疲劳干预对拉长-缩短周期动作中下肢生物力学的影响

孙晓乐 夏锐 张希妮 杨洋 傅维杰

上海体育学院运动健身科技省部共建教育部重点实验室（上海200438）

拉长—缩短周期（stretch-shortening cycle，SSC）动作是人体跑步、跳跃中最常见的下肢运动形式[1，2]。它是一种主动的下肢肌肉活化模式，包括触地前的预激活、触地后的离心收缩（肌肉拉长）及向心收缩（肌肉缩短）三个阶段[3]，其通过预激活的目标肌肉将离心期储存的弹性能在随后的向心期进行快速释放和重利用[4]。因此，SSC动作被广泛用于增强下肢肌力/爆发力的训练，促进神经-肌肉的协调控制能力。这其中，落地反跳或跳深（drop jump，DJ）是最常见的一种[5，6]。然而，训练或比赛时运动员通常会完成大量的跑、跳等SSC动作并由此导致神经肌肉疲劳[2，7]，进而使机体无法维持特定水平或预定运动强度，并出现运动能力暂时性下降的生理现象。从生物力学角度出发，上述运动性疲劳会导致下肢肌-骨系统控制能力下降，从而增加损伤风险[8，9]。

现阶段，疲劳状态下，关于SSC动作（如DJ等）中下肢生物力学影响与运动表现的研究绝大部分停留在运动学和表面肌电活动层面的探讨，且更多集中在下肢遭受冲击的着地初期[2，10，11]。同时，近年来有关人体SSC动作生物力学研究中，刚度（stiffness）作为综合评价下肢肌-骨系统表现的重要参数，阐明了着地时人体最先启动的，包括前馈运动控制和牵张反射相互作用、形成与地面反作用力相适应等在内的动作神经反射机制[12]，而较高水平的刚度可有效利用下肢主动肌群SSC的弹性能储存、防止下肢坍塌，同时最大化释放能量、完成关节做功[13，14]。由此可见，刚度和能量特征作为SSC动作表现的评价具有重要意义，但现阶段鲜有研究探讨上述生物力学特征在疲劳发展进程中的作用。

鉴于此，本研究探讨疲劳干预对典型SSC动作——DJ的下肢生物力学影响，包括运动表现以及髋、膝和踝三关节运动学、关节力矩和功率，并着重从刚度特征和关节做功/能量等角度深入探讨疲劳对SSC动作表现的影响，探究下肢力学规律及其内在联系。

1 研究方法

1.1 受试者

选取15名上海体育学院田径跑、跳专项男性运动员（表1）。所有受试者6个月内无下肢受伤史，身体机能状况及运动能力良好，优势腿均为右腿。实验前24小时内避免剧烈运动，同时熟知DJ动作，知晓实验意图并签署知情同意书。

表1 受试者基本情况

1.2 实验流程

1.2.1 实验步骤

测试前受试者在跑台上以8 km/h的速度热身6分钟后进行3分钟的静态拉伸。热身完成后，受试者尽全力在一维测力纵跳台（瑞士Kistler公司，型号：9290BD，采样频率500 Hz）上进行3次双手叉腰垂直纵跳，并取最大值作为其最高纵跳高度。之后，实验人员在受试者骨盆与下肢的骨性标志粘贴36个marker（直径14 mm），定义骨盆（1）、大腿（2）、小腿（2）及足（2）七个环节，确定髋、膝和踝三个关节（图1左）。采用红外高速摄像机（英国Vicon公司，型号：T40，采样频率240 Hz）和三维测力台（瑞士Kistler公司，型号：9287B，采样频率1200 Hz）同步采集受试者疲劳前后5次DJ的运动学、动力学数据（图1右）。

1.2.2 SSCSSC动作

落地反跳（DJ）：受试者双脚站立于60 cm跳深台上，两眼平视前方，双手叉腰，脚距与肩同宽，两脚脚尖缓慢从跳深台边缘向测力台下滑，尽量确保无垂直初速下落，且双脚分别落在两块不同的测力台上，同时着地后迅速尽最大能力向上垂直起跳。每位受试者需完成5次有效的DJ动作[15]。

