足弓剛度對縱跳動作的下肢生物力學(xué)影響

黃 濤,但林飛,吳佩琦,劉 鑫,王維蕊,任家銳,李建設(shè)

(寧波大學(xué) 體育學(xué)院,浙江 寧波 315211)

0 前 言

人的足弓是由跗骨、跖骨和周圍韌帶、肌腱和肌肉組成的彈性收縮性凸面結(jié)構(gòu)[1]。其內(nèi)在和外在肌肉組成的主動彈性系統(tǒng)在維持足部穩(wěn)定和足部運動起著重要作用,并通過小關(guān)節(jié)間的協(xié)同作用實現(xiàn)下肢與地面之間動力的有效傳遞[2]。在步態(tài)支撐期,足弓發(fā)生形變(拉長與壓縮)從而將運動沖擊載荷作為彈性勢能進(jìn)行吸收;而在支撐末期,足部通過轆轤機(jī)制調(diào)節(jié)足弓剛度,足底筋膜的被動回彈對提高步態(tài)效率產(chǎn)生了積極作用。剛度較大的足部結(jié)構(gòu)可使踝關(guān)節(jié)跖屈肌產(chǎn)生巨大推進(jìn)力,提高人體的運動表現(xiàn)[3]。張燊等研究總結(jié),足部的形態(tài)與功能都離不開足部肌肉的貢獻(xiàn)[4]。Deminic James Farris等研究了行走蹬伸階段的足部功能,發(fā)現(xiàn)維持足部張力涉及跖屈肌和足部固有肌肉主動競爭[5]。Tyler J.Kirby等在進(jìn)行不同下蹲深度的逆向運動跳躍和靜態(tài)跳躍實驗中發(fā)現(xiàn)相對凈垂直沖力決定了跳躍高度[6]?？梢?足弓的結(jié)構(gòu)類型和其肌肉之間的收縮能力是影響足部運動表現(xiàn)的主要因素。

縱跳主要反映人體下肢爆發(fā)力,常被用于評價下肢爆發(fā)力,其肌肉收縮類型屬于超等長收縮,是人進(jìn)行跳躍活動的基礎(chǔ)之一。在以往的研究中,鄭永華等發(fā)現(xiàn)足部肌肉和大小腿圍與縱跳能力有顯著相關(guān)性[7]。王明波在下肢加壓訓(xùn)練效果的研究中,將單腿縱跳高度作為下肢爆發(fā)力的測試指標(biāo)[8]。吳國棟把縱跳能力應(yīng)用于拳擊項目的訓(xùn)練中,同時表示縱跳是一種強(qiáng)化性測試,能提高神經(jīng)-肌肉的協(xié)調(diào)性,可作為反映下肢爆發(fā)力的重要指標(biāo)[9]。在跳高運動中,運動員通常以單腿起跳完成跳躍動作,因此單腿縱跳能力是運動員在比賽中取得優(yōu)異成績必備的運動素質(zhì)。

綜上所述,縱跳能力與肌肉爆發(fā)力以及神經(jīng)-肌肉的協(xié)調(diào)性相關(guān),現(xiàn)有關(guān)足弓剛度對縱跳能力影響的論述較少,在此進(jìn)一步探討其影響關(guān)系。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

招募15名男性二級跳高運動員,基本信息為:年齡(22.2±0.5)歲,身高(174.0±3.3)cm,體重(67.3±1.6)kg,跳高成績(186.2±1.5)cm,BMI(21.7±2.4)kg/m2(表1)。

