不同落地方式下籃球鞋對沖擊力和股四頭肌振動的影響

傅維杰，劉 宇，魏書濤，阮棉芳，何俊良

不同落地方式下籃球鞋對沖擊力和股四頭肌振動的影響

傅維杰1，劉 宇1，魏書濤1，阮棉芳2，何俊良1

探討主動落地反跳和被動著地兩種落地方式下，籃球鞋對于沖擊力信號和股四頭肌軟組織室振動的影響，以及它們?nèi)咧g可能存在的相互關(guān)系，并找尋在此過程中能夠切實(shí)反映籃球鞋變化的新的敏感指標(biāo)，以期為運(yùn)動鞋的功能需求和設(shè)計(jì)提供新的方向。

垂直落地；籃球鞋；沖擊力；振動

在運(yùn)動科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，過去的研究一直認(rèn)為：像籃球和排球等運(yùn)動項(xiàng)目，落地時所承受的3.5到7倍于自身體重的沖擊力，與下肢的運(yùn)動損傷存在密不可分的聯(lián)系[1-3]。而近30年間運(yùn)動鞋生物力學(xué)領(lǐng)域所提出“緩沖避震”，其目的就是為了減少運(yùn)動過程中的沖擊負(fù)荷，并希望藉此來預(yù)防運(yùn)動損傷[4-6]。

現(xiàn)階段，針對沖擊力的研究已經(jīng)不僅僅局限于沖擊力本身，研究者們已陸續(xù)在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了一系列新的假設(shè)[7,8]：把人體作為一個振動系統(tǒng)，而將作用于此系統(tǒng)的沖擊力視為能夠引起人體下肢軟組織產(chǎn)生初始振動的輸入信號；針對這組輸入信號，軟組織通過改變自身力學(xué)特性的方式（振幅、時頻域特征）做出適當(dāng)反饋，避開可能產(chǎn)生的共振（resonance），使振動最小化（minimize vibrations），進(jìn)而與運(yùn)動損傷的防護(hù)相聯(lián)系。沖擊力和軟組織的這些新特征和理念在生物力學(xué)界越來越受到關(guān)注，并已逐漸引入到運(yùn)動鞋新一輪的變革和創(chuàng)新中[9,10]。據(jù)此，本研究的目的在于探討在3種高度下主動落地反跳和被動著地兩種落地方式，籃球鞋對于沖擊力信號和下肢軟組織振動的影響，以及它們?nèi)咧g的相互作用，并試圖找尋在此過程中能夠切實(shí)反映籃球鞋變化的敏感指標(biāo)，為運(yùn)動鞋的功能設(shè)計(jì)提供新的思路。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對象

本實(shí)驗(yàn)選取6名上海體育學(xué)院體教專業(yè)籃球?qū)ｍ?xiàng)男性運(yùn)動員作為研究對象（年齡：22.7±2.1歲；身高：184.5±2.5 cm；體重：75.4±3.6 kg；訓(xùn)練年限：6.3±2.6 歲）。所有受試者于實(shí)驗(yàn)前接受問卷調(diào)查，確認(rèn)24 h內(nèi)未從事劇烈運(yùn)動，確定其下肢和足部半年內(nèi)無明顯損傷，解剖結(jié)構(gòu)和機(jī)能正常，身體狀況以及運(yùn)動能力良好。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 自制可調(diào)節(jié)高度之翻板器

自主設(shè)計(jì)，并由國內(nèi)某運(yùn)動器材廠商加工制作的翻板器（長×寬×高：60×80×70 cm）。翻板可調(diào)節(jié)的高度范圍為20～65 cm，每次可升高的最低高度為5 cm（如圖1），并可通過人工操作控制翻板水平面的下翻。

1.2.2 測力臺

瑞士生產(chǎn)的Kistler三維測力臺（長×寬：90×60 cm），型號9287B，內(nèi)置信號放大器，本次實(shí)驗(yàn)的采樣頻率為1 200 Hz。

1.2.3 加速度信號分析系統(tǒng)

德國Biovision公司的雙軸加速度計(jì)（biaxial accelerometer）（如圖1），測量范圍：±10 g（g=9.81 m/s）；頻寬：DC至1 000 Hz；尺寸：14×9×5 mm 重量：4 g。本實(shí)驗(yàn)的采樣頻率為1 200 Hz。

1.2.4 下肢運(yùn)動學(xué)捕捉系統(tǒng)

