女子羽毛球运动员后场击球后不同场区单脚落地的生物力学差异——基于三维加速度计的分析

刘兰财，梁永杰，2，张英平，车同同，肖 杰

在运动过程中，了解受伤原因是有效预防运动损伤的关键。羽毛球是一项全球流行的持拍类运动，虽然足球或篮球等直接身体接触对抗的项目中经常会有前交叉韧带（ACL）损伤，但在非接触性的羽毛球运动中前交叉韧带损伤也很常见[1]。如我国优秀运动员李雪芮、王琳、汪鑫，以及西班牙世界冠军马琳等女子羽毛球运动员都遭受过非接触性前交叉韧带损伤。一项针对男女优秀羽毛球运动员的流行病学研究发现[2]，在比赛中受伤的概率（每1000名运动员）是训练时的2～5倍，女运动员受伤的概率是男运动员的2～8倍[3-4]。导致非接触性前交叉韧带损伤的运动员具有共同的生物力学特征，即最大地面反作用力和落地引起的外部载荷是前交叉韧带损伤的主要危险因素之一[5-7]。虽然，以神经肌肉训练为重点的损伤预防计划成功地将ACL损伤率降低了60%[8-9]，但仍有很大的改善空间。最近的一项研究中，使用基于三维模型的图像匹配技术分析了10个ACL损伤的高质量视频，观察到髋关节缓冲有限是造成损伤的重要原因[10]。另外，有视频分析也显示，膝外展、躯干侧倾斜和髋外展是ACL 损伤的特征[11-12]。有专家在调查问卷中发现，在羽毛球比赛中，最常见的ACL损伤往往是在头顶击球后单腿落地时发生的[13]。作者认为，在反手场区采用正手击球时，与持拍手相反一侧的膝关节在单脚着地过程中特别容易导致ACL 损伤。然而，关于羽毛球比赛中高速移动及单脚着地对膝关节ACL损伤的报道很少。

可穿戴的微传感器是一个易于使用和廉价的工具，可用于监测身体活动和负荷量[14]。最近，该装置被用于评估练习过程中的跳跃频率和专项动作[15-16]，并应用于评估ACL 损伤的优秀运动员的跳跃和着陆姿态[17-18]。可穿戴微传感器可通过3 个坐标轴上（XYZ）的传感器获得线性加速度值，并能反映地面反作用力。使用三轴加速度计，可以在运动的过程中传输加速度值等信息，使其适合于在比赛中分析动作。在羽毛球运动中，使用可穿戴式加速度计有助于识别在实际比赛中造成运动损伤的高风险事件。本研究的目的是比较羽毛球比赛中，正手和反手侧场地击过顶球后单腿落地时躯干加速度及运动学变量的差异，并确定躯干加速度与躯干、髋关节运动学之间的关系。假设：（1）反手场区的躯干侧弯加速度大于正手场区的侧弯加速度；（2）躯干侧弯和髋外展与躯干加速度有较大相关性。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

参与测试的优秀女子羽毛球运动员，均受过良好的专项训练，比赛中能够使用规范的击球动作完成比赛，所有运动员均无膝关节损伤史。运动员具体信息见表1。

表1 测试运动员基本信息Table1 Athlete Details

1.2 试验仪器

图1 方向和角度定义Figure1 Definition of Direction and Angle

1.2.1 Actigraph GT3X 三维加速度传感器（Manufacturing Technology Inc，MTI） 大小尺寸为3.8 cm×3.7 cm×1.8 cm，加速度测量范围为±16 g，采样范围为1～1000 Hz，加速度计重41 g，将加速度计通过压缩背心固定于运动员背部（见图1），在运动过程中测量运动员在上下、前后、左右各个方向上的加速度值，并通过同步传感器传输至电脑。

1.2.2 数码摄像机（HDR-CX590V，Sony，Japan） 羽毛球比赛是用2台数码摄像机（HDR-CX590V，Sony，Japan）以60 Hz的频率录制的。摄像机位于中线的延长线上，距离端线4 m，距离地面高度为1.3 m的三脚架上，从后面捕捉运动员侧向移动的角度（见图2）。在整个比赛中，记录运动员的移动。所有视频均以AVCHD格式和高清（1080i）存储，通过同步传感器传输至电脑。