图1 受试者marker的放置位置（左）及实验动作：从60cm高度落地反跳（右）

1.2 .3疲劳方案

基于前人[16，17]和本团队的前期研究[18]，要求受试者在进行6×10 m的折返跑后，尽最大力连续完成5次垂直纵跳。受试者需重复上述的跑+跳的干预过程，直到连续5次垂直纵跳的平均高度都无法超过最大垂直纵跳高度的70%为止。采用心率表对受试者心率进行监控，并采用自感疲劳量级（RPE量表）作为辅助疲劳程度测定的标准。

1.3 实验参数

采用Visual 3D生物力学分析软件（版本号：4.75.12）对DJ下肢三关节矢状面的生物力学数据进行处理，将其着地阶段划分为两个时期[19]：（1）离心期（eccentric phase）：从初始触地到膝关节屈曲最大时刻；（2）向心期（concentric phase）：从膝关节屈曲最大时刻到脚尖离地时刻。

1.3.1 运动学

运动学数据采用Butterworth二阶双向低通滤波，截止频率为7 Hz[20]。基于人体骨骼模型定义下肢髋、膝、踝关节角度[18]并计算各关节的运动学特征。选取指标包括：

关节角度：髋、膝和踝三关节的触地角度（θ0）、最小关节角度（θmin）、关节活动度（θROM）、关节角度变化量（Δθ）、离地关节角度（θl）

其它：腾空高度（H：髋关节中心点最大高度与其在站立时的高度差）、离心期重心位移（Δy）、腾空时间（tf）、着地时间（tc）

1.3.2 动力学

关节力矩：在V3D软件中利用逆向动力学（inverse dynamics）计算下肢髋、膝、踝关节由肌肉产生的净力矩（net joint moment），包括着地阶段各关节最大力矩（Mmax）及其出现时间（tM）（图2上）。

关节功率（Pj）：净关节力矩（M）与关节角速度（ω）之积。即：

本研究选取向心期下肢三关节最大功率（Pmax）及其出现时间（tP）（图2下）。

1.3.3 刚度

下肢刚度（leg stiffness）：kleg=GRFi/Δy[19]，其中GRFi代表重心最低时刻的垂直地面反作用力，Δy代表离心期重心位移的垂直变化量。关节刚度（joint stiffness）：kjoint=ΔM/Δθ[21，22]，其中ΔM为离心期关节力矩变化量，Δθ为离心期关节角度变化量。

1.3.4 关节做功

关节在一定时间内做功量（Wj）的大小（joint work），即关节功率（Pj）对时间的积分[23]，具体如下：

下肢三关节在离心期所做的功为负功，代表关节能量吸收；在向心期所做的功为正功，代表关节能量释放。

关节做功贡献度[24]（Cj）：在离心或向心期内，下肢某一关节所做的功占该时期髋、膝、踝三关节所做功之和的比例，即：

图2 着地阶段髋、膝和踝三关节力矩（上）和关节功率（下）曲线图

1.4 统计方法

所得的参数值均采用平均值±标准差表示。利用配对样本t检验比较疲劳对运动表现和下肢关节力学的影响。所有数据用Excel 2016和SPSS 17.0进行统计，显著性水平α设为0.05，非常显著性水平设为0.01。

2 结果

2.1 矢状面运动学

相比疲劳前，疲劳后DJ的腾空高度（50.4±5.9 cm vs.52.7 ± 4.3 cm，P＜0.05）、离心期的重心位移（40.9± 8.3 cm vs.44.9± 10.2 cm，P＜0.05）和腾空时间（576.3± 46.5 ms vs.591.9± 35.7 ms，P＜0.05）显著减小，而离心期（263.9±47.6 ms vs.238.4±52.1 ms，P＜0.01）和向心期（320.3± 54.4 ms vs.299.7± 68.2 ms，P＜0.05）及总触地时间（584.2 ± 97.4 ms vs.538.1± 118.3 ms，P＜0.01）显著增加。

疲劳后，膝和踝关节的触地角度显著增加（P＜0.05），而髋关节无显著差异（图3、表2～4），且髋（P＜0.01）、膝（P＜0.01）、踝（P＜0.05）三关节最小角度的出现时刻都显著延迟（表2～4）。同时，疲劳后膝和踝关节的角度变化量显著增加（P膝＜0.05；P踝＜0.01），但最小角度没有显著性差异。

