究結果顯示，男運動員在完成反手拉弧圈球技術動作時，比完成正手攻球和正手拉弧圈球動作表現(xiàn)出更小的向前方向的力，且差異顯著。女運動員在完成反手拉弧圈球技術動作時，比完成正手拉弧圈球動作表現(xiàn)出更小的向前方向力，且差異顯著。由于運動員身體活動范圍的限制，以右手執(zhí)拍運動員為例，完成正手攻球和正手拉弧圈球技術動作過程中，可以充分地向右后方引拍，揮拍擊球時也可以充分地向左前方發(fā)力。而在完成反手拉弧圈球技術動作過程中，運動員向左后方向的引拍幅度是受到一定限制的，難以充分地向后引拍，因此在揮拍擊球時，向前方向的發(fā)力必然不如正手攻球和正手拉弧圈球技術。

男、女運動員在完成反手拉弧圈球技術動作時，膝關節(jié)所受到的向上方向的力的最小值顯著小于完成正手攻球和正手拉弧圈球技術時所受到的力。同時，男運動員在完成反手拉弧圈球技術動作時，膝關節(jié)所受到的向上方向的力的最大值也小于正手攻球和正手拉弧圈球技術。而女運動員在完成反手拉弧圈球技術動作時，膝關節(jié)所受到的向上方向的力的最大值卻大于正手攻球和正手拉弧圈球技術，在均值上表現(xiàn)出了一定的差別。乒乓球運動員在完成技術動作過程中，膝關節(jié)在受到垂直方向力的同時，所受到的左右方向的力是引發(fā)損傷的重要因素。因此，運動員完成不同技術動作時，膝關節(jié)所受的左右方向的力的差異值得關注，即便它們并不存在顯著的差異。從均值看，男運動在完成正手攻球和正手拉弧圈球技術動作時，膝關節(jié)所受到的左右方向的力相對大于完成反手拉弧圈球動作時的力，而女運動員在均值上并未表現(xiàn)出差別。顯然，正手攻球和正手拉弧圈球技術對于男運動員來說，在理論上的損傷風險相對更大，而女運動員3 種技術的損傷風險差別不大。

4 結論與建議

4.1 結論

1)完成3 種進攻技術動作時，男運動員膝關節(jié)的屈角比女運動員更大；3 種技術動作中，正手攻球的屈角最小。2)完成3 種進攻技術動作時，膝關節(jié)所受負荷主要源于垂直方向的力與伸膝力矩，同時伴隨有一定前后方向與水平方向的力，以及內收與外展力矩、內旋與外旋力矩。3)與女運動員相比，完成3 種進攻技術動作時男運動員的膝關節(jié)負荷更大。4)男運動員在完成反手拉弧圈球技術動作時，膝關節(jié)損傷風險較另兩種技術更小，而女運動員在完成3 種技術動作時的膝關節(jié)損傷風險相近。

4.2 建議

1)進一步對不同訓練水平、不同年齡段的乒乓球運動員進行相關研究，以全面了解乒乓球運動員膝關節(jié)的負荷特征。2)在對運動員進行等速肌力測試的基礎上，有針對性地合理增加運動員的下肢力量，以減少膝關節(jié)損傷發(fā)生的風險。3)依據(jù)乒乓球運動員膝關節(jié)負荷特征，進一步設計與研究有助于膝關節(jié)防護的訓練手段。4)在乒乓球鞋的設計上，要多考慮垂直方向減震緩沖的功能。