1.2 足部型態(tài)建模

采用Easy-Foot-Scan (Ortho Baltic,Kaunas, Lithuania)對受試者足部形態(tài)進(jìn)行紅外光學(xué)掃描,分辨率為1.0mm,平滑度為30mm,孔洞填充為100mm[10,11]。所有受試者分別在站姿和坐姿狀態(tài)下完成腳部掃描,并保持兩腿分開,與肩同寬[1,12],選取受試者優(yōu)勢腳進(jìn)行測量。(圖1)足弓高度系數(shù)(Arch Height Index,AHI)的測量方法為:用腳背點到表面的垂直距離(腳背高度)除以第一跖骨關(guān)節(jié)突起到[小腿骨最后方距離(腳球長度)]足跟最遠(yuǎn)端的距離(截斷長度)[13,14],根據(jù)足部形態(tài)掃描得到的足部圖像,用AutoCAD軟件計算足部結(jié)構(gòu)變量。AHI≥0.356確定為高弓足,AHI≤0.275確定為扁平足。足弓剛度系數(shù)(Arch Stiffness Index,ASI)的計算方法為:ASI=0.4×體重/[(AHI(坐姿)-AHI(站姿)],研究表明,數(shù)值1 524為ASI中位數(shù)[1]。因此,基于上述標(biāo)準(zhǔn),本次研究的參與者被分為兩組:高剛度足弓組(Stiff Arch,ASI>1 524)和低剛度足弓組(Flexible Arch,ASI<1 524)。根據(jù)ASI測量結(jié)果將受試者分為:高剛度足弓組(n=8)和低剛度足弓組(n=7),受試者實驗前24h未做過劇烈運動且精神狀態(tài)良好,下肢半年內(nèi)無明顯傷病并均在預(yù)實驗中掌握縱跳動作,知曉實驗?zāi)康暮土鞒?簽署實驗同意書。

圖1 Easy-Foot-Scan紅外光學(xué)掃描圖

1.3 動態(tài)單腿縱跳測量

受試者根據(jù)要求進(jìn)行單腿縱跳實驗,采用紅外運動捕捉系統(tǒng)(Vicon Motion System Ltd.,Oxford,UK,200Hz)和測力臺(AMTI,Watertown,MA,United States,1000HZ)采集受試者單腿縱跳動作的下肢運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)。正式實驗開始前,受試者知悉并同意實驗流程,隨后進(jìn)行5min慢跑熱身及熟悉動作要求。具體單腿縱跳動作要求如下:①雙手叉腰(避免手臂擺動影響運動效果);②右下肢支撐,左下肢屈膝于體側(cè);③身體快速下蹲,膝關(guān)節(jié)自然屈曲;④支撐腳全力迅速向前下方蹬伸,快速向上起跳,擺動腿順勢擺。兩次起跳之間有充足休息時間,每位受試者3次有效數(shù)據(jù),導(dǎo)出Vicon Nexus軟件創(chuàng)建的C3D格式文件,使用 Visual 3D軟件(C-Motion Inc., Germantown, MD, USA)計算髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)在三維運動面內(nèi)的關(guān)節(jié)運動學(xué)和動力學(xué)變量。基于Vicon三維運動捕捉系統(tǒng)采集的運動學(xué)參數(shù)對髖、膝、踝在矢狀面、冠狀面和水平面內(nèi)的的三維運動進(jìn)行定義。并在Visual3D軟件中采用逆向運動學(xué)算法計算下肢三個關(guān)節(jié)的運動角度。(圖2)

圖2 紅外運動捕捉系統(tǒng)和測力臺

1.4 統(tǒng)計分析

統(tǒng)計結(jié)果使用Microsoft Excel 2000和SPSS 19.0軟件(SPSS Inc.,Chicago, IL,USA)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。實驗數(shù)據(jù)均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(M±SD)的形式表示,應(yīng)用Shapiro-Wilks檢驗來檢查正態(tài)分布。采用獨立樣本t檢驗對右下肢的運動學(xué)、動力學(xué)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析,P值小于0.05為具有顯著性差異。

表1 不同組別受試者的人體測量基本信息

2 研究結(jié)果

2.1 足弓剛度與vGRF的線性回歸方程

對足弓剛度(ASI)與垂直地面反作用力(vGRF)進(jìn)行正態(tài)性檢驗,簡單線性回歸僅要求回歸殘差接近于正態(tài)分布,本研究的線性回歸方程可以概括為vGRF=0.00065ASI+0.909其中,0.00065是斜率,0.909是截距。SPSS對回歸截距和斜率的輸出結(jié)果如表2