2.2 关节力矩与关节功率

疲劳后，膝关节在触地阶段的最大力矩和最大功率分别显著减小11.1%和12.4%（P＜0.05），髋和踝关节的力矩和功率虽有下降，但均无统计学意义（图4）。疲劳后三关节最大蹬伸力矩及功率出现时刻都显著延迟（P＜0.05）（表5）。

图3 疲劳前后落地反跳动作髋、膝、踝关节矢状面角度的变化（*P＜0.05）

表2 疲劳前后髋关节的运动学变化

表3 疲劳前后膝关节的运动学变化

表4 疲劳前后踝关节的运动学变化

图4 疲劳对下肢髋、膝和踝三关节最大蹬伸力矩及功率的影响

表5 疲劳前后最大蹬伸力矩及功率出现时间（tMmax、tPmax）的变化（单位：ms）

2.3 下肢刚度及关节刚度

疲劳后，下肢刚度减小20.1%（P＜0.05）；同时，膝和踝关节刚度分别减小19.0%与27.6%（P＜0.05），髋关节刚度虽有减小，但无统计学意义（图5）。

2.4 关节能量

整个着地阶段：髋和踝关节做功（净能量）为正值，表现为释放能量，且以踝关节为主；膝关节做功（净能量）为负值，表现为吸收能量。其中，踝关节疲劳后的净能量显著降低（P＜0.05）（图6）。

离心期：三关节表现为吸收能量，且以膝关节为主、髋关节次之，疲劳前后并无显著性差异，但疲劳后膝关节的贡献度减小（P＜0.05）（图6、表6）。

向心期：三关节表现为释放能量，三关节的贡献度均在30%～40%，且疲劳前后无显著变化，但疲劳后踝关节释放能量减小（P＜0.05）（图6、表6）。

图5 疲劳对落地反跳时下肢刚度（kleg）和三关节刚度（khip、kknee、kankle）的影响

图6 疲劳对落地反跳时关节能量吸收、能量释放和净能量的影响表

表6 疲劳前后髋、膝和踝关节在离心期（Cecc）和向心期（Ccon）的做功贡献度变化 （单位：%）

3 讨论

3.1 运动学

疲劳会对运动表现产生负面影响。本研究中疲劳后DJ的腾空高度显著降低，这与前人的研究结果类似。Lesinski等[2]采用重复垂直跳跃的疲劳干预发现：疲劳后，DJ与反向跳（counter-movement jump）的腾空高度均显著降低，同时DJ离心期和向心期时间亦显著增加。本研究中，导致疲劳后腾空高度/重心位移显著降低的直接原因即腾空时间显著缩短且总触地时间显著增加。从生物力学时空参数（spatio-temporal）角度出发，腾空时间决定腾空高度，其减小表明腾空高度降低；而本研究中触地时间增加从一定程度上表明疲劳后SSC动作离心和向心期耦合增加，这将降低肌肉的工作效率，减小弹性能的利用，从而降低运动表现，并最终降低 SSC 的训练效果[25，26]。

本研究疲劳前后下肢关节角度的变化说明SSC跳深动作结构和完成情况的变化，即：疲劳后，膝和踝关节触地角度显著增加。这与前人的研究类似：Weinhandl等[10]以连续完成DJ进行疲劳干预后发现，DJ触地时伸膝角度和跖屈角度分别增加7°和10.6°。有研究认为这是一种疲劳后下肢三关节伸肌离心力量减弱且需吸收更多冲击力以降低或维持地面冲击力的代偿策略[27]。值得注意的是，初始落地时矢状面膝和踝触地角度增加可能会提高下肢损伤的风险[28]。已有研究指出，膝关节触地时更直立，会增加近端胫骨前剪切力从而导致ACL损伤风险增加[17，29]。与此同时，疲劳后髋、膝和踝关节最小角度都没有显著变化，但其出现时刻均有不同程度的显著延迟，一方面表明疲劳后SSC离心期延长，下肢缓冲时间增加，进而可能导致肌肉弹性形变能力下降，另一方面也使得向心收缩时可利用的弹性能减少，肌张力和牵张反射能力均下降，最终影响后续的跳跃高度[30]。由此可见，本研究所采用的疲劳诱导降低了完成SSC落地反跳动作的能力，影响了在此过程中下肢三关节，特别是膝、踝关节的运动学表现。

