不同方向的“起跳—著地”對下肢關節影響的生物力學分析

張枝梅

摘要：通過招募16名健康男性受試者進行前、斜、橫3個方向的“起跳-著地”測試，探討不同方向的“起跳-著地”對下肢矢狀面關節運動學、動力學和能量學的影響。方法：利用6臺JVC9800高速攝影機和1塊JP6060測力板同步收集動作資料和地面反作用力參數；使用多因素方差分析比較3個方向的差異。結果顯示：髖關節著地瞬間角度、最大屈曲角度和膝關節的最大屈曲角度、活動范圍、最大角速度、最大伸展力矩、最大負功率和做功量在前跳和斜跳中會產生較大的值；踝關節著地瞬間角度、活動范圍、最大角速度、最大伸展力矩、最大負功率和做功量在橫跳會產生較大的值；在進行不同方向的“起跳-著地”時，身體會利用不同的著地方式來適應相對應程度的負荷；進行前跳和斜跳時，會采用較柔軟的著地方式，主要以膝關節的伸展肌群來進行能量的吸收；在進行橫跳時，會采用較僵硬的著地方式，并增加踝關節跖屈肌群的能量吸收。

關鍵詞： 起跳著地；單腳著地；著地方式；生物力學；下肢關節

中圖分類號： G 804.6 文章編號：1009783X（2016）03028306 文獻標志碼： A

Abstract：To investigate the effects of different jumplanding directions on sagittal plane kinematics，kinetics and energetics at lower extremity joints.Sixteen healthy males were recruited for this study.All subjects needed to perform different jumplanding protocols （forward，diagonal and lateral），including a doubleleg jumping and a singleleg landing （supporting leg only）.Multiple ANOVA with repeated measures was used to compare each parameter between three jumplanding directions.Results：Greater hip contact angle，peak hip flexion angle，peak knee flexion angle，knee range of motion，peak knee angular velocity，peak knee extension moment，peak knee negative power and net knee work occurred at forward and diagonal jumplanding directions.However，greater ankle contact angle，ankle range of motion，peak ankle angular velocity，peak ankle plantar flexion moment，peak ankle negative power and net ankle work occurred at lateral jumplanding directions.Our findings indicated that landing strategy changed across different jumplanding directions in a way that maintained the same level of shock attenuation via altering body position.We proposed that the knee extensors showed major contributions to energy absorption during soft landing strategy for forward and diagonal directions，and increased the use of ankle plantarflexors to energy absorption during stiff landing strategy for lateral direction.

Keywords：jumplanding；singleleg landing；landing style；biomechanics；joints of lower limbs