表2 ASI和vGRF線性回歸結(jié)果

2.2 運動學(xué)結(jié)果

單腿縱跳起跳階段下肢踝關(guān)節(jié)所達(dá)到的關(guān)節(jié)伸展程度指標(biāo)及獨立樣本t檢驗結(jié)果如表3,圖3,4,5所示,研究結(jié)果表明,在單腿縱跳運動中,起跳離地時刻高剛度足弓組在關(guān)節(jié)活動度(45.85°±6.91°VS 55.28°±7.16°)和峰值vGRF時刻踝屈角(21.24°±4.4°VS 24.43°±3.6°)與低剛度足弓組有顯著性差異(P<0.05),而在最大角速度上兩組沒有顯著差異(P>0.05);下肢膝關(guān)節(jié)所達(dá)到的關(guān)節(jié)伸展程度指標(biāo)及獨立樣本t檢驗結(jié)果如表3,圖3,4,6所示,研究結(jié)果表明,在單腿縱跳運動中,起跳離地時刻高剛度足弓組在關(guān)節(jié)活動度(102.99°±9.67°VS 118.45°±20.16°),峰值vGRF時刻膝屈角(53.14°±8.75° VS 56.63°±6.02°)與低剛度足弓組有顯著性差異(P<0.05),而在最大角速度上兩組沒有顯著差異(P>0.05);下肢髖關(guān)節(jié)所達(dá)到的關(guān)節(jié)伸展程度指標(biāo)及獨立樣本t檢驗結(jié)果如表2,圖3,4,7所示,研究結(jié)果表明,在單腿縱跳運動中,起跳離地時刻較高剛度足弓組在關(guān)節(jié)活動度(38.48°±7.74°VS 33.42°±5.48°),最大角速度(499.13°/s±60.29°/s VS 462.92°/s±56.16°/s)以及峰值vGRF時刻髖屈角(32.34°±8.63°VS 28.13°±10.32°)與低剛度足弓組有顯著性差異(P<0.05),而在最大角速度上兩組沒有顯著差異(P>0.05)。

圖3 各關(guān)節(jié)活動度圖4 各關(guān)節(jié)峰值vGRF時刻屈角

表3 不同剛度足弓矢狀面髖、膝、踝三關(guān)節(jié)運動學(xué)參數(shù)

圖5 踝關(guān)節(jié)屈/伸角度

表4 單腿縱跳中高剛度足弓和低剛度足弓矢狀面髖、膝、踝三關(guān)節(jié)動力學(xué)比較

2.3 動力學(xué)結(jié)果

2.3.1 單腿縱跳中高剛度足弓和低剛度足弓矢狀面髖、膝、踝三關(guān)節(jié)動力學(xué)比較。單腿縱跳的髖膝踝三關(guān)節(jié)動力學(xué)數(shù)據(jù)及獨立樣本t檢驗分析統(tǒng)計結(jié)果如表4,圖8所示,結(jié)果顯示:在單腿縱跳過程中,高剛度足弓受試者和低剛度足弓受試者的髖關(guān)節(jié)垂直峰值力矩分別為(3.25Nm/kg±0.97Nm/kg VS 2.12Nm/kg±0.76Nm/kg,P<0.05),膝關(guān)節(jié)垂直峰值力矩分別為(4.39Nm/kg±1.27Nm/kg VS 3.24Nm/kg±0.93Nm/kg,P<0.05),踝關(guān)節(jié)垂直峰值力矩分別為(9.96Nm/kg±2.14Nm/kg VS 6.67Nm/kg±2.38Nm/kg,P<0.05),峰值vGRF(2.86BW±0.43BW vs 2.34BW±0.30BW,P<0.05)以及沖擊加載率(15.2BW/s±1.8BW/s VS 12.3BW/s±0.9BW/s,P<0.05)。

圖8 各關(guān)節(jié)起跳峰值力矩

3 分析與討論

3.1 足弓剛度系數(shù)與垂直地面反作用力的相關(guān)性分析

通過比較人體站姿和坐姿之間的足弓高度差,可以有效反映足弓的動態(tài)負(fù)荷適應(yīng)性,被認(rèn)為是足弓剛度的一個通常評價指標(biāo)[15]。佟澤昊等研究得出,在最大深蹲重量與自身體重比值相等條件下進(jìn)行縱跳,正常足因足部接觸面積比扁平足小,壓強(qiáng)更大,可獲得更好發(fā)力效果,縱跳能力優(yōu)于扁平足[16]。本研究足弓剛度是根據(jù)同一受試者在站姿與坐姿下足弓高度差大小進(jìn)行評價,剛度較大的足弓在站姿狀態(tài)下足弓塌陷程度較小,與地面的接觸面積較小,由ASI、AHI定義式可知ASI指數(shù)是隨站姿弓高增加而增加,這與前人在關(guān)于正常足比扁平足的縱跳過程中有更好發(fā)力效果的結(jié)論是一致的。經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化的垂直地面反作用力可以反應(yīng)縱跳能力[17,18],與足弓剛度大小呈高度相關(guān)性。

