鞭腿击打不同类型目标时支撑腿踝关节运动危险性的生物力学分析

苏健蛟　李大龙

摘 要：为预防鞭腿技术因击打不规范而造成支撑腿踝关节的运动损伤，运用VICON System 3D运动捕捉系统与Polygon分析软件，对鞭腿击打三种不同类型目标研究表明：支撑腿接触地面瞬间踝关节内旋角度；击打瞬间内旋角速度；回旋力矩均存在显著性差异（P<005）。击打脚靶时身体重心过于靠前，踝关节角度呈背屈、内翻和外旋运动；踝关节快速外旋运动时与地面反作用力结合形成对踝关节运动的阻力；击打沙包瞬间踝关节角度过度内翻和外旋运动以及踝关节内翻外翻、内旋外旋力矩的变化等都是支撑腿踝关节运动损伤的危险因素。

关键词：鞭腿；目标；踝关节；损伤；危险因素

中图分类号：G852.4 文献标识码：A 文章编号：1006-2076（2015）05-0062-06

Abstract：To prevent the potential injury to ankle joint by whip kicking in Sanda，the authors studied the whip kicking effect on 3 types of targets with VICON System 3D motion collection system and Polygon analysis software.Results reveal that there are significant differences between the instantaneous internal rotation angle of ankle joint of the supporting legs in contact with the ground，rotating inner corner speed at the striking moment，gyro moment，the ground reaction force of the X axis and Z axis （P<.05）.The risk factors of the active injury of the supporting leg's joint include the shifting forward of the body weight，the dorsiflexion，inversion and rotary motion of the ankle joint，the formation of the resistance force for the ankle joint as a result of the combination of the fast rotary motion of ankle joint and ground reaction force，the over pronation and supination movements of the ankle joint at the instant of hitting sandbags，ankle varus valgus rotation，internal rotation and external torque change.

Key words： whip leg；target；ankle joint；injury；risk factor

随着武术项目国际化进程的推进，武术散打快速蓬勃发展，各类赛事的成功举办[1]，武术散打这项运动在世界各国也得到了很好的认可，关注和习练的人们也越来越多。在国际化过程中如何规范、健康、科学地发展已成为我们现在面临的重要课题。由于在各类武术散打比赛中，腿法技术已成为主要的得分手段，对比赛的胜负起到关键性的作用[2]。鞭腿动作是一项使用率较高的技术[3-4]，频繁地使用损伤现象也时常发生，损伤部位中踝关节成为主要损伤的部位[1]，踝关节也是运动中最容易受伤的关节[5]。Mack[6]对踝关节损伤的研究中占跑、跳运动项目占总受伤人数的25%，Garrick[7]、Michelle[8]、Robert[9]、金泰烷[10]、黄强、陶江、程捍东、梅林琦[11]等对踝关节损伤的类型和原因进行分析。踝关节的损伤为习练者的精神和肉体带来了极大的痛苦，严重者甚至结束运动生命。目前，运动损伤[12]已成为影响武术散打国际化快速发展的主要因素。如何把运动损伤减少到最小化，使该项目快速、健康的发展是我们当前所面临的一个重要的现实问题。通过国内、外图书馆及相关网站查阅大量书籍和论文，参照散打运动损伤类型及鞭腿技术动作形态分析等研究的基础上，在运动生物力学实验室[13]运用VICON System 3D运动捕捉系统与Polygon分析软件，结合踝关节的运动特征及散打鞭腿技术动作的运用特点，对其因击打不同类型目标，支撑腿踝关节角度的趾屈背屈、外翻内翻、内旋外旋的方向变化；踝关节各项力矩的大小变化对踝关节运动的影响以及对支撑腿踝关节可能造成运动损伤的主要危险因素进行分析。为武术散打运动更加合理化、规范化、科学化、国际化的发展；为鞭腿技术动作因击打不规范对支撑腿踝关节造成运动损伤的预防，为教练员及习练者提供更加客观的实验数据作为参考依据。

研究对象 本研究对象（散打国际健将8人、国家健将2人）人体测量特征均值（M±SD）如下（表1）。

表1 本研究受试者身体基本特征（M±SD）一览表

1.2 测定仪器与设备

1.2.1 三维运动捕捉系统 英国VICON Motion System公司生产的VICON System 3D红外高速运动捕捉系统。包括10个T40 s型号的摄像头（400万像素），直径14 mm的Marker球39个。本实验采样频率设置为400 Hz。