起跳與著地是2個不同的動作，在大多數的研究中將起跳動作與著地動作分開進行分析。DeVita等認為，“起跳-著地”是一組完整的動作組合，起跳及跳躍過程與著地的策略、方式有較高的相關性，所以本研究將“起跳-著地”作為一組完整動作進行研究。“起跳-著地”是運動中基本的動作，在籃球、排球等強對抗性的項目中也常被運用到，而這些運動中“起跳-著地”的過程中發生下肢傷害的情況也屢見不鮮，特別是單腳著地動作中膝關節前十字韌帶的傷害最為常見。在“起跳-著地”的過程中，著地初期，下肢的足部是最先與地面接觸的部分，而著地瞬間的地面反作用力也最先由下肢來承受，由此可見，下肢關節緩沖地面反作用力的能力對于傷害預防扮演著很重要的角色。當起跳在空中的時候，能量會以位能的方式儲存，在下降至著地后會轉換成動能，此時，下肢肌群主要的功能在于緩減這些動能對關節的影響，若動能無法有效地減少，就會增加傷害的風險；在國外，著地動作的機制與傷害預防逐漸成為熱點話題，學者主要從動力學和能量學方向進行探討。DeVita等[1]在研究中發現，在著地后，地面反作用力與其所產生外力矩會加速髖、膝關節的屈曲和踝關節的背屈動作，若身體沒有與此相抗衡的機制，則會產生崩塌（collapse）現象，而無法恢復到站立的姿勢。McNittGray[2]提出，當著地后，下肢關節的伸展肌群做離心收縮的作用在于進行能量吸收或能量消減，以減少著地后所產生的動能或者沖擊力。關節能量學的研究主要集中在探討下肢各關節對能量的吸收，由于著地是涉及下肢多關節的動作，通過不同的動作方式，改變關節角度，可能會改變肌肉的活化程度以適應不同著地。常見的著地形態包括僵硬型和柔軟型著地動作，而這2種著地形態常以髖關節和膝關節的動作進行界定。Zhang等[3]認為，著地時有較大的髖關節和膝關節的屈曲角度，即代表此動作為較柔軟的著地動作。DeVita等[1]也指出，在較僵硬的著地動作，踝關節的跖骨屈肌群會吸收較多的沖擊力，而髖關節和膝關節的伸肌肌群，在柔軟的著地則會吸收較多的沖擊力。Hart等[4]研究指出關節能量學和關節運動學會受不同因素的影響，例如性別、不同著地高度、剛度或肌肉疲勞等。然而，過去少有實驗研究，不同方向的“起跳-著地”對下肢關節的影響，相關的“起跳-著地”研究大多集中在垂直著地或向前方向的“起跳-著地”；但在實際的運動情境中，為適應不同的情境需求，可能會產生各種不同方向的“起跳-著地”，而不是只有單一方向。Sigward等[5]研究也顯示，下肢傷害尤其是前十字韌帶斷裂和踝關節扭傷常發生在“側向”位移較多的動作，例如側向或斜向的跨步。Wikstrom等[6]認為：下肢控制的矢狀面的動作肌群多為大肌肉群，例如髖關節的伸展肌群和屈曲肌群，均能有效地幫助控制矢狀面的動作；而下肢控制額狀面動作的肌群則比較小，例如踝關節的內翻和外翻肌群，對額狀面的動作所能提供的幫助較少，因此，若在實驗動作中，加入較多“側向”位移的“起跳-著地”，會增加完成動作的難度。Schmitz等[7]認為，在進行單腳著地的動作時，其動作主要發生在矢狀面，因此，消耗沖擊力的主要機制是通過控制下肢關節的屈曲動作來完成的。因此，本研究目的在于探討不同方向的“起跳-著地”時對下肢矢狀面關節運動學、動力學和能量學的影響。研究假設為下肢矢狀面關節運動學、動力學和能量學在3個方向的“起跳-著地”比較，存在差異。

1 研究對象

來自中州大學16名非體育專業男生自愿參與本次實驗，受試者年齡（21.3±2.1）歲、身高（173.6±5.8）cm、體重（70.2±6.8）kg，所有受試者均無脊柱及下肢傷病史。正式實驗前對受試者進行支撐腳界定和最大垂直跳高度測量。

2 研究方法

2.1 實驗研究法

運用運動學、動力學同步測試方法。

2.1.1 運動學參數測試

本實驗使用6臺JVC9800高速攝影機，取樣頻率200 Hz，用于觀測受試者“起跳-著地”的整個過程及粘貼于受試者身體特定關節處的反光球。本研究使用松本秀治模型基礎上改良的自建模型，其粘貼位置骶骨和兩側的髂前上棘、股骨內外髁、內外踝、跟骨、第二跖骨頭，用此模型建構出7個人體環節，包括骨盆、左右大腿、左右小腿及左右足部，此外，在大腿和小腿外側及足部的背面也分別粘貼光球，整個模型共計由15個光球組成。采用Visual3D圖像解析系統對運動圖像進行解析以獲取相關運動學參數。

2.1.2 動力學測試

國產JP6060多維測力平臺用于監測受試者腳著地過程中地面對腳的三維力變化情況。測力臺采用埋入式安裝，其表面與地面保持在同一水平面上，數據采樣頻率為1 000 Hz。

2.1.3 無線同步啟動裝置

同步裝置是由連接多維測力平臺的觸發模塊的無線同步器和發光的二極管組成。主試者觸發同步遙控器，多維測力臺啟動采集數據，二極管發光使攝像機與多維測力臺同步。

2.1.4 實驗程序

本實驗為進行不同方向（前、斜、橫）的“起跳-著地”，進行動作前，受試者的起始位置距離測力臺中心70 cm，聽到開始口令，進行雙腳起跳的動作，并以支撐腳單腳著地，在騰空時需以雙手觸摸目標物 ，如圖1所示。著地時采用由腳趾向腳跟過渡的著地方法，雙手置于髖部兩側，并盡快維持穩定，眼睛直視前方并保持平衡3 s。受試者會在足夠的練習后，再開始進行正式實驗，實驗全程受試者均赤腳完成。若發生著地時失去平衡、用非支撐腳著地、挪步、跳步，在著地時上半身擺動過大均算作動作失敗，若上述情形發生必須重新進行“起跳-著地”的動作，直到成功完成3次完整動作為止。

