人体不同高度下落地面冲击力及下肢关节肌力矩变化特征研究

成万祥,魏书涛,张胜年

(上海体育学院体育教育训练学院,上海 200438)

人体不同高度下落地面冲击力及下肢关节肌力矩变化特征研究

成万祥,魏书涛,张胜年

(上海体育学院体育教育训练学院,上海 200438)

研究不同高度落地时地面冲击力及关节肌力矩的变化。结果表明:踝、膝、髋关节处的关节肌力矩第一波峰峰值随落地高度的增加而增大,踝、膝、髋关节处的关节肌力矩第一波峰出现时间随落地高度升高而减小,第二波峰随落地高度的升高呈现先增大后减小的趋势,在 50cm时出现的时间最长;踝、膝、关节肌力矩第一波峰峰值与垂直落地高度呈显著相关。根据地面反作用力峰值可以较为准确的推断出关节肌力矩的峰值变化。

垂直落地,缓冲,GRF,关节肌力矩

1 前言

缓冲是人体下肢的基本运动形式,也是人体的最基本的运动技能之一;在竞技运动中,缓冲机能更是影响运动员的成绩、运动伤害发生的重要因素[1-5]。当今医学工程中,人工假肢制造,病伤后康复,人体运动计算机仿真等都涉及到了对人体下肢缓冲动作的研究。目前国内、外对缓冲动作的研究大多集中在某个专项动作技术的运动学特征与规律的探讨[6-10],而从人体机能学角度研究人体落地缓冲地面的冲击性及其对关节肌力矩的影响等方面尚待深入。本文以人体在不同高度垂直落地时的缓冲过程为研究内容,探讨人体下肢在落地过程中的地面冲击力及关节肌力矩变化特征,为认识人体缓冲过程中下肢运动的动力学特征提供实验依据;同时为人体运动的计算机仿真、构建人体下肢的缓冲模型提供参考。

2 研究方法

2.1 实验对象

选取上海体育学院运动训练专业无运动损伤史的本科生 23名,运动员级别为二级或二级以上,受试者基本情况如下(表 1)。

表1 受试者基本情况

2.2 实验方法

运用英国生产V ICON红外线自动示踪影像采集系统捕捉运动学数据,采样频率为 300Hz。依据人体解剖标志及系统三维重构的基本要求分别将 20个直径为14mm Marker球准确置放于人体各环节的标志点上。地面冲击力使用 KISTLER三维测力台采集,测力台面积900×600mm2,采样频率为900HZ,经数模转换器与Vicon红外自动示踪影像采集系统同步采集数据。自主设计、制作的翻板架。翻板架的翻板最低高度为 30cm,最大高度为 65cm,共有 8档不同高度,最小档间距为5cm。

2.3 实验步骤

测量受试者身高、体重,并记录有关训练的基本情况。受试者充分热身活动后,实验人员讲解测试动作的基本要求,并做示范动作。受试者立于翻板架的翻板平台上,翻板人工控制突然翻转,使受试者垂直落于测力平台上,Vicon红外采集系统捕捉人体下落与地面冲击的动作过程,测力平台测量冲击力变化及压心变化。受试者依次从不同高度上落地,分别为 30、35、40、45、50、55、60、65cm,共进行 8个高度的测试;每一高度重复测量三次,取最优一次动作用于数据处理。

2.4 数据处理

原始数据运用 V ISUAL3D软件 (版本为 Visual3D Version 3.34.0),SBCAS2软件对实验数据进行处理,依据逆向动力学原理与基本算法计算关节肌力矩,运用 SPSS13.0对数据进行统计分析。

3 研究结果与分析

3.1 人体落地时地面冲击反力的基本特征

测试结果表明,人体非自主性落地地面冲击力波形主要有四种:一是形似“山”字状的 3峰波 (图 1-A);二是双峰波 (图 1-B)。第三种只有第二波峰的地面反作用力图(如图1-C),第四种是只有第二波峰和第三波峰(如图 1-D)。据实验测试结果,“山”字状的 3峰波出现频度最高,在共计 552次测试中约占63.6%,双峰波形出现的几率占总实验动作次数的20.1%。3-1A型多出现在 40cm-65cm下落高度,表明随下落高度增加,人体会调整缓冲过程,巨大的冲击能量在缓冲过程被多结构所吸收。

图1 人体垂直下落地面冲击力特征

3.2 不同下落高度的地面冲击反力特征

冲击地面反作用力的波形主要表现为“三峰波”和“双峰波”特征(见图 1A、B,几率是 83.7%)。因此本文主要对下落的高度因素对地面冲击反力第一波峰和第二波峰的影响进行分析。