3.2 动力学

本研究发现：膝关节的最大蹬伸力矩与功率在疲劳后显著降低，髋、踝关节的最大蹬伸力矩与功率在疲劳后也呈下降趋势；上述三关节的最大蹬伸力矩与功率出现时刻均显著延迟。上述部分结果与前人的研究[30]一致：针对20名男性运动员进行疲劳诱导，发现疲劳后DJ时髋、膝和踝关节的蹬伸峰值功率均下降，且在膝关节处有显著差异。

基于下肢三关节力矩在整个着地阶段的变化（图2）发现：髋、膝关节最大力矩出现在接近离心和向心期转换过程中，而踝关节则在向心期后期，说明SSC的发力过程由大关节到小关节：髋/膝＞踝。而疲劳后，总体发力顺序仍未改变，但关节最大力矩值下降（图4）且出现时刻延迟（表6）。而这其中，膝关节下降最显著，说明疲劳对膝关节SSC动作发力影响最大。同样，对于下肢三关节功率（图2），发现三关节的最大蹬伸功率均出现在向心期的后期，而髋关节的出现时刻最早，其次是膝，最后是踝关节。说明SSC的做功过程同样遵循大关节到小关节。而疲劳后，总体做功顺序未明显改变，同样呈现为最大功率的下降与出现时刻延迟，且膝关节下降最明显。本研究中，疲劳后伸膝力矩与峰值功率显著降低，伸髋、跖屈力矩与峰值功率也略有下降，表明疲劳会降低关节的输出功率以及伸肌群的发力及做功能力，尤其对伸膝肌影响最大。从生物力学的角度出发，人体肢体的运动主要是由关节肌肉力矩控制和决定的，本质上是神经肌肉系统支配肌肉收缩的结果[31]。而疲劳后，人体下肢主动控制能力下降，髋、膝、踝伸肌群发力程度降低，并在SSC动作的离心阶段无法使人体有适宜的时间激活关节周围相关肌肉组织、提高横桥形成，进而无法在向心阶段使得关节周围肌肉收缩速度和各关节的净关节力矩最大化以维持疲劳前的运动能力[32]。

3.3 刚度

下肢刚度代表整个着地期间下肢肌-骨系统所受力（内力和外力）后的平均形变特征[33]。在DJ过程中，下肢刚度可通过重心最低时刻的垂直地面反作用力（GRFi）与离心期重心位移计算获得[19]。其中，GRFi即离心末期力量，代表弹性能储存的能力，GRFi/Δy可相应地近似表达为下肢伸肌群的线性弹性刚度[34]。本研究发现，疲劳后下肢刚度显著减小，究其原因是由重心位移的显著降低（P＜0.05），而非GRFi的差异引起的（P＞0.05）。这一结果与前人的研究一致：Orishimo等[35]、邹晓峰等[30]均发现疲劳会引起受试者采用膝关节更屈曲的软着地方式使得下肢刚度变小，其目的在于减小冲击负荷[36]、增加缓冲幅度与能量吸收，但不利于SSC动作的耦合和随后向心期的拉伸速度[30]。然而，有研究发现，疲劳后，下肢各关节采用更直立的着地策略，下肢刚度异常增加，反而会增加损伤风险[11，37]。而造成上述研究结果差异的原因，我们推测可能是疲劳干预以及疲劳程度不同所致的。同时，进一步推测在较好的运动表现和较低的损伤风险间应存在某一合理的刚度范围，而较高的下肢刚度可优化肌肉SSC功能，并有效利用离心期肌-骨系统中存储的弹性能[13]。相应的，疲劳后降低的下肢刚度则可能导致肌肉SSC功能下降，从而影响运动表现。