1.2.2 三维测力台 美国AMTI公司研制的三维测力台系统，包括BP400600（长600 mm宽400 mm高82.5 mm）2块，BP400900（长900 mm宽400 mm高82.5 mm）1块，本实验采样频率设置为1000Hz。

1.2.3 信号采集软件及建模 运动学、动力学数据主要通过Vicon Nexus 2.0进行信号采集和前期处理。该系统同步采集人体三维运动学和动力学的原始信号，并对采集完成的体表Marker点命名，去除噪讯、删补轨迹等进行处理。输入测量的身高、体重以及各关节厚度和肢体长度值后建立人体3D模型。

1.2.4 其他实验用品 包括固定Marker的散打脚靶和沙包、受试者实验服装、试验用的卡尺、剪刀、胶带、酒精等。

1.3 Marker 球粘贴部位、坐标及建模

人体39个坐标点及表面粘贴Marker 球的具体部位，输入测量身体基本特征数值后建立的人体3D模型（图 1）。

图1 Marker 粘贴部位及人体3D模型1.4 实验方法

实验开始前打开Vicon、测力台等实验仪器和设备进行预热和标定，让受试者填写实验知情同意书，15分钟热身后到实验室更换服装并告知受试者实验流程和注意事项、测量身体基本特征及粘贴Marker球（39个），让受试者练习和熟悉实验动作。根据受试者最常用后鞭腿的击打距离（1.8±0.1 m）和高度（1.1±0.1 m），统一设定三种类型目标的距离、高度和方向后，让受试者运用后鞭腿技术分别快速击打Marker球（空击动作）、脚靶和沙包，每次击打动作完成后，研究者和受试者共同商议该动作质量，受试者感觉达到平时训练的最佳技术动作为标准。每种类型选定5次（每人共15次）达到标准的技术动作为本研究实验标本动作。

1.5 时刻（Event）和 阶段（Phase）

图2 Event 和 Phase1.5.1 时刻（Event）

准备（E1）：支撑脚触及测力台的峰值地反力瞬间。

击打（E2）：作用腿接触目标物的瞬间。

伸展（E3）：作用腿击打后膝关节最大伸展的瞬间。

1.5.2 阶段（Phase）

击打阶段（P1）：准备开始到接触目标物瞬间结束（E1→E2）。

伸展阶段（P2）：接触目标物瞬间开始到伸展结束（E2→E3）。

时刻设定依据VICON Nexus2.0信号采集后，观察支撑脚触及测力台的峰值地反力、目标物上的Marker 球出现移动、膝关节最大伸展等不同阶段发生变化的瞬间而设定，阶段根据鞭腿技术动作特点及依据设定的不同时刻而划分。

1.6 数据处理

采用英国VICON公司研发的Polygon3.5.1分析软件，对踝关节的角度、角速度以及关节力矩进行计算。定义踝关节背屈、内翻、内旋为正（+），趾屈、外翻、外旋为负（-）。关节力矩主要依据逆向动力学（inverse dynamics）计算，即根据所采集的运动学及地面反作用力的数据，推算支撑腿踝关节的各项力距。所得出的各项力距全部除去自身体重进行标准化转换。

1.7 统计学处理

对10名受试者所提取的各项数据运用Microsoft Excel进行平均处理后，采用IBM SPSS Statistics19.0对各项平均数据进行One-way RM ANOVA方法验证，显示结果以RM ANOVA和Compare表示，显著性水平定义为0.05[14]。

2 实验结果

2.1 踝关节角度分析

武术散打鞭腿击打不同类型目标时，支撑腿（左腿）踝关节（Event）的跖屈背屈、内翻外翻、回旋角度的大小均值（Mean±SD），以及三种击打类型（Event）角度的One-way RM ANOVA结果如表2、表3。