英國生產(chǎn)的Vicon紅外高速運(yùn)動捕捉系統(tǒng)和MX13型號的8臺攝像頭，采樣頻率為120 Hz，利用Workstation 5.1軟件對信號進(jìn)行采集和分析處理。采用5個直徑為14 mm的紅外反光球，標(biāo)記位置分別為髂前上棘、大轉(zhuǎn)子、股骨外上髁、外踝和第五跖骨頭（如圖1）[11]，用以定義單側(cè)下肢髖、膝、踝三關(guān)節(jié)，其目的主要用于實(shí)時觀察運(yùn)動員在整個落地緩沖過程中下肢各關(guān)節(jié)的角度變化情況。

圖1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場布置與加速度計(jì)粘貼示意圖Figure 1 Experiment Setup and Accelerometer Placement

1.2.5 各設(shè)備同步

測力臺和Vicon系統(tǒng)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器聯(lián)結(jié)并同步構(gòu)成系統(tǒng)一。加速度信號則是通過一塊A/D卡（NI DAQCard,6024E, National Instrument Corp. USA）以及16通道的輸入盒（input box）構(gòu)成系統(tǒng)二。系統(tǒng)一和系統(tǒng)二通過外接觸發(fā)信號（trigger）進(jìn)行外同步。

1.3 測試方法和評價參數(shù)

1.3.1 實(shí)驗(yàn)用鞋

對照鞋：以無中底材料、緩沖差的市售普通鞋作為對比研究，重量275.0±0.2 g。以上兩款測試鞋鞋碼均為43碼（見圖2）。

圖2 實(shí)驗(yàn)用鞋：Ni k e Zoom Kobe I I I籃球鞋（左）和對照鞋（右）Figure 2 Shoes for Experiment: Nike Zoom III Basketball Shoes (Left) and Control Shoes (Right)

1.3.2 落地反跳和被動著地測試

每位受試者隨機(jī)穿著不同的鞋完成包括3種下落高度和兩種下落方式在內(nèi)的共12組（2×2×3）測試，順序隨機(jī)。其中3種高度分別為30 cm、45 cm和60 cm；兩種下落方式為主動落地反跳和被動著地（如圖3），具體動作如下：

（1）主動落地反跳（Drop Jump,DJ）：受試者雙腳站立與翻板器水平面，腳距與肩同寬，同步信號開始后，兩腳腳尖緩慢由翻板邊緣向測力臺下滑，盡量確保無垂直初速下落，著地后迅速盡力向上垂直跳起（無擺臂）。每位受試者需在同一下落高度完成3次跳深，每次間隔時間為2 min。

（2）被動著地（Passive Landing,PL）：受試者雙腳開立站于翻板，要求身體略微前傾，重心略向前，防止下落著地后由于重心靠后導(dǎo)致整個身體后仰并發(fā)生摔倒。給予受試者“準(zhǔn)備”口令后，通過人工操作控制翻板突然下翻，使受試者在基本無預(yù)知的情況下完成被動著地。每個高度完成3次。

圖3 動作示意圖：主動落地反跳（左）和被動著地（右）Figure 3 Illustration of Two Landing Ways: Active Landing for Jump (Left) and Passive Landing (Right)

1.3.3 評價參數(shù)

（1）沖擊力（輸入信號）：沖擊力峰值（Fz）和峰值出現(xiàn)時間（tF）；最大負(fù)載率（Gz）和出現(xiàn)時間（tG）；輸入信號的頻率（fGRF），公式如下：

其中Fz代表沖擊力峰值，Gz,ave代表20%～80%沖擊階段的平均負(fù)載率。

（2）軟組織振動：沖擊階段的加速度峰值（apeak）和峰值出現(xiàn)時間（ta）。

振動頻率（fv）：通過著地后產(chǎn)生最大加速度到最小加速度之間時間的兩倍進(jìn)行計(jì)算（圖4）[9]。

圖4 著地后的振動信號及其頻率的確定Figure 4 Definition of Vibration Signals and Its Frequency after Landing

（3）下肢運(yùn)動學(xué)：從觸地到完全緩沖整個過程中，優(yōu)勢腿髖、膝、踝三關(guān)節(jié)的角度變化量（joint）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

各參數(shù)值均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（X±SD）方式表示，所有數(shù)據(jù)資料用Excel 2003和SPSS13.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用多因素方差分析（GLM-ANOVA）兩種運(yùn)動鞋×兩種落地方式×3種高度對于各參數(shù)的影響，其中顯著性水平為p＜0.05，非常顯著性水平為p＜0.01。