3.2.1 人体不同高度下落地面冲击反力波峰的时序特性

以开始触地瞬间为时间原点,分别求出 8个高度下地面冲击的第一波峰、第二波峰出现的时间和总的缓冲时间(从触地瞬间至重心位置最低时刻)的平均时间。如图 2可得,第一波峰和第二波峰出现时间的整体趋势先略微增加,然后再减小。总的缓冲时间整体的变化趋势为增大,与垂直落地的高度的变化趋势一致。所有高度第一波峰第二波峰出现平均时间与总缓冲时间见表2。

表2 地面反力一、二波峰与总缓冲时间

本研究中将地面反作用力第一波峰、第二波峰以及总缓冲时间与垂直落地高度的变化进行相关性分析,结果表明:地面冲击力出现第一、二波峰的平均时间与垂直落地的高度变化之间不存在相关性 (P>0.05),冲击时间较稳定,这主要是因为第一、二冲击波时序性取决于足的几何结构与力学性能 (足底刚度)。落地缓冲总时间与落地高度的变化呈现高度的正线性相关性(P<0.05),这是由于总缓冲时间主要受关节运动与肌肉控制有关。

3.2.2 标准化地面反作用力峰值变化趋势

标准化地面冲击力第一波峰和第二波峰峰值随落地高度的增高而逐渐增大,如表 3、图 3。

表 3 标准化地面反力第一、二波峰峰值表(力/体重)

对标准化的第一、二波峰力值与下落高度进行相关性分析,结果表明,地面冲击力的第一波峰与垂直落地的高度呈现高度的正线性相关 (P<0.01);而第二波峰力值与落地高度的关联度低于第一波峰的关联度(P<0.05)。

3.3 踝、膝、髋关节处肌力矩

3.3.1 踝、膝、髋关节肌力矩波峰出现时间

以触地瞬间为时间的原点,在不同高度垂直落地时,下肢三关节肌力矩波峰出现的平均时间见表 4。

表4 下肢关节肌力矩波峰出现时间

踝、膝、髋关节肌力矩出现第一波峰的时间与垂直落地高度之间的关系如图 4所示。随着垂直落地高度的升高,三关节的肌力矩第一波峰出现的时间呈递减趋势,并且踝、膝、髋关节肌力矩出现的时间依次延长。

踝、膝、髋关节肌力矩出现第二波峰的时间与垂直落地高度之间的关系如图 5所示。随着垂直落地高度的升高,三个关节的肌力矩第二波峰出现的时间呈先递增后减小的趋势,并且踝、膝、髋关节肌力矩出现的时间依次延长。其中膝关节和髋关节处关节肌力矩出现时间十分接近。下肢关节肌力矩的第二波峰出现的时间在 55cm处出现的时间最晚,出现此现象的原因可能是因为在小于 55cm的高度时,地面反作用力的冲击能被人体较好的缓冲,而在超过 55cm时,人体的对地面的冲击力的吸收需要人体加快肌肉的收缩,防止人体的过度缓冲,而导致关节肌力矩第二波峰出现的时间提前。

踝、膝、髋关节肌力矩第一波峰峰值与垂直落地的高度进行相关性分析,结果踝、膝、髋关节肌力矩第一波峰出现时间与垂直落地高度存在高度的负线性相关(P<0.01)。地面冲击力的第一波峰峰值与落地高度存在高度的正线性相关,表明随着地面反作用力的第一波峰峰值的增加,下肢关节的肌力矩第一波峰出现的时间提前。对踝、膝、髋关节肌力矩第二波峰值出现的时间与垂直落地的高度进行相关性分析,结果表明二者关联度较低(P>0.05)。

3.3.2 踝、膝、髋关节肌力矩峰值变化

踝、膝、髋关节肌力矩第一、二波峰峰值在不同垂直高落地变化情况如图 6、图 7。踝、膝、髋关节肌力矩的第一波峰力值随垂直落地高度的变化呈递增趋势。以髋关节肌力矩曲线的斜率为最大,表明随着垂直落地高度的增加,大腿部肌群与腰部肌群对控制人体姿势,提高人体缓冲能力的作用也越来越大。由图 7可得踝、膝、髋关节肌力矩的第二波峰峰值随垂直落地高度的变化呈递增趋势。踝关节肌力矩的变化趋势不明显,而且数值变化不大。其值见表 5、6。其原因可能是因为在第二波峰出现时,地面反作用力的作用点已经由脚前掌过渡到脚后部,因此地面反作用力在踝关节处产生的外力矩减小,踝关节的关节肌力矩减小。而膝、髋关节肌力矩呈现明显的增大趋势 (负值为伸膝、髋肌力矩),这是由于在膝、髋关节肌力矩出现第二波峰时,膝、髋关节关节位置前移,角度减小,力臂增大所致。此时,为了抵抗人体的下降趋势与保持人体的姿势,膝、髋关节的伸肌做离心收缩,产生较大的膝、髋关节伸肌力矩。

