超重人群与正常人群落地纵跳过程中下肢生物力学比较研究

徐玉鹏 姚军威 马勇 郑伟涛

1 武汉体育学院（武汉 430079）

2 国家体育总局体育工程重点实验室（武汉 430079）

体育活动日益受到社会各界重视，为了追求健康的生活方式，越来越多的民众逐渐投入到体育运动中去，其中超重和肥胖人群是不可忽视的一个群体。有研究证实超重和肥胖与下肢骨骼肌肉疾病有着密切关联[1]。超重和肥胖人群在站立初期表现出更大的膝关节外翻角度和髋关节内收角度，可能是由于超重导致下肢塌陷进而影响下肢正常力线，同时也预示着超重和肥胖人群在运动中有潜在的损伤风险[2]。落地纵跳（drop jump，DJ）是许多运动和训练中常见的动作模式，从高处落地适当缓冲后立刻垂直向上跳起，整个动作周期分为两个阶段：离心阶段、向心阶段[3，4]。DJ动作有时被应用于筛查运动员下肢损伤风险，动作中表现出较大的膝外翻角度、较低的膝关节屈曲角度、较高的垂直地面反作用力（vertical ground reaction force，VGRF）等，可能与前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤风险相关[5]。但有不少学者对此种方法提出了质疑，认为存在较多的敏感因素，例如性别、年龄、运动员类别、体重等[6]。有研究表明，超重的青少年在DJ 动作过程中下肢各关节峰值力矩到达时间慢于正常组，说明超重组需要更多的时间来控制和稳定他们的身体。超重人群在运动中需要消耗比普通人更多的能量，因此更容易产生疲劳，大大增加了运动损伤风险[2]。

目前，关于DJ 动作的生物力学研究中已有性别、运动员类别、年龄和不同高度的研究，体重对DJ 动作的影响还需要进一步研究。本研究旨在通过比较正常人群和超重人群DJ 动作模式的差异，以及运动学、动力学及刚度指标，探讨超重人群在DJ动作中的下肢损伤风险，以期为超重人群下肢损伤预防提供一定理论参考。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选取武汉体育学院24 名在校健康男性作为研究对象，分为正常组与超重组，每组12人（表1）。体重指数（body mass index，BMI）在24 ～27.9 kg/m2定义为超重人群类别[7]。所有对象无心血管类疾病，6 个月内无下肢损伤病史。通过踢球法[8]确定优势侧腿，统一选取右侧为优势侧的对象。受试者熟知实验流程并能顺利完成。

表1 受试者基本情况

1.2 研究方法

1.2.1 实验仪器

本实验在武汉体育学院体育工程国家重点实验室采用Vicon 三维光学运动捕捉系统（Vicon Motion Systems，Oxford，英国，采样频率200 Hz）、Kistler三维测力台（9260AA6，瑞士，采样频率1 kHz）同步完成，所采集的原始数据通过Visual 3D软件进行计算处理。

1.2.2 实验步骤

实验开始前受试者签署知情同意书，换上紧身运动短裤，之后在跑步机上进行10 min 热身。热身结束后受试者站立于瑜伽垫上，对其骨性标志粘贴38 个marker点（骨盆、大腿、小腿、足），通过红外高速摄像机进行运动捕捉，据此建立人体下肢模型，模拟下肢三关节运动。为了避免鞋底缓冲影响到实验结果，所有受试者统一赤脚完成实验动作。

DJ 动作：受试者双腿自然站立于30 cm 高的木箱上[5]，与肩同宽。口令开始后受试者双手插腰，以免产生摆臂惯性；前足悬空，后足脚跟站立，重心缓慢前移直至自然下落，确保在下落过程中无水平加速度，双脚落于左右不同测力台，适当缓冲后尽自己最大能力垂直向上跳，落地时尽量落于起跳时的位置[9]。每位受试者完成三次合格动作。

1.2.3 参数选取

运动学、动力学数据采用Visual 3D软件进行初步计算，然后通过Butter-worth 二阶双向滤波器进行低通滤波，截止频率为8 Hz[10]，最后将所有数据进行归一化处理。时刻定义：将整个动作周期分为两个周期：（1）离心期（eccentric phase）：脚底触地时刻（垂直地面反作用力＞10 N）至膝关节屈曲角度最大时刻；（2）向心期（concentric phase）：膝关节屈曲角度最大时刻至脚尖离地时刻。以实验室坐标系建立X、Y、Z 轴，X 轴定义为关节屈曲与后伸，Y 轴定义为关节内收与外展，Z 轴定义为重心位移。本次实验主要探讨下肢三关节矢状面屈伸运动。

