篮球运动典型跳跃动作助跑单脚跳的下肢力学研究

戴伟勋，于海滨，林建志，张 锐，3

在篮球运动过程中，跳跃表现可能是影响比赛结果的因素[1]，甚至可增加比赛的可看性。无论是为了防守还是进攻，常可以看到经过一小段距离的助跑后，再进行单脚跳跃的动作（running single-leg jump，RSJ）[2]。事实上，大部分运动人员都有使用惯用脚的行为，也就是说，运动员在执行RSJ动作时，通常会优先选择惯用脚作为起跳脚[3]。然而，运动场上的情况瞬息万变，对于优秀篮球运动员来说，使用惯用脚进行RSJ与否并不是个人可以决定，而是必须通过运动场的现实状况去做选择。有研究认为，运动伤害会因肢体的不对称因素而增加[3-4]。此外，篮球运动员在赛场必须进行跳跃、急停或是大角度的方向变换，甚至过于频繁的RSJ动作，这些都是造成下肢伤害发生机率较高的原因[5-7]。但是，为了提高跳跃表现，虽然RSJ有可能增加伤害风险，却不得不说RSJ对于篮球运动员技术运用具有极大的优势[2]。因此，了解RSJ动作的下肢运动生物力学特征非常重要的，这不仅能帮助理解动作表现的提升机制，同时也可以了解产生伤害风险的因素，更可以运用于常态的下肢爆发力基础训练。

前人关于单脚跳跃的研究都着重于下肢双侧不对称的调查，多数都是以原地起跳方式进行[8-12]，且多数研究都显示出无论是水平、横向或是垂直跳，其惯用腿的跳跃表现显著高于非惯用脚，并且惯用脚甚至可以提高12%的动作表现[3]。然而，这些研究主要是以原地站立进行跳跃动作，并未调查RSJ方式的单脚跳跃动作。事实上，从提高运动表现看，即便会伴随着较大的伤害风险，提高跳跃优势仍是运动员优先的选择，双侧不对称研究或许能解释一些造成伤害增加的原因，但运动员似乎不会因为这样的研究结果而改变跳跃的策略，较可行的方法应从常态训练尽量去降低不对称的程度。虽有研究探讨跳高或其他项目间RSJ动作的力学参数比较[13-15]，但这些研究主要是比较不同项目进行RSJ时的表现差异，未能帮助运动员或教练员理解RSJ动作的下肢工作机制。因此，理解RSJ动作的下肢工作特征，将能进一步厘清影响表现提升的可能因素，或是造成伤害的可能原因，然后针对其力学特征进行动作的调整训练或是局部的强化。

因此，探讨运动员进行RSJ时的下肢运动生物力学特征，利用运动学、动力学与肌电图参数的特征进行观察比较，并透过先前研究结果的整理，假设踝关节对表现可能具有较大影响。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

参与者为某体育运动大学12位男子篮球国家二级运动员，年龄（21±1.4）岁，身高（178±7.4）cm，体重（77±12.6）kg，训练年限（62±1.1）年，所有参与者皆为现役运动员，且过去半年内无下肢伤害，并均已在训练或练习中熟练掌握助跑单脚跳动作。研究者在告知所有自愿参与者实验工作内容及风险后，签署实验参与者知情同意书。

1.2 实验场地设计与流程

实验场地约为10 m×3 m的木制跑道，在实验场地上6 m的位置标记起跑点。为了进一步了解助跑对跳跃表现的影响，要求所有受试者进行快速与慢速的助跑方式，以模拟实际运动场上可能发生的状况。因此，沿着助跑道边缘设置一条约9 m的LED流星灯条，该灯条的灯光移动速度为4 m/s（见图1）。所有实验参与者在跑道上完成助跑单脚垂直跳动作，并且参照LED灯条速度，执行快速助跑与慢速助跑，慢速助跑以不超越LED灯条为主，快速助跑则是在超过灯条速度下尚能尽力起跳为原则。此外，本研究在测力板正上方设一目标物作为实验参与者的跳跃高度目标，其高度设置方式为实验参与者进行最大原地双脚垂直跳的150%，要求实验参与者尽力完成跳跃动作。实验开始前，参与者进行5 min的慢跑热身与5 min的肌肉伸展操，待热身动作完成后给予5 min的RSJ动作练习。实验过程中，所有实验参与者以随机方式进行2种速度的RSJ动作，每一个测试以重心位移最高的表现作为该次的取样，共收集3次最佳动作表现作为分析资料。