由表2可见，鞭腿击打不同类型目标时，支撑腿踝关节的背屈跖屈角度、外翻内翻角度、回旋角度的模式在击打目标物前后基本类似，大小存在差异。准备姿势（E1）空击动作时支撑腿踝关节背屈1.12±6.85°、击打脚靶和沙包分别背屈为3.01±4.83°和背屈1.15±5.14°，击打瞬间（E2）到击打后伸展阶段（E3）空击动作背屈角度均为最大为16.52±10.97°、17.05±12.33°，击打沙包时背屈角度均较小为12.60±8.74°、12.82±7.90°；踝关节内外翻角度时，准备姿势（E1）空击动作内翻幅度最小为6.02±2.56°，击打脚靶和击打沙包内翻角度相对较大分别为6.97±2.94°和767±3.70°，（P=0002）type1和type2，type1和type3存在显著性差异；在击打瞬间到击打后伸展瞬间，空击动作踝关节内翻角度在3.19°～3.60°之间，击打脚靶在3.42°～4.55°之间，击打沙包在3.39°～3.66°之间，（P>0.05）从统计学上讲各击打类型之间不存在显著性差异；空击动作准备阶段踝关节回旋角度（E1）为外旋28.45±14.26°为最小，（P=0001）type1和type2，type1和type3之间存在显著性差异；击打阶段三种类型在外旋16.07°～18.28°之间，击打后伸展阶段击打脚靶动作外旋幅度最大为22.84±11.73°，（P=0.017）type1和type2，type2和type3存在显著性差异。空击动作踝关节P1阶段呈背屈、内翻、外旋运动，击打后P2阶段呈背屈、略微内翻和内旋状态运动。击打脚靶动作时踝关节P1阶段呈背屈、内翻、外旋运动，击打后P2阶段呈背屈、内翻、外旋状态运动。击打沙包时踝关节P1阶段呈背屈、内翻、外旋运动，击打后P2阶段呈背屈、内翻、外旋状态运动。

表2 支撑腿踝关节Event角度均值（Mean±SD）

degree

表3 踝关节Phase角度的One-way RM ANOVA结果

2.2 踝关节角速度分析

武术散打鞭腿击打不同类型目标时，支撑腿（左腿）踝关节时刻（Event）的跖屈背屈、内翻外翻、回旋角速度的大小均值（Mean±SD），以及时刻（Event）角速度的One-way RM ANOVA结果如表4、表5。

从表4来看，鞭腿击打不同类型目标时，支撑腿踝关节的背屈跖屈角速度的模式和大小基本类似，击打目标物瞬间到击打后伸展瞬间，击打沙包时踝关节回

表4 支撑腿踝关节Event角速度均值（Mean±SD）

degree/s

表5 踝关节Phase角速度的One-way RM ANOVA结果

旋角速度与空击动作、击打脚靶动作之间出现差异。三种击打类型支撑腿接触地面瞬间（E1）踝关节角速度背屈为276.85～307.85 deg/s之间，三种击打类型击打瞬间角速度减慢为14.50～61.47 deg/s之间，击打后过伸展瞬间三种击打类型均出现趾屈现象，趾屈角速度为3.24～24.00 deg/s；趾屈背屈时三种击打类型（P>.05）均不存在显著性差异。回旋角速度三种击打类型均出现方向上的变化，准备瞬间（E1）空击动作角速度外旋14.85±28.83 deg/s相对较慢，击打脚靶和沙包时角速度外旋为48.84±22.54 deg/s和5236±25.25 deg/s明显较快。击打瞬间空击动作角速度继续加速外旋为45.37±21.15 deg/s，击打脚靶瞬间角速度外旋减慢为29.98±29.15 deg/s，而击打沙包时角速度运动方向发生变化，由外旋变为内旋2926±14.39 deg/s，（P=.011）type1：type3，type2：type3之间都存在显著性差异；击打后伸展瞬间（E3）空击动作角速度减慢为外旋18.99±33.09 deg/s，击打脚靶后伸展瞬间角速度加快为外旋88.80±17.67 deg/s，击打沙包后伸展瞬间角速度再次变向呈外旋86.16±23.74 deg/s，从统计学上看（P>005）均不存在显著性差异。空击动作P1阶段踝关节角速度呈背屈、外旋方向运动，击打后P2阶段角速度呈跖屈、外旋方向运动；击打脚靶前P1阶段角速度呈背屈、外旋方向运动，击打后P2阶段角速度呈跖屈、外旋方向运动；击打沙包前P1阶段角速度呈背屈、内旋方向运动，击打后P2阶段角速度呈跖屈、外旋方向运动。