1.2.3.1 运动学数据

关节角度：髋、膝、踝三关节触地时角度；下肢三关节离心末期时关节角度；下肢三关节脚尖离地时角度；下肢三关节关节角度变化量。

1.2.3.2 动力学数据

通过Visual 3D 软件逆动力学方法计算下肢各关节产生的净力矩，并除以体重标准化。标准化关节力矩：下肢三关节标准化最大蹬伸力矩及出现时间。标准化关节功率：下肢三关节标准化蹬伸最大功率及其出现时间。其中定义髋关节伸肌力矩、膝关节屈曲力矩、踝关节背屈力矩为（－）；髋关节屈肌力矩、膝关节伸膝力矩、踝关节跖屈力矩为（+）。所有数据通过Visual 3D软件进行了归一化处理，故力矩变化曲线图只代表了均数变化，未添加标准差，见图1。最大蹬伸力矩统一使用绝对值表示。

图1 超重组与正常组下肢三关节力矩归一化曲线

1.2.3.3 刚度

下肢刚度=peak GRFvertical/△LCOM，其中peak GRFverti-cal表示垂直地面反作用力峰值，△LCOM表示离心期重心位移变化。

下肢关节刚度=△Mjoint/△θjoint，其中△Mjoint表示离心期关节力矩变化，△θjoint表示离心期关节角度变化[11]。

1.2.4 统计学方法

所得数据均采用平均值±标准差表示。首先对数据进行正态分布检验，若符合正态分布，采用t检验的方式对两组数据进行统计分析；若不符合正态分布，采用秩和检验。采用多元线性回归统计分析下肢关节刚度与下肢刚度相关性。所有数据通过Excel 2016 和SPSS 25.0软件进行处理，P＜0.05为有显著性差异。

2 结果

2.1 矢状面运动学数据

如表2所示，超重组踝关节触地时刻角度、离心末期角度、关节活动度均小于正常组，差异有统计学意义（P＜0.05）。超重组膝关节离心末期角度、关节活动度均小于正常组，差异有统计学意义（P＜0.05）。超重组髋关节触地时刻角度和离地时刻角度大于正常组，差异有统计学意义（P＜0.05）；离心末期角度、关节活动度小于正常组，差异有统计学意义（P＜0.05）。

表2 两组下肢三关节运动学数据比较（n=12）（°）

2.2 矢状面动力学数据

如表3所示，超重组髋关节、膝关节最大蹬伸力矩及功率出现时间均较正常组有延迟，差异有统计学意义（P＜0.05）。超重组踝关节最大蹬伸力矩及功率出现时间早于正常组，差异有统计学意义（P＜0.05）。

表3 两组下肢三关节最大蹬伸力矩及最大功率出现时间比较（n=12）（ms）

图2 显示，超重组膝关节最大蹬伸力矩大于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）。超重组踝关节、膝关节最大蹬伸功率小于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）。

图2 正常组与超重组下肢三关节最大蹬伸力矩及最大蹬伸功率（n=12）

2.3 刚度

图3 结果显示，超重组在落地过程中下肢刚度大于正常组，差异有统计学意义（P＜0.05）。超重组踝关节、膝关节刚度大于正常组，差异有统计学意义（P＜0.05）。

图3 正常组与超重组下肢刚度及关节刚度对比（n=12）

如表4 所示，超重组膝关节刚度与下肢刚度具有线性关系（P＜0.05），Beta值为0.660，表明膝关节刚度与下肢刚度呈正相关趋势。踝关节和髋关节刚度与下肢刚度不具有线性关系（P＞0.05）。

表4 超重组下肢三关节刚度与下肢刚度的线性回归分析（n=12）

3 讨论

3.1 运动学

本研究结果显示，正常组落地过程中下肢髋、膝和踝关节活动度明显优于超重组，其原因可能是由于超重人群落地时产生了较大的冲击力，为了降低骨关节所承受的应力，需要关节周围的肌肉过度激活以稳定关节并吸收一部分冲击力，过度激活的肌肉虽然稳定了关节，但肌肉弹性和延展性却下降了，最终导致关节活动度减小。有研究显示，BMI 与运动表现成反比[12]。值得注意的是，超重组在落地时刻和离地时刻髋关节角度显著大于正常组，这与Cowley 等[13]研究结果相反。本研究的对象是成年男性，Cowley 等研究的研究对象为儿童与青少年，年龄因素可能会导致实验结果有差异。这也从反映了超重成年男性在落地过程中需要前倾躯干来维持身体平衡。髋关节屈曲角度的增加可以提高腘绳肌抵抗胫骨前移的剪切力，因此可以引起重心有效降低，增加膝关节屈曲角度，减少前交叉韧带损伤几率[14，15]。触地时刻超重组踝关节背屈角度不足可能是由于超重人群体重过大，再加上从高空落地产生的冲击力，足底筋膜压力变大，从而增加了跟腱的张力，最终导致足背屈不足。Woo 等[16]研究认为，较大的冲击负荷载体着地时会增加ACL损伤风险。Hewett等[17]的研究指出，着地时膝关节屈曲角度较小，股四头肌激活程度较高可以加强膝关节稳定，但同时也会导致胫骨前移和ACL 损伤。超重人群在DJ 动作过程中膝关节表现出较小的屈曲角度，股四头肌可能更多的是维持关节稳定，股四头肌过度激活可能预示着超重人群在DJ 落地过程中ACL 风险较正常人群高。由于本次实验没有联合使用表面肌电进行数据采集，所以无法对肌肉募集情况进行更深层次的分析。