另一方面，下肢整体刚度又取决于下肢各关节刚度及其几何学位置（geometry）[21]。本研究发现，疲劳后，三关节刚度都有所下降，其中膝和踝关节刚度分别显著减少19.0%与27.6%。考虑到关节刚度与关节角度变化量（Δθ）相关[38]，而本研究中疲劳后下肢膝、踝关节的Δθ显著增加，因此Δθ增加不仅降低了相应的关节刚度，而且最终影响了下肢刚度，并表现为SSC动作中膝、踝关节刚度对下肢刚度下降的贡献度比髋关节大。这与前人的发现[33]一致：关节采用软着地策略，会使角位移增大，从而导致下肢垂直长度（或重心位移）增加和下肢刚度减小。此外，有研究表明在一个多弹簧（multiple springs）系统中，刚度较小的弹簧（如各关节/环节）对力或力矩会产生相对较大的（角）位移，从而对整体刚度产生较大影响[33]。而本研究中疲劳前后，膝、踝关节刚度均小于髋关节，也间接证明了SSC动作中踝和膝关节刚度对下肢刚度的影响比髋关节刚度更大，而疲劳后膝和踝关节刚度显著下降，表明上述影响进一步加大，因此需在训练中对膝、踝关节承受负荷能力加以更多关注。

3.4 关节做功

本研究发现，在整个DJ着地过程中，髋和踝关节做功为正值，主要为释放能量，并以踝关节为主；而膝关节做功为负值，即吸收能量。其中，疲劳后踝关节释放能量显著下降。分析关节做功，有利于深入了解神经控制策略[39-41]。Bobbert等[42]的研究通过单侧腿在等动仪上进行最大随意等长收缩（MVC）对其进行疲劳干预，发现疲劳前后垂直跳动作的疲劳侧髋、膝和踝三关节的净能量都为正值，且疲劳后髋和踝的净能量显著降低，这一结果部分支持我们的发现，但考虑到垂直跳动作本身并不像DJ存在着地缓冲和相应吸收能量的过程，同时其疲劳方案也仅限于单腿的跖屈肌，因此导致其膝关节净能量与本研究存在差异。

在离心期阶段，髋、膝和踝三关节均做负功，表现为吸收能量，其中膝关节的贡献最大，约为55%；髋关节次之，约为30%；踝关节最小。上述结果与前人的研究相似：Weinhandl等[10]以连续DJ作为疲劳干预，发现无论疲劳前后，DJ离心期时膝关节吸收的能量显著高于髋、踝关节，然而疲劳后膝关节吸收能量显著减小，而踝关节却显著增加。本研究中，疲劳后，膝关节能量吸收贡献度亦显著下降，同时髋能量吸收具有上升趋势（P＜0.1），从另一侧面也说明疲劳导致下肢各关节能量吸收分配发生改变，且对伸膝肌影响最大，提示贡献度较大的关节肌肉可成为训练的目标肌肉，即在SSC训练时，应加强膝关节周围肌肉力量。

在向心期阶段，髋、膝和踝三关节均做正功，表现为释放能量，同时三关节贡献度均在30%～40%，但膝关节仍表现为最大，且只有踝关节在疲劳后做功明显减小，提示疲劳会显著降低跖屈肌的工作能力。考虑到整个着地期三关节总能量释放主要以踝关节为主，同时有研究表明在SSC动作中踝关节的活动对调节运动表现至关重要，并更多地使用跖屈肌的弹性功能以在向心期进行能量释放[43]。Bobbert等[44]同样发现较高的跖屈肌能量输出对跳跃动作的重要性，而跖屈肌做功减小意味着下肢其他肌肉做功也会相应下降。因此，从关节做功角度出发，贡献最大的依然是膝关节，但我们也不能忽视踝关节这一末端关节在SSC动作过程特别是向心期中的作用及其周围相应小肌群的力量训练。

4 结论

本研究所采用的折返跑+垂直跳的疲劳干预引起了SSC动作——DJ的生物力学改变，表现为腾空高度降低、膝和踝关节触地角度以及角度变化量增加、膝关节最大蹬伸力矩和功率下降等，提示疲劳改变SSC动作结构，降低了下肢特别是膝、踝关节运动控制能力进而导致运动表现整体下降，建议加强上述关节的伸屈肌力训练，以保证长时间SSC训练的效果。此外，膝、踝刚度的减小降低了下肢整体刚度，结合膝、踝关节能量特征的改变（膝关节能量吸收贡献度、踝关节能量释放/净能量的降低），是进一步评价疲劳发展过程中SSC力学表现的重要参考。