表 5 踝、膝、髋关节肌力矩第一波峰力值

表 6 踝、膝、髋关节肌力矩第二波峰力值

对踝、膝、髋关节肌力矩在不同垂直落地高度落地缓冲产生的第一、二峰值进行独立样本 T检验,结果表明不同高度垂直落地时踝、膝、髋关节处的关节肌力矩的第一波峰峰值两两间存在显著差异 (T<0.05),踝与髋关节处存在极显著差异 (T<0.001)。不同高度垂直落地时踝、膝、髋关节处的关节肌力矩第二波峰峰值两两间均存在极显著差异(T<0.001)

对踝、膝、髋关节肌力矩第一峰的峰值与不同垂直落地高度进行相关性分析,结果表明踝、膝、髋关节处肌力矩的第一波峰峰值与垂直落地高度均存在显著相关(P<0.001)。但是踝、膝、髋关节处的肌力矩的第二峰峰值与落地高度不存在相关性。

综上所述,由地面反作用力第一、二波峰峰值与落地高度存在显著相关性,而踝、膝、髋关节处的肌力矩第一峰峰值与出现的时间与落地高度存在显著相关,但是关节肌力矩的第二峰峰值与出现的时间却与落地高度不存在相关性。因此我们可以推断,人体对地面反作用力第一波峰的冲击反应是被动的,人体的神经肌肉系统未能对地面冲击力做出响应,此时人体的被动缓冲功能发挥主要作用。由地面反作用力的第二峰峰值与落地高度存在显著相关,而下肢关节肌力矩的第二峰峰值及出现的时间却与落地高度不存在相关性,这表明此时人体的神经肌肉系统已经被激活,产生肌肉活动,通过关节肌力矩来调整下肢三环节的运动模式,缓冲地面反作用力冲击,此时人体的主动缓冲功能在起作用,因此关节肌力矩的第二峰峰值及出现时间均与落地高度无相关性。

踝、膝、髋关节的关节肌力矩第一、二波峰峰值的T检验结果说明,踝关节与膝关节的关节肌力矩第一峰值不存在显著差异,说明在被动缓冲过程中,踝、膝关节对人体被动缓冲能力的贡献是近似的。而踝、膝、髋关节肌力矩的第二峰值均存在显著差异,说明在不同高度垂直落地时,人体主动缓冲过程中,踝、膝、髋关节对人体缓冲能力的贡献不一样,髋关节贡献度最大,踝关节贡献度最小。伴随垂直落地高度的增加,髋关节在缓冲中的作用越来越大。

4 总结

垂直落地过程中,地面反作用力的形态主要为“山”形。第一、二波峰峰值与落地高度呈现显著相关。踝、膝、髋关节处的关节肌力矩第一波峰峰值及出现时间与落地高度呈现显著相关,但第二波峰峰值及出现时间与落地高度均无相关性。垂直落地缓冲过程中,首先为被动缓冲,其后为主动缓冲。

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Changing Character of the Ground Reaction Force and Joint Torque of Lower L imbsDuring Landing from D ifferent Height

Cheng W an-xiang et al
(Physical Education Department,Shanghai SportUniversity,Shanghai 200438)

This paper researches the change of the ground reaction forces and joint torque of lower l imbs during landing from different height.Research findings are as follows:The peak value of the first peak for the joint torque of lower limbs increaseswith the increase in the landing height,while the emergence time of the peak value of the first peak decreaseswith the increase in the landing height;the second peak displays the trend of first increase followed by decrease with the increase in the landing height,with the max imal emergence time at 50cm;the peak value of the first peak for the joint torque of lower limbs is obviously correlated to the landing height,which means the peak value change of the joint torque can be deduced from the peak value of the ground reaction force.

landing,cushion,GRF,joint torque

G804.6

A

1001—9154(2010)03—0064—05

book=64,ebook=28

G804.6

A

1001—9154(2010)03—0064—05

上海市教委第五期重点学科建设项目资助,编号 J51001。

成万祥 (1952-),男,上海市人,教授,博士。

2009—12—05