3.2 动力学

本研究结果显示，超重组膝关节最大蹬伸力矩及最大蹬伸功率出现时间较正常组有显著性延迟，这与McMillan[2]的研究结果一致。其原因是超重人群落地后膝关节需要更多的时间去稳定身体，任何不稳定因素都可能导致跌倒或通过远端关节代偿来稳定近端关节，这都有可能增加运动损伤风险。然而，超重组踝关节蹬伸力矩及最大蹬伸功率出现时间早于正常组，分析其原因为正常组产生的动作范围更大，因此整个动作周期比超重组时间长。虽然超重组膝关节在发力时间上出现了延迟，但总体发力顺序仍然是髋-膝-踝的过程，表明超重人群在DJ 动作中动作模式没有改变。最大蹬伸力矩方面，超重组膝关节最大蹬伸力矩显著大于正常组，说明超重人群在蹬伸时膝关节周围的肌肉需要产生更多的力量去蹬离地面，这可能会造成膝关节承受额外的压力。有研究[14]认为，在落地纵跳运动中，蹬离地面时膝关节蹬伸力矩越大，膝关节损伤风险越高。本研究结果显示，超重人群踝关节最大蹬伸力矩与正常人群无显著差异，超重人群由于体重大，蹬离地面时除了对膝关节周围肌肉力量有要求，也需要一定的踝关节周围肌肉力量。但从结果看，超重人群似乎并不能充分地募集肌肉，其原因可能是超重人群落地过程中踝关节背屈受限，进而影响了弹性势能的吸收，踝关节周围肌肉因此无法充分被利用。刘丹等[18]研究显示，超重人群在不同高度单腿落地时膝关节最大伸展力矩为1.72 ± 0.47 Nm/kg，显著大于本研究超重组最大伸展力矩，已有研究[19]指出单腿下落比双腿下落时会产生更大的伸力矩，同时关节损伤风险也更高，因此超重人群在运动中需要减少单腿着地动作。本研究只探讨了30 cm 高度的落地，在后续研究中，还需要针对不同落地高度进行双腿落地跳研究。功率是反映做功快慢的指标，本研究结果显示，虽然超重组膝关节最大蹬伸力矩显著大于正常组，但膝关节最大蹬伸功率却小于正常组，其原因可能是正常人群可以产生更快的蹬伸速度，落地反跳动作利用串联弹性成分储存能量，引发牵张反射促进肌肉的募集，从而使Ia 型感觉神经纤维与α运动神经元共同刺激主动肌群在最短的时间里快速收缩，最终产生较高的爆发力[20，21]，超重人群因为大重量和相对力量不足，很难在短时间内产生较高爆发输出。

3.3 刚度

肢体刚度可以衡量腿部在外力或内力的作用下抗形变的能力[22]。本研究结果显示，超重组较正常组表现出更大的刚度特性，表明超重人群着地过程中下肢关节活动度变化量较小。下肢刚度主要由两个因素决定：外力和关节活动度[23]。超重人群下肢刚度较大的主要原因可能为重心位移距离较短。回顾性研究[22]发现，过高的下肢刚度与骨骼损伤有关联，过小的刚度与软组织损伤有关。这说明超重人群下肢骨骼损伤风险可能较正常人群高。研究证实，腿部刚度是运动中受伤风险的一个重要指标，双侧腿部刚度的差异同样也增加了非接触性损伤的可能性[24]。本研究并没有对弱侧腿进行研究，后续还需要对超重人群双侧腿部差异做进一步研究。关节刚度与关节力矩和关节角度有关，从本研究结果来看，超重组膝关节和踝关节刚度均大于正常组，其中膝关节刚度差异较大，超重人群可能会因为膝关节活动范围较小和垂直地面反作用力增加导致膝关节负荷增加，从而增加下肢损伤风险。这可能提示超重人群膝关节刚度对下肢刚度有着重要作用。关于性别对下肢刚度的研究发现[25]，男性由于垂直地面反作用力的增加和重心垂直位移距离变短导致下肢腿部刚度较女性更大；关节方面男性踝关节刚度比女性高。超重人群主要因为踝关节活动度小导致了踝关节刚度较正常人群大。本研究结果显示，超重人群膝关节刚度与下肢刚度有相关性，既往研究[26]发现，除女性舞蹈运动员以外，膝关节刚度是唯一对下肢刚度有贡献的变量。这说明不同的运动员类型和训练习惯会对下肢关节刚度产生一定影响。

4 结论

超重人群在落地纵跳过程中与正常人群相比，关节活动度不足，膝关节力矩过大，从而导致了下肢刚度过大。因此超重人群较正常人群有较高的损伤风险。超重人群在训练中要注重关节活动度的训练，同时注意膝关节防护，避免膝关节产生运动损伤。