2.1.5 研究階段定義

本研究所有相關參數的取得和分析均來自于著地期。本研究將著地期定義為從受試者支撐腳著地瞬間開始直至著地后達到最大膝關節屈曲角度結束。

2.2 數理統計法

利用SPSS 13.0進行描述性分析、方差分析、相關分析等，統計學顯著水平定為α=0.05。

2.2.1 運動學參數數據獲取

關節運動學的資料包括髖、膝、踝關節在著地后的角度變化，采用Visual3D軟件中關節坐標系統進行運算，正值代表屈曲動作，分別為髖關節、膝關節的屈曲角度和踝關節的背屈角度，如圖2所示。本研究進一步分析著地時期各關節在著地瞬間的角度、最大屈曲角度和最大活動范圍；關節角速度的參數是分析著地時期的最大角速度，如圖3所示。

2.2.2 動力學和能量參數數據獲取

多維測力臺的參數主要分析著地后到膝關節最大屈曲角度時，期間所產生的最大地面反作用力，再將其除以體重以進行標準化工作。關節內力矩則是將反光球（關節角度和角速度）和測力臺（地面反作用力、測力臺力矩和足底壓力中心）的原始資料輸入Visual3D，并輸入人體環節參數（身高、體重、環節質量、轉動慣量和環節質心位置），以逆動力學的方式來進行計算，負值代表伸展動作，分別為髖關節和膝關節的伸展力矩及踝關節的屈曲力矩，如圖4所示。關節功率的計算為關節角速度和關節內力矩的乘積，如圖5所示。關節做功量的計算為關節功率對時間做積分，負功即代表伸展肌群在進行離心收縮；關節力矩、關節功率和做功量均使用身體質量和身高進行標準化；各關節對能量吸收的貢獻度，其公式如下：貢獻度=關節做功量÷總做功量，總做功量為各關節做功量的總合。

3 研究結果與討論

3.1 運動學和動力學研究結果

前跳、斜跳、橫跳的前后方向地面反作用力比較，差異具有顯著性（P<0.05）；左右方向地面反作用力比較，三者差異具有顯著性（P<0.05）；垂直方向地面反作用力比較，三者差異不具有顯著性（P>0.05）。3個方向髖關節、膝關節、踝關節的著地瞬間角度分別進行比較，差異均具有顯著性（P<0.05）。3個方向髖關節、膝關節的最大屈曲角度分別進行比較，差異均具有顯著性（P<0.05）；3個方向的踝關節最大屈曲角度比較，差異不具有顯著性（P<0.05）。3個方向的髖關節活動范圍比較，差異不具有顯著性（P>0.05）；3個方向的膝關節、踝關節活動范圍比較，差異均具有顯著性（P<0.05）。3個方向的髖關節最大角速度比較，差異不具有顯著性（P>0.05）；3個方向的膝關節、踝關節最大角速度分別進行比較，差異均具有顯著性（P<0.05）。具體見表2。

3.2 關節能量學研究結果

前跳、斜跳、橫跳的髖關節、踝關節最大伸展力矩比較，差異不具有顯著性（P>0.05）；3個方向的膝關節最大伸展力矩比較，差異具有顯著性（P<0.05）。3個方向的髖關節、膝關節、踝關節最大負功率分別進行比較，差異均具有顯著性（P<0.05）。3個方向的髖關節做功量比較，差異不具有顯著性（P>0.05）；3個方向的膝關節、踝關節做功量分別進行比較，差異均具有顯著性（P<0.05）。3個方向的髖關節貢獻度比較，差異不具有顯著性（P>0.05）；3個方向的膝關節、踝關節貢獻度比較，差異均具有顯著性（P<0.05）。具體見表3。