2.3 踝关节力矩分析

武术散打鞭腿击打不同类型目标时，支撑腿（左腿）踝关节的跖屈背屈、内翻外翻、内旋外旋力矩的大小均值（Mean±SD），以及击打瞬间踝关节最大力矩的One-way RM ANOVA结果如表6、表7。

表6 三种击打类型踝关节最大力矩均值（Mean±SD）

Nm/kg

表7 踝关节最大力矩的One-way RM ANOVA结果

鞭腿击打不同类型目标时，支撑腿踝关节最大力矩从表6来看，三种击打类型之间踝关节的背屈力矩、内翻外翻、内旋外旋力矩的模式类似、大小各不相同。背屈力矩值空击动作相对较小为131±011 Nm/kg，击打脚靶和沙包相对较大为155±014 Nm/kg和158±013 Nm/kg；内翻力矩值空击动作为007±003 Nm/kg，击打脚靶和击打沙包较大为012±004 Nm/kg和013±005 Nm/kg；外翻力矩值击打脚靶时相对较小020±003 Nm/kg，空击动作和击打沙包相对较大为022±003 Nm/kg和022±003 Nm/kg，三种击打类型在背屈力矩、内翻力矩、外翻力矩值中（P>005）均不存在显著性差异；踝关节内旋力矩值中空击动作最大为030±004 Nm/kg，击打沙包最小为015±003 Nm/kg，三种击打类型从统计学上看（P=0005）type1：type3和type2：type3之间都存在显著性差异；踝关节的外旋力矩空击动作最小为014±005 Nm/kg，击打脚靶和沙包相对较大为027±003 Nm/kg和032±004 Nm/kg，三种击打类型从统计学上看（P=0003）type1与type2、type1与type3之间都存在显著性差异。

3 讨论

本研究目的在于探求武术散打鞭腿击打不同类型目标时，所设定的三个时刻踝关节角度、角速度、最大力矩等三种击打类型之间的变化差异，三种类型之间某一阶段的角度、角速度和力矩等运动学和动力学各项参数的变化，对支撑腿踝关节可能造成运动伤害的危险因素进行分析，本研究的危险因素依据《实用运动医学》[15]在运动中可能造成“轻度伤”及以上为标准的危险性动作，本文暂不对伤害等级和伤害类型进行研究。

研究表明，由于鞭腿技术采用“鞭打原理”，在运动过程中以躯干和支撑腿为鞭杆、作用腿为鞭身、脚背的击打点为鞭稍的鞭打运动，所以鞭腿在击打不同类型目标时支撑腿的运动轨迹存在差异。在准备瞬间支撑腿踝关节均出现背屈、内翻、外旋运动；击打瞬间三种击打类型呈背屈、外翻和外旋运动现象；伸展瞬间三种击打类型踝关节呈背屈、略内翻和外旋运动。三种击打类型三个瞬间支撑腿踝关节与正常人步行支撑腿着地时踝关节背屈2.13±1.42，离地时趾屈3.23±106；着地时外翻0.80±1.39，离地时内翻1.64±094；着地时外旋15.67±8.95，离地时内旋16.63±9.50相比较[16]，三种击打类在击打瞬间和击打后伸展阶段均出现过度的背屈、内翻、外旋现象。三个瞬间两个阶段空击动作踝关节的背屈角度最大，击打沙包动作背屈角度变化相对较小，支撑腿踝关节背屈角度的变化与作用腿击打目标物后，动作运动方向和动作幅度有着直接的关系，由于击打沙包时在击打瞬间受到沙包的阻力，作用腿运动方向发生改变，支撑腿踝关节运动方向也随着改变，而空击动作击打过程中作用腿未受到阻力一直向前运动，运动幅度和动作距离都相对较大，所以形成了空击动作支撑腿踝踝关节的背屈角度较大。而三种击打类型在准备瞬间均出现较大的内翻、外旋现象，尤其是击打沙包外旋角度最大，击打瞬间到击打后伸展瞬间内翻角度减满由外旋角度逐渐加大运动变化，随着身体重心的旋转支撑脚的运动变化，支撑腿踝关节内翻、外旋角度减小，但是击打后伸展阶段再次出现略微外旋现象，击打脚靶动作外旋角度相对较大。