图2 摄像机放置示意图Figure 2 The Diagram of Camera Palcement

1.3 试验方法

1.3.1 预试验 （1）加速度计和摄像机是不同的设备，可能存在不完全同步现象，在试验过程中，它们可能在采样时间（平均16 min）内随时间延长而增大误差。为了调查这一问题，进行了60 min的测量试验。在60 min的试验中，加速度计和视频设备之间的差距仅为一帧（1/60 s）。也就是说，在单场比赛中，最大采样间隔为4 ms（平均16 min），因此，这个时间误差不会影响试验的同步性问题。

（2）由于试验过程是在场地上的真实羽毛球比赛，为了不影响运动员的竞技水平获得真实数据，要尽可能少的在运动员身上添加试验器材，只将三维加速度计固定于紧身背心上，通过三维加速度计测量运动员三维移动加速度（见图1）。通过视频记录来测量躯干弯曲和髋关节外展角度，其中，将第7颈椎中心到第4腰椎中心的连线和垂直于地面的线连接起来测量躯干倾斜角度。髋外展或内收角定义为大腿直线（从膝关节中心到髋关节中心的连线）和垂线之间的夹角。躯干和髋关节的正角度表明，躯干和下肢相对于垂直线进行了横向偏移（见图1）。

（3）研究对象是一个现实羽毛球比赛中的个体，虽然使用移动相机或多点相机进行多维拍摄更加准确，但难度也更高。本研究的目标是，对运动员单脚落地瞬间的姿态进行分析比较，因此，单独固定的相机也可以实现这一功能。为了降低固定单独摄像机存在的误差增加试验方法的有效性，本研究对比赛视频进行了预试验：在视频录像中，运动员侧移距离最大的地点在反手场区距离中线207 cm处，运动员躯干侧屈最大角度为43°，对这一动作进行多次重现直线测量，对比后确认本研究中的误差为1.6°。A.S.GISSOT 等[19]之前利用三维视频系统研究，探索了静态和动态条件下身体运动视角角度误差，表明，当单项固定相机放置在150 cm的距离上，身体向左、右移动60 cm时，视角角度误差小于2°，这与本试验结果接近。虽然目前的视频分析存在一些摄像机视觉误差，但单腿着地在比赛中的角度特性不会发生显著变化。

1.3.2 试验过程 在收集数据之前，所有运动员都进行了大约20 min的正规化热身（身体基本活动、击球动作练习和步法移动练习等）。根据世界羽联最新规则，每2人进行一场单打比赛（3局2 胜制），共计12 局比赛，一局比赛的平均耗时为（16.5±3.6）min，输赢的分数相差（6.5±2.9）分，所有比赛数据通过三维速度计和摄像机同步传输至电脑。

1.3.3 数据收集 每一局比赛的运动员移动加速度值都是以100 Hz 的频率获得。以往的研究表明，采用三轴加速度计的100 Hz 采样频率在澳大利亚足球比赛[20]、排球比赛中的跳跃频率和模式[14]中的分析都具有良好的有效性和可靠性。也有学者采用了相同的方法，在单腿着陆研究中，测量了垂直地面反作用力峰值和躯干加速度峰值等信息，均具有较高的可靠性[21]。国外研究发现[22]，在实际前交叉韧带损伤情况下估计的最大地面反作用力平均为体重的3.2 倍，超过4g 的加速度运动被认为是导致前交叉韧带损伤的高风险运动。因此，为了在实际比赛过程中检测更高的下肢负荷，通过公式计算出加速度值，采用4 g截取值来提取运动加速度数据。

产生超过4 g 加速度的时刻，是由场地两端的同步摄像机记录的。由于比赛过程的动态化和不可控性，以及多维空间拍摄的难度很大，本研究图像采集采用平面摄像技术。在开始测量时，通过光信号将加速度数据和摄像机图像进行同步。对于单腿着陆事件，涉及持拍手对侧腿的，捕获最初加速度超过4g的帧，并将其存储为TIFF 文件进行分析。为了保持一致性，所有测量均由具有丰富视频分析经验的同一专家进行。