3.3 起跳單腳著地總特征分析

Radin指出，人體的下肢肌肉骨骼系統在著地時，具有吸收著地時的沖擊力，協助減少骨骼的形變和維持關節穩定度等功能，從而可以來保護身體。James等[8]認為肌肉骨骼系統在著地后會吸收部分能量，使得下肢關節所受的沖擊力減少，然而，當所產生的外力超過身體所能負荷的情況時，傷害就會產生。本研究結果顯示：受試者在進行前跳和斜跳時，會增加下肢關節的屈曲角度，即采用較為柔軟的著地方式，而在進行橫跳時，反而會限制下肢關節的屈曲角度，采用較為僵硬的著地方式。DeVita等[1]研究發現，較僵硬的著地方式會產生較大的地面反作用力，但本研究的垂直方向地面反作用力并沒有如預期的增加地面反作用力，見表1。Coventry等[9]指出著地后的沖擊力會受到著地瞬間關節角度的影響。Lafortune等[10]也認為著地時的沖擊力會受到身體姿勢的影響，特別是在沖擊力轉移的時期，通常會通過下肢關節角度的改變來調整肌肉骨骼系統的負荷。Self等[11]進一步研究認為，在著地瞬間時，較大的踝關節跖屈角度能夠增加踝關節的能量吸收和減少垂直方向的地面反作用力。由上述研究可知，著地瞬間下肢關節運動學的改變，可以影響能量的消耗或轉移，進而改變下肢的肌肉骨骼系統負荷。本結果發現，橫跳在著地瞬間會產生較大的踝關節跖屈角度，可能會通過踝關節周邊的腓腸肌與比目魚肌的收縮來降低沖擊力，推測這是造成地面反作用力沒有顯著差異的原因。進一步研究發現：3個方向“起跳-著地”后的總做功量均在-6.82～-7.0 J/kg，未見顯著差異，這表明在進行不同方向的“起跳-著地”時，其下肢所吸收的總能量是相似的。在進行不同方向的“起跳-著地”時，身體會采用不同的著地方式，即改變著地時下肢的關節角度，以適應相同程度的負荷。在進行任何一個方向的“起跳-著地”，較大的活動范圍、最大角速度、最大伸展力矩、最大負功率及做功量都發生在膝關節和踝關節。Decker等[12]指出女性在進行雙腳著地動作時，會增加膝關節和踝關節的活動范圍和角速度，這表示女性會嘗試使用較大的關節活動范圍來減少沖擊力。Coventry等[9]發現，當下肢肌群疲勞時，會增加髖關節的活動范圍和做功量，意味著在著地后會增加依賴髖關節的相關肌群。實驗結果表明，無論在進行哪個方向的“起跳-著地”，在著地后膝關節均在51°～57°的活動范圍、踝關節均在58°～62°的活動范圍，膝、踝關節做功量分別在45%～54%和35%～46%，明顯高于髖關節27°～29°的活動范圍、9%～10%的做功量，表示在進行此類的單腳著地動作時，主要以膝關節的伸展肌群和踝關節的跖骨屈肌群來進行能量吸收。在Coventry等[9]的研究中，著地后膝、踝關節的活動范圍分別為46°、50°，膝、踝關節做功量分別為42%、49%，皆明顯地高于髖關節33°的活動范圍、9%的做功量，這與本研究結果類似；但在Schmitz的研究中則與本研究有不同結果，男性受試者著地后膝關節和踝關節的活動范圍分別為13°、27°和做功量分別為6%、78%，并沒有全部高于髖關節（活動范圍4°、做功量16%）。該結果出現差異的原因可能是實驗設計方式的不同，Shul等[7]研究中采用單腳垂直著地的方式，本研究則采用“起跳-著地”的方式，增加了跳躍的距離；此外，Shul等[7]實驗中，其檢測的高度為從30 cm高的平臺上著地[7]，本研究增加了著地的距離，為站立時的伸展高度加上50%的最大跳躍高度。