图1 实验场地设置图Figure1 ExperimentalCondition Setting

1.3 实验仪器与设备

力学参数资料分别使用11台红外线高速摄影机（Motion Analysis Corporation，Santa Rosa，CA，USA，200 Hz）与1块测力板（60×90 cm AMTI Inc.，Watertown，MA，USA，2 000 Hz）进行运动学与动力学资料收集，而肌电讯号资料则使用Delsys表面无线肌电图系统（Delsys Inc.，Boston，MA，USA，2 000 Hz）进行收集。红外线摄影机、测力板与肌电图等参数资料系统透过EvaRT 4.6（Motion Analysis Corporation，Santa Rosa，CA，USA）软体同步收集，然后经由MotionMonitor软体（Innovative Sports Training Inc，Chicago，Illinois，USA）进行资料的转换与后续分析。运动学资料以摄影机拍摄反光标志点为主进行收集，黏贴位置见图2。

图2 反光标志点黏贴位置示意图Figure2 Reflective Markers on Body

1.4 资料处理与分析

先前在垂直跳动作的研究中，会将动作特性分为不同阶段进行讨论，其中在原地垂直跳的研究中，通常会以重心最低点区分向心与离心期[16]。以膝关节屈曲最大瞬间作为阶段的分隔点[17]。本研究将整个RSJ动作分为3个阶段：首先是踩入测力板前50 ms的着地前期（pre-activation phase）；其次是踩入测力板后膝关节屈曲角度达最大瞬间的下蹲期（downward phase）；最后是膝关节角度最大瞬间至离地瞬间的蹬伸期（push-off phase）。在这些过程中，跳跃高度取重心位移高度最大值进行比较，动力学与运动学资料着重在收集RSJ踩入测力板的过程，使用Motion Monitor软体进行逆动力学计算获得关节力矩与功率[18]，其中也针对着地阶段的离心发力率（Eccentric rate of force development，Ecc-RFD）进行比较，主要计算地面反作用力超过个人体重后，至膝关节屈曲角度最大瞬间的力量差值，然后再除以时间所得[16]，并进一步依照个人体重进行标准化。表面肌电图用以收集惯用脚下肢肌群的数据，包括股直肌（rectus femoris，RF）、股二头肌（biceps femoris，BF）、胫骨前肌（tibialis anterior，TA）、腓肠肌（gastrocnemius，GAS）和比目鱼肌（soleus，SOL），原始肌电图资料会先以20～450 Hz宽带率波（bandpass filter）进行杂讯的去除，然后再设定50 ms作为窗格进行均方根（root mean square，RMS）资料分析，而跳跃过程的3个阶段以平均RMS（aEMG）值进行分析比较，同时也计算蹬伸期的膝关节与踝关节共同激活比（Co-activation Ratio，CaR），膝关节共同激活比（CaRknee）的计算方式为RF除以BF，踝关节（CaRankle）则是TA除以GA。采用SPSS20.0进行配对样本T检验分析，测试不同速度控制下的RSJ动作差异，显著水平为P<0.05。

2 结果

为了探讨篮球运动员RSJ时的下肢运动力学特征，分析2种助跑情况下RSJ跳跃过程中运动学、动力学与肌电图参数。配对样本T检验显示，起跳前的重心水平速度、地面反作用力、离心动作过程的发力率、向心与离心工作时间均有统计学意义（P<0.05），下肢关节力矩与功率无统计学意义（P>0.05）。肌电图统计结果则显示，腓肠肌（GA）在快速助跑时的着地前期有较高的激活程度（P<0.05），胫骨前肌（TA）在快速助跑蹬伸期的激活程度显著高于慢速（P<0.05）。另外，踝关节的共同激活比在蹬伸期也显示出快速助跑高于慢速（P<0.05）（见表1，图3）。

表1 不同助跑速度下的运动学与动力学参数平均数标准差与统计结果Table1 Kinematic and Kinetic Data in Different Approach Speed Mean and Standard Deviation