2 研究結(jié)果

圖5為一名受試者在60 cm高度時采用PL方式下落所測得各參數(shù)的原始信號—時間曲線圖，包括膝關(guān)節(jié)的角度（knee angle）、股四頭肌的加速度信號（ACC）和地面反作用力（G R F）。

2.1 下肢運(yùn)動學(xué)變化特性

無論是DJ還是PL，籃球鞋針對下肢三關(guān)節(jié)在著地緩沖過程中的角度變化量均沒有產(chǎn)生顯著性的影響見（表1），換句話說當(dāng)兩款鞋之間進(jìn)行沖擊力和股四頭肌振動特征比較時，已經(jīng)排除了由于關(guān)節(jié)角度變化所帶來的影響。

2.2 沖擊力信號特性

2.2.1 沖擊力峰值

從不同高度DJ的過程中，兩款鞋的沖擊力峰值及其產(chǎn)生時間均沒有出現(xiàn)顯著性差異（圖6）；相反，PL時，籃球鞋對沖擊力峰值和出現(xiàn)時間均產(chǎn)生了影響，其峰值明顯小于無緩沖的對照鞋，且在30 cm和45 cm這兩個高度出現(xiàn)顯著性差異（p30＜0.01；p45＜0.05）。與此同時，F(xiàn)z隨著高度的增加而增大，特別是當(dāng)高度從45 cm上升到60 cm時，其最大的增幅將近40%。

表1 不同高度下落時下肢三關(guān)節(jié)角度變化量之比較（單位：0）Table Ⅰ Angle Ranges of the Three Joints of the Lower Extremities during Landing from Different Heights

表2 不同高度下落時沖擊力峰值出現(xiàn)時間之比較Table Ⅱ Time of Peak Impact during Landing from Different Heights

圖6 不同高度下落時籃球鞋對于沖擊力峰值的影響Figure 6 Effect of Basketball Shoes on Peak Impact in Landing from the Different Heights

2.2.2 最大負(fù)載率

由表3和圖7可以看出，最大負(fù)載率的變化與沖擊力峰值的結(jié)果類似：DJ時兩款鞋的最大負(fù)載率及其產(chǎn)生時間沒有出現(xiàn)顯著性差異；然而在PL過程中，穿著籃球鞋的負(fù)載率峰值明顯小于對照鞋，且3個高度均存在顯著性差異（p30＜0.01；p45＜0.05；p60＜0.05）。同時，與對照鞋相比，高度的改變（45 cm到60 cm）對于負(fù)載率峰值的影響籃球鞋相對更?。▓D6）。

2.2.3 輸入頻率

在PL過程中，穿著籃球鞋的輸入頻率小于對照鞋的頻率，并在45 cm時出現(xiàn)了顯著性差異（p45＜0.05）；同時，輸入頻率還在范圍內(nèi)受到高度對其的影響（30 cm到45 cm，p＜0.05）。相反，在DJ過程中兩款鞋的表現(xiàn)接近，并沒有出現(xiàn)差異（圖8）。

表3 不同高度下落時最大負(fù)載率出現(xiàn)時間之比較Table Ⅲ Time of Peak Loading Rate during Landing from Different Heights

圖7 不同高度下落時籃球鞋對于最大負(fù)載率的影響Figure 7 Effect of Basketball Shoes on Peak Loading Rate in Landing from the Different Heights

圖8 不同高度下落時籃球鞋對于輸入頻率的影響Figure 8 Effect of Basketball Shoes on Input Frequency in Landing from the Different Heights

2.3 軟組織振動特性

2.3.1 加速度峰值

無論是DJ還是PL，籃球鞋對于加速度峰值及出現(xiàn)時間都沒有產(chǎn)生顯著性的影響。然而，加速度特征更多的是受到不同高度的影響，即隨著高度的增加，峰值也逐漸增大，特別是當(dāng)高度從45 cm上升到60 cm時，增幅明顯（p＜0.05）。

3.3.2 頻率特征

針對兩種不同的落地方式，籃球鞋對于股四頭肌的振動頻率（fv）沒有產(chǎn)生顯著性的影響（圖9）。同時，高度仍然成為影響振動頻率的主導(dǎo)因素。

然而，當(dāng)把輸入信號的結(jié)果和軟組織振動相結(jié)合時我們發(fā)現(xiàn)，在DJ時，無論哪款鞋，其振動頻率總是遠(yuǎn)離輸入信號的頻率范圍，相差34～40 Hz；但在PL過程中，這樣的頻率差異由于落地方式的改變而減小（25 Hz以下），同時，無緩沖鞋相比籃球鞋表現(xiàn)得更為明顯（圖9中虛線框），兩者頻率甚至在45 cm的高度趨于一致（33～39 Hz）。