3.4 前跳、斜跳方向“起跳-著地”特征分析

當進行“向前”元素的動作時，例如前跳與斜跳，髖關節最大屈曲角度和膝關節最大屈曲角度、活動范圍、最大角速度明顯高于橫跳的結果，表明在進行這些動作時，會利用較多近端關節的動作，而采取較為柔軟的著地方式。由于較多“向前”元素的動作，因此，其前后方向的地面反作用力也較高，左右方向的地面反作用力則較小。DeVita等[1]研究指出，髖關節和膝關節的伸肌肌群在較為柔軟的著地方式下會吸收較多的沖擊力。Yu等[13]指出膝關節的屈曲角速度與最大地面反作用力呈現負相關，即著地后較快速的膝關節屈曲可以幫助降低著地后的沖擊力。本研究發現：較高的膝關節功率和做功量發生在前跳、斜跳的方向，這表明在進行前跳和斜跳的“起跳-著地”時，膝關節的伸展肌群相對于其他肌群會吸收較多的沖擊力（分別為54.0% 和51.7%），其次為踝關節的跖骨屈肌群（分別為35.7%和38.1%）。

3.5 前跳、橫跳方向“起跳-著地”特征分析

Norcross等[14]認為，當進行“側向”元素動作時，例如橫跳，會限制近端關節的動作，而采取較為僵硬的著地方式，也就是減少了關節的屈曲角度。Pandy[15]指出：若膝關節的屈曲受到限制，代表腿部后群肌可能無法有效地作用。腿部后群肌收縮除了能協助膝關節屈曲外，另一個主要的功能就是限制脛骨向前的位移，以減輕前十字韌帶的負荷；因此，若是減少腿部后群肌的作用，代表身體可能會損失或降低了保護機制。DeVita[1]指出：減少膝關節的屈曲角度可能會減少膝關節的功率，進而減少膝關節能量吸收的能力；Pandy[15]更進一步指出，使用較僵硬的著地方式，會降低膝關節能量的吸收，并增加前十字韌帶的負荷。本研究發現，膝關節的關節功率和做功量在進行橫跳的“起跳-著地”時均有降低的趨勢，這也代表膝關節無法像進行其他方向的“起跳-著地”般，以膝關節來進行能量吸收，即身體可能需要其他的代償機制來協助緩沖著地后地面所產生的反作用力。Coventry等[9]指出：在進行單腳著地時，為了要維持身體姿勢的穩定，必須減少髖關節與膝關節的活動范圍，來達到減少軀干在前后方向的擺動；但為了要承受著地初期的地面反作用力，踝關節反而必須有較大的活動范圍。Zhang等[3]也提出，相對于較柔軟的著地動作，僵硬的著地動作需要透過更多踝關節的肌肉組織和被動組織結構來吸收更多的能量；因此，增加踝關節跖屈和背屈的活動范圍，可以為踝關節提供更大的減震能力。Schmitz等[7]提出：針對單腳的著地動作，在基底面積變小的情況下，調整踝關節的關節活動度對于能量的吸收是很重要的，身體可以通過增加遠端關節（踝關節） 的作用及減少近端關節（髖、膝關節）的動作來達成，如此也能進一步幫助身體穩定姿勢并使質心保持在基底面積內。本研究結果發現踝關節活動范圍、最大角速度、最大負功率及做功量在橫跳時皆有增加的趨勢，也代表在進行此動作時，會增加使用踝關節的跖屈肌群來進行能量吸收（提升至45.9%），這也意味著，進行較多“側向”元素的動作，會增加使用踝關節跖屈肌群作為能量吸收的來源；因此，本研究進一步推測，當膝關節的功能受到限制時，若是無法有效地將力量轉移至踝關節吸收，可能會增加膝關節的負荷，而提升傷害的風險。

4 結論與建議

4.1 結論

1）髖關節著地瞬間角度、最大屈曲角度和膝關節的最大屈曲角度、活動范圍、最大角速度、最大伸展力矩、最大負功率和做功量在前跳和斜跳中會產生較大的數值。

2）踝關節著地瞬間角度、活動范圍、最大角速度、最大伸展力矩、最大負功率和做功量在橫跳會產生較大的數值。

3）踝關節活動范圍、最大角速度、最大負功率及做功量在橫跳時皆有增加的趨勢。

4）在進行不同方向的“起跳-著地”時，身體會利用不同的著地方式來適應相同程度的負荷。其中：前跳和斜跳方向的“起跳-著地”時，一般以柔軟的方式進行著地；橫跳方向的“起跳-著地”時，一般以僵硬的方式進行著地。