在测量大于4 g 着陆点的躯干侧曲和髋关节外展角度时，由于没有建立由三轴加速度计计算的位置和角度，本研究将第7颈椎中心到第4腰椎中心的连线和垂直于地面的连线的夹角来测量躯干倾斜角度，从膝关节中心到髋关节中心的连线与垂直于地面的连线的夹角来测量髋关节外展角度（如图1）。

首先，使用Actigraph Actilife 6.1.4软件（Manufacturing Technology，Inc，MTI）和Dartfish 软件（Connect Plus，Dartfish，Switzerland），同时捕捉加速度值超过4g的时间点，并将2种不同设备（加速度计和摄像机）的采样数据进行同步化处理，最终选择了1682个事件进行分析。其次，对所有选定的事件进行筛选，以确定符合分析要求的头顶击球后的单腿落地动作[23]。在1682起事件中，366起是头顶击球单脚着陆，其中196次涉及持拍手对侧的腿，而其他的则涉及持拍手侧的腿。此外，对视频剪辑进行进一步筛选，合格视频的入选标准如下：（1）质量好，摄影角度集中在运动员的正背面；（2）躯干和下肢段的视野好。最后，有162次单腿落地是在头顶击球后进行的，身体重心在持拍手对侧的腿上（分别在正手和反手侧球场中落地39次和123次）（见图3）。

图3 合格事件筛选流程图Figure3 Flow Chart of Qualified Event Screening

1.3.4 数据处理 正手场区和反手场区着陆点的所有数据均表示为平均值±标准差（M±SD），经过非配对T检验分析正手区和反手区之间的差异，利用皮尔逊积矩相关系数分析躯干加速度与运动变量之间的关系。所有统计均采用SPSS19.0 统计软件进行处理，所有测试的统计显著性设为P＜0.05。使用Cohen's D计算效应量大小，结果表示为：小于0.2，微不足道；0.21～0.5，较小；0.51～0.8，中等；大于0.8，较大，计算了组内相关系数（ICC），以评估2 个不同时间段每个落地瞬间事件测量的可信度。随机重复了55个事件的测量结果（正手和反手场区分别12次和43 次）。关于躯干侧弯和髋部外展角度，组内相关系数分别为0.987和0.989（95%置信区间）。

2 研究结果

正手场区和反手场区之间躯干加速度和运动变量的差异显示，躯干加速度在正手场区和反手场区之间没有显著差异；横向加速度（P＜0.05，D=0.706）和前后加速度（P=0.366；D=0.204）2 方面，反手场区大于正手场区，而在垂直加速度方面（P＜0.05；D=0.419），正手场区大于对侧场；反手场区平均躯干侧弯屈角大于正手场区（P＜0.05；D=0.372），反手场区的平均髋关节外展角也大于正手场区（P＜0.05；D=1.985）（见表2）。

表2 单腿落地时躯干加速度及躯干和髋关节角度（M±SD）Table2 Trunk Acceleration and Trunk and Limb Angle During Single-leg Landing（M±SD）

变量之间的皮尔逊积矩相关系数显示，在正手场区，向后加速度与躯干侧弯角度呈高度相关（P＜0.01；r=0.512）；反手场区，横向加速度和垂直加速度与躯干侧弯角（P＜0.01；r=0.651；P＜0.01；r=-0.682）和髋外展角（P＜0.01；r=0.593 和P＜0.01，r=-0.537）也显示出高度的相关性；反手场区，向后加速与躯干侧弯（P＜0.05；r=0.201）关系较弱，而与髋关节外展角度（P＜0.01；r=0.215）呈现很大的相关性（见表3）。

表3 单腿落地时躯干加速度与躯干、髋关节角度的相关系数。Table3 Correlation Coefficient of Trunk Acceleration and Trunk and Lower Limb Angle During Single-leg Landing

3 分析讨论

这是首次使用三轴加速度计和视频，分析实际羽毛球比赛中单腿落地后的躯干加速度、躯干和髋关节运动学特点。头顶击球后躯干加速度与躯干、髋部角度在正手场区和反手场区之间存在差异，并且每个线性加速度值与来自反手场区的躯干、髋部角度都相关。