3.2 起跳時期各關(guān)節(jié)的運動學(xué)分析

在起跳過程中,足弓可以起到剛性杠桿的力量傳導(dǎo)作用,又可以通過拱形結(jié)構(gòu)完成彈性勢能的累積[19]。足弓的高度可以發(fā)生一定的下降以此達(dá)到緩沖的目的,從而減少對踝、跖骨應(yīng)力過大而形成的損傷[20]。在進(jìn)行剛性杠桿作用時,僅憑足底筋膜的參與無法完成跳躍的轉(zhuǎn)化,還需要足部的結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的改變來完成足部對地面的蹬離,高剛度系數(shù)的足弓在一定程度上通過足部發(fā)生趾屈、背屈變化的來增加對足底肌肉牽拉的需求要少于低剛度系數(shù)的足弓,同理在峰值vGRF時刻踝屈角變化的需求也較小[14]。在經(jīng)由踝關(guān)節(jié)代償后,兩組的起跳膝屈角、起跳髖屈角差異并不顯著。在單腿縱跳運動過程中,屈曲緩沖階段人體向下加速,當(dāng)屈曲緩沖到身體重心最低點時,人體稍作靜止,隨后人體向上做加速運動,下肢關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角速度在這一階段出現(xiàn)最大值。結(jié)果顯示在單腿縱跳運動過程中,高剛度足弓組和低剛度足弓組的髖關(guān)節(jié)最大角速度具有顯著性差異,其它關(guān)節(jié)最大角速度指標(biāo)均沒有統(tǒng)計學(xué)差異。這說明在單腿縱跳的運動學(xué)表現(xiàn)上,各個關(guān)節(jié)較為相似,而在髖關(guān)節(jié)的運動學(xué)指標(biāo)表明,高剛度足弓組在起跳過程中上半身抬起較大。井香蘭研究指出,縱跳高度決定因素為起跳時伸髖、伸膝、跖屈速度,在向心收縮階段,髖關(guān)節(jié)伸展角速度逐漸增大,直至離地前降低[21]。結(jié)合髖關(guān)節(jié)的其他角度指標(biāo)發(fā)現(xiàn),高剛度足弓組在髖關(guān)節(jié)的運動上與低剛度足弓組具有一定的差異,高剛度足弓組具有較大的角速度。李崇華研究得出,髖伸展的角速度與SJ(由半蹲開始做垂直跳)、CMJ(直立下蹲原地垂直跳)和跳遠(yuǎn)重心騰起速度呈高度相關(guān)結(jié)論,表明了在下肢爆發(fā)力中髖關(guān)節(jié)的運動起主要作用[22]。相對低剛度足弓組,高剛度足弓組在起跳時髖關(guān)節(jié)角速度較大,這表明其離地重心騰起速度也較大,跳躍高度相對更高,這和前人研究顯示一致。而高剛度足弓組起跳時髖關(guān)節(jié)角速度較大原因,本研究認(rèn)為是高剛度足弓足底較大壓強(qiáng)差作用足髖部肌肉產(chǎn)生于更大爆發(fā)力而致。也有研究表明[23,24],對于不同的受試者而言,最佳的關(guān)節(jié)起跳角度是不同的,本文中高剛度足弓組其髖關(guān)節(jié)的角度對于受試者來說可能有助于起跳高度的獲得。在起跳過程中,正是通過踝膝髖的力量傳導(dǎo)順序形成動力鏈增加跳躍高度。