图3 下肢肌群在各跳跃动作阶段的aEMG均方根变化情况Figure3 Lower Extremity Muscles aEMGin Different Jumping Phase

3 讨 论

探讨RSJ动作的下肢力学特征，并且通过2种助跑方式进行比较，但主要目的仍是观察篮球典型RSJ动作在表现及训练上的效益，以及其对于篮球技术发展之应用。2种助跑的RSJ动作比较主要有以下3点发现：（1）力量作用会随着助跑速度增加而提高；（2）RSJ起跳动作的离心过程显著高于向心阶段；（3）相对于大腿肌群，小腿肌群可能是影响RSJ表现的主要因素。这样的结果支持本研究先前的假设，RSJ在蹬伸期的表现受腿部肌群激活水平影响，笔者将以RSJ跳跃动作的3个阶段进行动作特征的讨论与比较（见图4）。

图4 RSJ离心与向心工作的下肢关节力矩情况Figure4 Lower Extremity Moment in Eccentric and Concentric Phase

3.1 着地前期（pre-activation phase）

在着地前期，主要以肌肉工作的预激活程度进行观察。事实上，肌肉的预激活受到神经预激活影响[19]，主要反应在快速动作的肌肉力量的激活，而肌肉在着地前若有较高的激活水平，将能引发较高的力量产生[20]。预激活同时能够增强牵张反射能力[21]，进而提高肌肉刚度与作用力量[22]，同时较高水平的肌肉激活表现与牵拉速度也会促进弹性能的储存与释放能力[23]。因此，预激活的水平不仅是运动员抵抗着地碰撞的第一道防线，也是影响后续跳跃表现的关键因素。而本研究的RSJ动作先前相关研究也提出，跳跃前的助跑工作会增加肌肉的激活水平[24]，这一点在本研究中仅GA显著增加（见图3）。由于GA属于双关节肌肉，较高的激活可能会影响膝关节的屈曲与踝关节的跖屈变化，因此较高的预激活水平可以解释为了着地而产生的反应[24]。由此可知，对于篮球RSJ动作技术来看，小腿肌群的激活状态与踝关节损伤息息相关。另外，在单纯预激活程度上发现，BF的激活程度远大于其他肌群，这可能是由于起跳前抬腿踩入测力板所产生的结果。过去几乎没有太多相关研究探讨典型RSJ动作下肢肌肉预激活工作，而本研究就结果在此方面发现，小腿肌群的强度对于篮球运动员有一定程度的重要性，此外，对于BF较高的激活水平来看，未来在探讨预激活的相关课题上，需要进一步注意实验动作限制上的要求，或是以其他运动项目的对象进行试验方能知晓。

3.2 下蹲期（downward phase）

下蹲期又可称为离心工作期，这个阶段主要进行制动（breaking）工作。也就是说，下肢必须承受或缓冲着地过程的作用力。下肢关节力矩曲线特征可以发现（见图5），髋关节是下蹲前期的主要工作关节，而膝关节也有部分的工作协同，一直到下蹲后期，膝关节与踝关节开始取代髋关节的工作，而且这个部分的力矩工作会持续到蹬伸期，这一点也可以从图4观察到。相较于其他2个阶段，下肢肌群在这一个阶段的激活程度最高，尤其是小腿肌群的TA与GA，这就与力矩的曲线图产生了呼应。同时观察图5的关节共同激活比结果也可以看到，主动与拮抗肌群的工作比例较为平衡，这说明下肢肌群共同激活在这个阶段的主要目的可能是维持关节的稳定[24-25]。不同于典型双脚垂直跳动作的特征，GA的激活必须与TA保持一定程度的稳定，而较大的共同激活程度为的是稳定下肢关节序列，尤其是膝关节与踝关节，然而对于RSJ技术来看，踝关节可能是主要影响因素。此外，先前研究认为，跳跃过程的地面反作用力，受到着地阶段的膝关节运动学参数影响[26]，因为在RSJ动作中，膝关节屈曲角度的减少会增加垂直地面反作用力[6，27]。慢速与快速的比较发现，离心发力率随着速度的增加而提高，工作时间随着速度的增加而减少，较大的作用力与较短的时间，造成快速RSJ必须有较高的下蹲加速能力[16，28]，这也同时反应出下肢肌肉肌腱对快速动作的工作效率[29]。另外也有研究显示，离心发力率可能与跳跃表现没有相关[30]，但适当的离心发力率却可能刺激牵张缩短循环（SSC）效果的提升[28]。因此，对于篮球运动员来说，RSJ技术在快速助跑情况下，可能具有训练意义。