5）在進行單腳的“起跳-著地”時，主要以膝關節的伸展肌群和踝關節的跖屈肌群來進行能量吸收。其中，前跳和斜跳方向的“起跳-著地”時，主要以膝關節的伸展肌群來進行能量的吸收；橫跳方向的“起跳-著地”時，主要以踝關節跖屈肌群的能量進行吸收。

4.2 建議

研究結果表明，控制下肢的關節動作和提升下肢肌群的能量吸收，能夠幫助減少著地后的沖擊力，以減少傷害的發生，因此，當加入較多側向的動作元素時，限制了膝關節矢狀面的動作，提升了踝關節跖屈肌群的重要性。為了減少前十字韌帶的受傷，大部分的訓練集中在膝關節的相關肌群，以提升膝關節的穩定度，因此，常忽略了踝關節相關肌群的訓練，若踝關節的肌群無法有效地進行能量吸收，特別在膝關節的功能受到限制時，勢必會影響到膝關節。這也意味著，在進行肌力訓練時，踝關節的跖屈肌群是不能忽略的部分，所以建議有較多橫向跳躍動作的運動員，在日常訓練中除了需要進行膝關節相關肌群的訓練外，踝關節跖骨屈肌群的訓練也應當加強，以有效降低前十字韌帶著地受傷的發生率。

參考文獻：

[1]DEVITA P，SKELLY W A.Effect of landing stiffness on joint kinetics and energetics in the lower extremity[J].Medicine & Science in Sports & Exercise，2012，24（1）：107.

[2]MCNITTGRAY J L.Kinetics of the lower extremities during drop landings from three heights[J].Journal of Biomechanics，2007，26（9）：103.

[3]ZHANG S N，BATES B T.Contributions of lower extremity joints to energy dissipation during landings[J].Medicine & Science in Sports & Exercise，2010，32（4）：818.

[4]O'CONNOR K M，HART B A，Earl J E.The effect of lower extremity fatigue on shock attenuation during singleleg landing[J].Clinical Biomechanics，2006，21（10）：1090.

[5]SIGWARD S M，POWERS C M.The influence of experience on knee mechanics during sidestep cutting in females[J].Clinical Biomechanics，2006，21（7）：741.

[6]WIKSTROM E A，TILLMAN M D，SMITH A N.A new forceplate technology measure of dynamic postural stability：The dynamic postural stability index[J].Journal of Athletic Training，2005，40（4）：307.

[7]SHULTZ S J，SCHMITZ R J，NGUYEN A D，et al.Joint laxity is related to lower extremity energetics during a drop jump landing[J].Medicine & Science in Sports & Exercise，2010，42（4）：777.

[8]JAMES C R，DUFEK J S，BATES B T.Effects of injury proneness and task difficulty on joint kinetic variability[J].Medicine & Science in Sports & Exercise，2000，32（11）：1837.

[9]COVENTRY E，O'CONNOR K M，HART B A，et al.The effect of lower extremity fatigue on shock attenuation during singleleg landing[J].Clinical Biomechanics，2006，21（10）：1094.

[10]LAFORTUNE M A，LAKE M J，HENNIG E M.Differential shock transmission response of the human body to impact severity and lower limb posture[J].Journal of Biomechanics，2006，29（12）：1533.

[11]SELF B P，PAINE D.Ankle biomechanics during four landing techniques[J].Medicine & Science in Sports & Exercise，2011，33（8）：1339.

[12]DECKER M J，TORRY M R，WYLAND D J，et al.Gender differences in lower extremity kinematics，kinetics and energy absorption during landing[J].Clinical Biomechanics，2003，18（7）：665.

[13]YU B，LIN C F.Lower extremity biomechanics during the landing of a stopjump task[J].Clinical Biomechanics，2006，21（3）：297.

[14]NORCROSS M F，BLACKBURN J T，GOERGER B M.The association between lower extremity energy absorption and biomechanical factors related to anterior cruciate ligament injury[J].Clinical Biomechanics，2010，25（10）：1033.

[15]PANDY M G.Dependence of cruciateligament loading on muscle forces and external load[J].Journal of Biomechanics，2007，30（10）：1018.