三种击打类型准备瞬间支撑腿踝关节角速度呈背屈、外旋状态，击打沙包背屈角速度相对较慢、击打脚靶动作背屈角速度相对较快；外旋角速度空击动作较慢，击打脚靶和击打沙包最快。由于三种击打类型不同，空击动作和击打脚靶、击打沙包时出现外旋角速度存在较大的差异，为保证鞭腿击打物体时身体重心的稳定，支撑脚底部位与地面接触产生摩擦减缓脚部移动速度，作用腿技术动作速度加快带动身体重心快速向前移动，支撑腿的踝关节上下运动出现相反方向而造成踝关节角速度加大，在击打瞬间三种类型背屈角速度减慢，外旋角速度空击动作相对较快，击打沙包时角速度出现内旋现象。由于击打瞬间空击动作未受到目标物的阻力技术动作一直向前运动，支撑腿踝关节角速度处于外旋加速状态；击打脚靶瞬间鞭腿受到脚靶的阻力减缓了作用腿运动速度，支撑腿踝关节的外旋角速度也随之减缓；而击打沙包瞬间作用腿受到目标物的阻力不能继续向前移动，由于身体的惯性支撑上部在击打瞬间继续外旋运动，而踝关节的下部受到地面的摩擦停止瞬间，也就出现踝关节角速度内旋现象。在击打后伸展阶段三种击打类型呈背屈和外旋现象，空击动作背屈角速度最快，但是外旋角速度最慢。空击动作时作用腿未受到目标物的阻力处于向前运动状态，支撑腿踝关节随着作用腿速度的变化，外旋角速度也随之减缓。击打脚靶和沙包后作用腿受到阻力作用腿运动速度减缓和方向改变，支撑腿为控制身体平衡调整身体重心的变化等踝关节角速度再次出现加速外旋现象。这也就出现了三种击打类型在击打瞬间和伸展瞬间出现的差异现象原因所在。

踝关节力矩测定主要依据逆向动力学计算[17]，即根据鞭腿运动时支撑腿踝关节在各时刻、各阶段角度、角速度的变化以及地面反作用力的大小参数，计算出支撑腿踝关节的各项最大力距值。在支撑腿踝关节各项力矩中，三种击打类型的背屈力矩均为最大在1.31～1.58 Nm/kg之间；内翻力矩空击动作时较小，而击打沙包时较大；外翻力矩三种类型基本相似；空击动作内旋力矩最大、外旋力矩最小，击打沙包时内旋力矩最小、外旋力矩最大，两种类型踝关节的最大力矩的运动方向相反。作用腿击打三种类型目标物瞬间由于受到阻力大小的不同，造成身体重心的稳定性、支撑腿运动轨迹以及地面反作用力大小存在差异，而所产生的各项关节力矩也存在差异，根据各项最大力矩值的大小变化情况，可以得出作用腿受到的阻力越大，支撑腿踝关节的各项力矩也越大。

4 结论与建议

4.1 结论

4.1.1 鞭腿击打三种类型目标瞬间及击打后伸展瞬间，支撑腿踝关节内旋角度、回旋角速度、回旋力矩等存在显著性差异。

4.1.2 鞭腿因击打不同类型时受到目标物的阻力使动作速度减缓和改变运动轨迹，造成支撑腿踝关节角度反复出现内外翻、内外旋的运动现象以及击打沙包瞬间角速度的快速回旋方向变化都是踝关节运动损伤的主要危险因素。

4.1.3 鞭腿击打固定目标物时造成技术动作向前运动方向突然受阻，动作轨迹瞬间发生反方向运动，支撑腿突然受到作用腿反方向运动的变化，身体重心和支撑腿的踝关节运动方向也随之变化，以及支撑腿受到地面反作用力产生的阻力，造成踝关节上下面运动方向相反、回旋力矩突然加大也成为踝关节运动损伤的主要危险因素。

4.2 建议

鞭腿击打脚靶时，身体重心不要过于靠前，保持重心的平衡。减少踝关节背屈、外翻和内旋的角度，减轻击打瞬间的支撑腿触地的力量，减小地面反作用力的阻力；鞭腿击打沙包时，尽量避免支撑腿踝关节角度过度外翻、内旋运动和踝关节力矩的外翻内翻、外旋内旋的反方向变化。

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