3 討論

本實(shí)驗(yàn)中所采用的主動落地反跳方式屬于需要人體自身進(jìn)行運(yùn)動控制的動作之一：運(yùn)動員需盡量確保無垂直初速下落，同時著地后需迅速盡力向上垂直跳起。人體經(jīng)過了一個從獲得信號控制下落，再到全力起跳的過程，從結(jié)果來看并沒有發(fā)現(xiàn)籃球鞋作為介入因素在整個主動落地受沖擊的過程中起到明顯作用，相反，沖擊力峰值、負(fù)載率和輸入頻率這些輸入信號的特征更主要的還是受到高度的影響，這一結(jié)果支持Frederick、Nigg和Hennig等運(yùn)動鞋專家長期的跟蹤研究：鞋中底硬度的變化并不會顯著改變沖擊力的峰值，峰值主要受下肢有效質(zhì)量和速度的影響[13-15]。

與此相反，在被動著地的情況下，我們卻發(fā)現(xiàn)籃球鞋確實(shí)對輸入信號的特征（沖擊力峰值、負(fù)載率和輸入頻率）存在較大的影響。在3種不同的高度下落時，相比對照鞋，籃球鞋確實(shí)對沖擊力進(jìn)行了緩沖，并使得輸入信號的頻率范圍變小。這一結(jié)果與Zhang等人[16]的部分研究相同：他們在觀察運(yùn)動員穿著3種不同中底硬度（軟、正常和硬）的籃球鞋在向前邁一步下落（step-off landing）過程中的表現(xiàn)時發(fā)現(xiàn)，中底較軟的籃球鞋和正常組在較低高度下落時均削弱了著地初始的沖擊力以及足尖區(qū)域的負(fù)荷。而Lafortune等人[17]在更早的利用人體鐘擺實(shí)驗(yàn)?zāi)M下肢沖擊的研究中同樣發(fā)現(xiàn)，具有較軟EVA泡沫的運(yùn)動鞋能夠明顯減少沖擊伊始的腿剛度、墻面反作用力（wall reaction force）峰值和最大負(fù)載率。

根據(jù)籃球鞋和沖擊力的關(guān)系，上述一系列結(jié)果包括本實(shí)驗(yàn)的研究均表明，在人體未完全（或較少）預(yù)知著地狀態(tài)的情況下，由于下肢減少了對于動作的控制，排除或部分排除了人體作為活性機(jī)體能夠針對沖擊力的效果進(jìn)行一系列的神經(jīng)－肌肉系統(tǒng)的生物適應(yīng)反饋和自身的適應(yīng)策略（an adaption strategy）[18]，因此使得運(yùn)動鞋（表面）的作用能夠更加明顯地體現(xiàn)出來，包括減少著地時的沖擊峰值、最大負(fù)載率以及在一定高度（或速度）下的輸入頻率，同時使得其它因素諸如高度、速度等對于輸入信號（振幅和頻率）的影響也相對較小，從而充分發(fā)揮運(yùn)動鞋的緩沖避震功能，進(jìn)一步避免由此可能引起的運(yùn)動傷害。

與此同時，針對沖擊過程中下肢軟組織的振動，本研究的結(jié)果顯示，籃球鞋對于一定高度下落時股四頭肌振動特征的影響并不明顯。這一結(jié)果與Boyer和Nigg[9]針對跟-趾跑過程中不同中底的跑鞋對于下肢軟組織振動影響的發(fā)現(xiàn)類似，即軟組織的加速度峰值和振動頻率更多的是受到跑速的作用而并非運(yùn)動鞋。但值得注意的是，當(dāng)把輸入信號的頻率和股四頭肌振動的頻率相結(jié)合時我們發(fā)現(xiàn)，在3種不同高度下輸入信號的頻率總是低于軟組織的振動頻率，但在兩種落地方式間卻存在差異：主動落地反跳時輸入頻率遠(yuǎn)離振動頻率的范圍；然而在被動落地過程中，輸入頻率卻更接近振動頻率，與此同時無緩沖的對照鞋相比籃球鞋表現(xiàn)得更為明顯，不少個體的兩者頻率甚至在45 cm的高度存在一致（圖9）。