3.1 躯干加速度变化特点分析

正手和反手侧场区的躯干加速度没有显著性差异，而2 个区域的横向、垂直及前后加速度都不相同，正手区的垂直加速度（3.88g±0.69g）大于反手区（3.15g±1.20g），反手区的横向加速度（2.31g±1.12g）和前后加速度（0.99g±1.12g）大于对侧（1.35g±1.03g，0.65g±1.21g），这表明运动员身体上的负荷方向会随着头顶击球后的着陆区域不同而发生变化（见表2）。在羽毛球比赛中，运动员在正手或反手区击过顶球后都需要立即回到中心位置，为下一次击球做准备，由于每次击球的落点、球速和方向等各不相同，因此，在击球后落地瞬间的三维空间就会产生不同程度的加速度值。运动员在回击正手场区的来球时，一般较主动。首先，击球点与持拍手更近；其次，正手区侧身较快，移动到击球点附近的时间短，起跳时不必过分后伸而更倾向于追求高点击球。因此，落地时不易产生过大的摆腿动作，此时，落到瞬间的垂直方向加速度会相对较大，而侧屈和背伸的加速度相对较小。当运动员在反手场区回击过顶球时，由于击球点距离持拍手较远，运动员往往通过侧屈和背伸来替代一部分侧身动作，以便于能够尽早击球和尽快回中心位置。运动员在空中完成这种过大的侧曲和背伸动作时，很容易使身体重心后移，产生更大的横向和向后的加速度值，而且需要将非持拍侧腿尽量后摆以保持平衡，这也导致了运动员在落地瞬间髋关节外展角度增大。因此，运动员在反手区进行过顶击球时会产生更大的侧屈加速度和背伸加速度。

在羽毛球比赛中，用正手击球方式回击反手场区的过顶球本身就是一种被动情况下的强迫主动击球方式，击球点距离持拍手更远，需要更快的速度调节身体的姿态寻求合适的击球位置。因此，对身体的侧弯、背伸都有了更高的要求，在身体的过分侧弯、背伸后，必然会对单腿的平稳落地动作施加了更大压力。有研究显示[24-25]，躯干侧弯会增大下肢膝关节外翻力矩，增加膝关节损伤风险。因此，在反手场区，运动员采用正手回击过顶球时，单脚落地会产生更大的横向加速度，增加了膝关节前十字韧带损伤的风险。

3.2 躯干侧弯角度和髋关节外展角度变化分析

从运动员落地姿态上可以看到，正手场区与反手场区的躯干侧弯角度差异较大，但效应量（effect size）较小（d=0.372），正手和反手场区的躯干角度分别为17°±13°和24°±7°，这一数值远远大于之前的研究中[12]受伤女性运动员的躯干侧弯角度（11°±2°）。也就是说，躯干侧弯角度大于11°±2°时，女性下肢受伤的概率会大大增加。同样，在一项生物力学试验中[26]，改变躯干倾斜位置时，会同时改变横向移动过程中膝关节外翻力矩，当躯干侧弯时，躯干倾斜侧的下肢膝外翻力矩比对侧明显更大。

羽毛球运动是单侧运动项目，持拍手侧的上肢动作远远多于对侧，在实际的比赛过程中，羽毛球的飞行线路变化多端。击球点在身体的上下、前后、左右360°的空间内随机出现，而羽毛球拍只能在主导手上挥动，不能随意变化持拍手，这种不对称的姿势必然要求运动员通过不断的躯干转体、侧弯、前倾和背伸等姿态来调节身体位置。在这种快速变换体位的过程中，躯干侧弯的几率大大增加，对下肢尤其是持拍手对侧的下肢施加了更大的压力，对膝关节前交叉十字韧带的损伤风险必然更大[27-28]。