3.3 起跳時期各關(guān)節(jié)的動力學(xué)分析

下肢作為一個多環(huán)節(jié)系統(tǒng),髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運動與人體內(nèi)部動力鏈相互聯(lián)系[25]。本研究發(fā)現(xiàn)足弓剛度差異對近端關(guān)節(jié)(如髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié))的運動補償顯著影響。 線性回歸方程vGRF是ASI正比例函數(shù),表現(xiàn)ASI1組因足弓剛度高比ASI2組有更大下肢爆發(fā)力,體現(xiàn)力學(xué)上合理性。也有研究指出,根據(jù)人體力學(xué)規(guī)律,髖關(guān)節(jié)向上位移,對應(yīng)的肌肉要產(chǎn)生一個大小相等方向相反的力,這個力的反作用是使地面向上推動自身,髖關(guān)節(jié)作用是使人體重心產(chǎn)生更向上運動的趨勢[26]。從運動生物力學(xué)解釋縱跳推離或起跳階段:由于提供蹬伸地面反作用力的張力動力源踝關(guān)節(jié)跖屈肌、拇指外展肌和拇指屈肌激活,可興奮運動單位募集,這時與較低剛度足弓相比,高剛度足弓壓強(qiáng)較大,因壓強(qiáng)特性這將同加載作用在垂直于被募集運動單位張力方向的橫截面S運動單位上,形成由AHI貢獻(xiàn)同向的垂直地面反作用力ΔGRF足弓=(P自重/S高剛度足-P自重/S低剛度足)×S運動單位[18],而與AH、FDB主動肌肉張力提供垂直地面反作用力匯合組成向上正向合推力[27]。由動力學(xué)得其克服自重,產(chǎn)生高于原先垂直地面反作用力的動力加速度,獲得比低剛度足弓在同等條件下更大縱跳高度。有研究發(fā)現(xiàn)足弓高度與足弓剛度之間存在顯著相關(guān)性,較低的足弓對應(yīng)較低剛度系數(shù)的足弓(反之同理)[15]。雖然本研究所測得足弓中不包含過度低足弓,但有研究發(fā)現(xiàn),過度的低足弓也會導(dǎo)致下肢肌力的下降[28]。高足弓可壓縮量大,足部蓄能有如彈簧般特性,彈性勢能與足弓壓縮形變高度改變量呈正相關(guān),高弓足在起跳前通過壓縮足弓所儲存的彈性勢能較大,這使得離地瞬間足底絞盤效應(yīng)[5,29]進(jìn)一步釋放彈性勢能轉(zhuǎn)化為蹬離地面的動能,獲得更好的縱跳運動表現(xiàn)。

關(guān)節(jié)峰值力矩反映下肢關(guān)節(jié)調(diào)控能力的差異,與低剛度足弓相比,高剛度足弓組在踝、膝、髖關(guān)節(jié)峰值力矩均與低剛度足弓組有顯著性差異,這表明高剛度足弓運動員有更大的下肢關(guān)節(jié)剛度。在接近個人能力閾值條件下,神經(jīng)肌肉回饋系統(tǒng)可作進(jìn)一步調(diào)整,以產(chǎn)生更大爆發(fā)力實現(xiàn)有效蹬離;而低剛度足弓組的爆發(fā)力、力量和協(xié)調(diào)性只能作適應(yīng)性增加,體現(xiàn)了神經(jīng)-肌肉系統(tǒng)調(diào)配下肢的能力和足弓剛度大小相關(guān)。Kota等通過增加鞋內(nèi)碳纖維板調(diào)節(jié)腳/鞋復(fù)合體剛度效果得出,在腳部增加剛度明顯增加比目魚肌的激活和輸出;也改變了站立位壓力中心傳播,導(dǎo)致踝部跖屈肌齒輪比增加[30],增大了踝關(guān)節(jié)的緩沖力矩,使得起跳效果更好。在討論起跳時,鄭亦華把起跳動作有條件地分為下蹲階段、下蹲結(jié)束階段和起跳階段。如果下蹲速度愈大,而身體下蹲結(jié)束時制動速度愈明顯,那么支撐反作用力將愈大,這與理論解釋相一致[24]。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

4.1.1 足弓剛度與縱跳地面反作用力峰值間存在顯著正向線性關(guān)系,高剛度足弓受試者在縱跳能力方面優(yōu)于低剛度足弓運動員,其沖擊加載率會在一定程度變大而踝膝關(guān)節(jié)的曲角減小。

4.1.2 起跳時髖關(guān)節(jié)最大角速度與足弓剛度大小呈顯著相關(guān)性,其較高的足底反作用力通過踝膝傳遞至髖部而產(chǎn)生更大離地初速度和伸髖角速度,可為縱跳動力鏈力學(xué)分析提供參考。

4.2 建議

4.2.1 在跳躍類項目我們應(yīng)該關(guān)注運動員足底肌肉力量訓(xùn)練,同時運動員選材也應(yīng)選擇足弓剛度較高者。在描述跳躍過程中的足部及其生物力學(xué)特征時,使用靜態(tài)足部分類值得納入考量。

4.2.2 在運動鞋墊的選擇中,低剛度足弓運動員可以選擇在鞋墊上內(nèi)嵌碳板增加硬度,使足弓有更好的支撐,變相提升足弓剛度(應(yīng)該對高低足弓提出不一樣的建議)。