人體的軟組織是活體組織，并非彈性被動材料，具備一定固有頻率，并會因?yàn)榧∪獾氖湛s和舒張、用力與不用力而改變自身頻率特性[7]。Challis, Nigg等人的研究將人體的軟組織結(jié)構(gòu)（肌肉、筋膜、周圍組織和皮膚）視為一個振動系統(tǒng)，而沖擊力則作為使軟組織產(chǎn)生初始振動的輸入信號，當(dāng)兩者頻率相近或重疊時，便會產(chǎn)生共振（圖10兩豎虛線區(qū)），研究者們據(jù)此推測這也是引起損傷的一個重要因素[19,20]。與此同時，人體有意識地進(jìn)行跑、跳等運(yùn)動時肌肉活動在預(yù)觸地前會產(chǎn)生明顯的活化和自我調(diào)節(jié)，稱之為肌肉調(diào)諧（muscle tuning）[8]，其根本目的是為了激活存在共振危險的軟組織，避免軟組織與反復(fù)沖擊力產(chǎn)生共振，從而預(yù)防由此可能會產(chǎn)生的運(yùn)動損傷。

圖1 0 不同阻尼特性的振動系統(tǒng)對輸入信號產(chǎn)生的共振曲線Figure 10 Resonance Curve of the Vibration Systems of the Different Damping Characteristics for Input Signals

因此在本實(shí)驗(yàn)中，作為需要人體肌-骨骼系統(tǒng)預(yù)先調(diào)節(jié)控制的主動落地反跳過程中，其輸入頻率遠(yuǎn)離振動頻率，相對比值保持在振幅—頻率曲線的左邊，從而避開了可能的共振區(qū)域（圖1 0）；相反，在被動落地過程中，由于人體下肢缺少了從落地到著地的預(yù)先判斷，并沒有給與各肌肉充分激活的空間，從而無法發(fā)揮肌肉調(diào)諧的功能來控制軟組織的振動，進(jìn)而表現(xiàn)為輸入頻率更接近振動頻率。

4 小結(jié)

4.1 在DJ過程中，籃球鞋的介入并沒有顯著性地改變沖擊力作為輸入信號的各項(xiàng)特征；而PL時，穿著籃球鞋的沖擊力特征變化較大，同時使得高度因素對于輸入信號（振幅和頻率）的影響也相對較小。

4.2 籃球鞋對于一定高度下落時股四頭肌振動特征的直接影響并不明顯，但結(jié)合輸入信號卻發(fā)現(xiàn)：人體下肢在DJ過程中的調(diào)節(jié)（肌肉調(diào)諧等），成功避免軟組織與沖擊力產(chǎn)生共振；而在PL過程中，穿著籃球鞋能夠使運(yùn)動員在無法充分發(fā)揮肌肉活化功能進(jìn)而控制軟組織振動的情況下，改變輸入頻率避開共振區(qū)域，進(jìn)而為預(yù)防沖擊損傷提供了可能。

4.3 作為輸入信號的沖擊力和軟組織的振動特性確實(shí)能夠在一定程度上反映運(yùn)動鞋之間的差異，但是否能夠真正成為評價運(yùn)動鞋功能的新的敏感指標(biāo)尚需進(jìn)一步研究證實(shí)。

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(責(zé)任編輯：何聰)

Influence of Basketball Shoes on Impact and Vibration of Femoral Quadriceps in Different Ways of Landing

FU Wei-jie, LIU Yu, WEI Shu-tao, et al
(School of Kinesiology, Shanghai University of Sport, Shanghai 200438 China)

The aim of this study is to determine the effect of basketball shoes on impact signals and the vibration of quadriceps soft-tissue compartment as well as the interactions between the three during the two landing ways of active landing for jump and passive landing. The article tries to seek the new sensitive indices reflecting the changes of basketball shoes so as to explore new directions for footwear demand and design.

vertical landing; basketball shoes; impact; vibration

G804.6

A

1006-1207(2010)06-0032-05

2010-11-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（30871210）；上海市科委計(jì)劃項(xiàng)目（08490512700）；上海高校特聘教授（東方學(xué)者）崗位項(xiàng)目；上海體育學(xué)院研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（503）

傅維杰，男，在讀博士生.主要研究方向：運(yùn)動生物力學(xué)、運(yùn)動裝備研發(fā).

1. 上海體育學(xué)院運(yùn)動科學(xué)學(xué)院，上海 200438；2. 寧波大學(xué)體育學(xué)院，寧波 315211