运动员在正手场区和反手场区回击过顶球时，单脚落地的髋关节外展角度存在更大的差异（P＜0.01），效应量也很明显（D=1.985）。与正手场区相比，反手场区击球时的髋部外展角度（23°±11°）更接近前人记录的受伤参与者发生的外展角度（29°±11°）[12]。而且，在反手场区击球时的髋关节外展角度远远大于正手场区（-1°±8°）。通过三维视频分析也表明[10、29]，运动员在单脚落地时最初接触地面的40 ms内，髋关节外展角度在20°时表现出更好的稳定现象。

从试验数据和文献资料来看，运动员在头顶击球后的躯干位置很可能在球场上落地的任何位置发生横向或纵向倾斜，在反手区尤为明显，进而增加下肢关节剪切力。E.KRISTIANSLUND等[30]研究表明，躯干侧弯和髋外展是膝外展力矩增加的预测因素；Y.KIMURA 等[23]还报告了左后跨步（模拟在反手场区着陆）后初始接触地面时的髋外展角度明显大于右后跨步后，并怀疑在头顶区击球时，上肢和躯干的羽毛球特定动作可能影响下肢的运动学和动力学参数。这种反手场区的危险落地姿势，可能与羽毛球运动前交叉韧带损伤的高发生率有关。

由本研究的结果可知，在实际比赛过程中，运动员躯干侧弯特点和髋关节外展角度与前人室内研究的结果基本吻合。运动员在比赛过程中进行过顶击球后，尤其是在反手场区，更可能以高度危险的姿势落地，造成落地腿前交叉韧带损伤。

3.3 躯干加速度与躯干侧弯及髋关节外展的相关性研究

在反手场区，除了加速度与躯干弯曲角度、髋关节外展角度没有相关性外，其他3 个轴的加速度（横向加速度、垂直加速度、前后加速度）均与躯干侧弯角度、髋关节外展角度有极大的相关性（见表3）。而与反手场区不同，正手场区只有矢状面的前后加速度值与躯干侧弯有轻微的相关性，另外2 个轴及加速度值与躯干侧弯角度、髋关节外展角度没有相关性。

由此可见，运动员在正手场区击过顶球时，由于持拍手与击球点更接近，所以在横向移动和前后移动方面相对加速度较小，只需要快速向上移动即可达到较好的击球位置。相反，在反手场区击球时，击球点远离持拍手，运动员不仅需要增加侧屈，而且需要快速蹬地转身向左后方起跳（右手持拍为例），这就明显增加横向加速度、垂直加速度和向后的加速度。过度的躯干侧弯必然导致重心向左后方移动，为了保持落地的平稳，左腿会大幅度向左后方摆动，使身体呈弓形，这样就会使得髋关节外展角度增大，向左后方摆动的加速度越大，髋关节外展的角度也必然越大。

有研究显示[24，31-32]，躯干侧倾和髋外展是前交叉韧带损伤的危险因素，在反手场区进行侧向加速时，躯干侧倾和髋外展的风险更大（分别为r=0.651，r=0.593）。躯干侧弯加速速同样是增加膝外翻负荷的危险因素[25，33]。在室内试验中，触地瞬间的膝关节外翻角度和髋关节外展角度与单腿横向跳跃着陆时的最大垂直地面反作用力有关[34-36]。专家通过试验发现，在着陆前的阶段训练肌肉激活和神经控制，可以有效提高动作控制能力，对改善膝关节外翻和髋关节外展预防前交叉十字韧带有很好的作用[37]。

因此，为了避免过大的躯干侧弯和髋关节外展角度、减少膝关节外翻负荷，羽毛球运动员不仅在地面上，还应该在空中进行神经肌肉训练，以控制他们的四肢和躯干在空中进行头顶击球时的姿势和单脚落地姿态。

4 结 论

在头顶击球后的单脚落地瞬间，反手场区的躯干侧弯和躯干加速度大于正手场区，反手场区的躯干横向和垂直加速度与躯干侧弯和髋部外展的角度呈显著的相关性。反手场区头顶击球后，单脚落地姿势与前交叉韧带损伤的落地姿势相似。反手场区躯干过度侧弯的高风险落地姿势，可能与羽毛球比赛中膝关节受伤的发生率有较高的相关性。因此，羽毛球运动员在训练中，特别是在反手场区，应加强神经肌肉控制训练，以协调控制身体姿势预防膝关节损伤。