图5 蹬伸阶段膝关节与踝关节共同激活比Figure5 Co-activation Ratio of Knee and Ankle in Push off Phase

3.3 蹬伸期（push-off phase）

蹬伸期又可称为向心工作期，这个阶段的参数直接反应了跳跃表现。与先前研究比较发现，助跑会提高着地反弹跳动作下肢机械能的输出[17]，本研究并没有发现这样的结果（见表2），这可能是本研究的跳跃动作不同于先前研究的双脚起跳，表明单脚起跳动作的特殊性。另外，快速RSJ向心工作的时间显著短于慢速，这可能呼应了肌肉肌腱在下蹲期的快速负荷，引发蹬伸期的快速工作反应[22，24]。然而，图4可以发现，髋关节力矩在向心期的工作已微乎其微，膝关节与踝关节的力矩工作则从下蹲期持续至蹬伸期，甚至可见踝关节力矩工作在这个阶段达到最大。进一步观察下肢肌肉工作情况可以看到（见图3），伸膝关节作用的RF、控制踝关节背屈TA与踝关节跖屈GA是蹬伸期的主要工作肌群，且GA有最高的激活水平。这样的肌肉工作特征可以解释为，蹬伸期的下肢主要工作来自于GA与RF，而TA工作目的可能在延续下蹲阶段的制动过程，同时也提供关节结构的稳定支持[24]。从表现面向来看，篮球运动员在进行RSJ动作时，股四头肌群与腓肠肌是影响表现的主因，因此在训练上可以着重注意，但也必须考虑其关节稳定程度的影响，减少膝关节与踝关节损伤。因此，进一步观察下肢肌肉工作的共同激活情况可以发现（见图5），踝关节的CaR在快速RSJ时显著高于慢速，主要差异来自于慢速RSJ的TA激活水平，这样的差异可能造成慢速RSJ蹬伸过程踝关节处于较不稳定的状态，并且较大的CaR比例落差更容易引发伤害风险[24]。因此，无论训练或是实际运动场上，起跳脚的状态是篮球运动员在进行RSJ相关跳跃动作时，必须谨慎注意的。从本研究结果来看，慢速情况下的RSJ反而可能较易产生损伤，而主要因素不外乎肌肉的招募状态不平均，因此可从日常训练进行强化，并在执行RSJ动作时专心以利踝关节作用肌群工作招募。

4 结 论

（1）了解RSJ动作的下肢工作特征是非常有意义的实践工作，尤其是与篮球运动相关的典型跳跃动作，本研究结果可以更进一步了解RSJ为运动表现带来的益处与可能产生的伤害风险。（2）相对于原地跳跃动作，助跑可以刺激肌肉的激活程度增加，引发更快速的牵张反射作用，然后显著提高跳跃表现，这一点或许能说明RSJ动作可做为增加下肢肌肉力量发展的训练方式，除了篮球运动，也适用于其他相关的运动项目。（3）膝关节与踝关节在下蹲期的CaR，解释了RSJ过程中关节维持稳定度的重要性，而蹬伸阶段踝关节CaR的差异可能带来伤害风险。（4）在提升跳跃表现的前提下，应进一步思考的是，如何刺激肌肉激活的增加，而不改变关节的CaR，助跑应是能作为提高肌肉激活的一种方法，而单脚跳跃动作也可以刺激下肢肌群激活，并引发较高的CaR水平，产生稳定关节的作用。（5）通过篮球运动员RSJ的下肢运动生物力学分析，可以更清楚地了解RSJ在跳跃过程的细节，而实验数据也明确显示出不同速度下的力学特征差异，未来在爆发力训练的内容中，控制RSJ的助跑速度，也许是一种可行的方法，但是依然要根据运动员的水平做适当的安排。