板球投手運動員投球動作的運動生物力學研究進展

杜高山，張秀麗

South China Normal University，Guangzhou 510006，China.

前言

板球運動（Cricket）是以投球、擊球、傳球、接球、樁間跑等技術為主要特征的運動項目。板球最早發端于16世紀英國東南部，是一項由貴族推動［9］，農牧民茶余飯后的即興娛樂［70］。之后，被北部工人階層接受［36］，但仍控制在南部精英階層手中的一項“紳士的游戲”［6，71］。板球與棒球、壘球等運動項目歷史淵源極深，在美國，板球運動可追溯至公元17世紀，直到1860年仍是美國普及度極高的運動項目。19世紀中葉后，美國改革了板球規則，并將這項運動正式命名為棒球（baseball）。從此，美式板球——棒球，與板球分道揚鑣，板球日漸式微，棒球則如日中天，逐漸成為美國三大主流運動之一，后棒球移至室內，形成了壘球運動（softball）［3］。因此，多年 以 來，板 球 運 動 “天 才 般產生，侏儒般成長”的原因一直是國外運動史學界爭論的焦 點 與 熱 點［17，58，64］。

我國板球運動最早記載出現在300年前的澳門，與葡屬殖民有關，最早的板球協會成立于1851年的香港，由于香港稱板球為木球，協會稱為香港木球會（Hong Kong Cricket Club）［6］。中國大陸最早在1958年上海和北京出現過板球比賽和板球俱樂部，不過當時參與此項運動的多為駐華外籍人士［7］。盡管板球2005年才開始在我國推廣，但由于其沒有直接身體對抗，講究團隊合作，極具身心鍛煉價值，近2年在我國得到大力提倡［1，6］。也取得了較好成績。2007年中國女子國家板球隊參加亞洲板球理事會主辦的女子錦標賽，成功打入半決賽；2010年亞運會及2012年亞洲杯亦有不俗表現。

板球作為新晉亞運會項目，其重要性不言而喻。但是，目前板球在我國是一項嶄新的運動，了解、從事這項運動的人數較少［1］，缺乏群眾基礎和科研關注度。對于板球的運動生物力學研究尚處探索階段，研究成果較少［2，4，5］，劉靜民、朱春平、梁海丹、鄧京捷和葛濤等學者從事相關研究。在板球運動普及度高的英國、澳大利亞、印度等對板球的研究及關注度頗高，研究成果已有相當規模。這些為當前了解國外板球運動的生物力學研究進展，促進我國板球運動的生物力學研究開展，提供了可參考的范式和依據。板球技術中投球技術是運動隊成敗的關鍵，好的投手運動員在運動隊中經常扮演運動隊靈魂的角色，沒有優秀投手運動員的隊伍往往會輸掉比賽，同時，也會使得比賽變得寡然無味［6］。因此，有關板球投手運動員投球動作的研究一直以來都是國外學者關注的焦點，其中，運用運動生物力學手段的研究報道屢見不鮮?；诖?，本研究通過綜述近30年來國內、外板球投球技術的運動生物力學研究成果及最新進展，總結運動生物力學在板球投球動作研究上的一些共性問題，以期能探尋出一些生物力學研究規律。

1 板球投球動作特點研究

有研究認為，板球是世界上最為復雜的體育運動［33］，其作為高精度的物理游戲，各項技術要求均較高。因此，對比賽結果的預測存在一定難度［63］，而且，投手運動員往往以不同的速度推動板球飛行，使球在空氣中的轉動規律更難以捉摸［11］。球可能會在空中轉彎（swerve）或飄擺（swing）［23］，使擊球運動員不易判斷球的落點而造成誤判，也可能會以切（cut）或旋轉（spun）方式觸地反彈，產生出意想不到的反射角，讓擊球運動員猝不及防，無法擊到來球。面對來球，擊球運動員則在三柱門處，采取或進攻或防守的方式，直擊（playing straight）、橫擊（playing across the line）或有角度的讓來球和球板打個照面（glancing）然后回擊出去。這些或積極或保守的擊球行為都存在一定風險，也體現著擊球運動員的智慧和氣質［60］。

圖1 板球投球出手時刻示意圖Figure 1. Cricketer Shot Moment

板球投球技巧比較獨特，投球時要求肘部不能彎曲，現雖改為旋轉投手（spin bowler）可有15°彎曲［53］，但仍有別于其他運動項目。在漫長的發展歷程中，各國板球優秀投手運動員創造了各種各樣的投球技術，一般分為快球和慢球兩種。慢球因旋轉較強，通常被稱為“旋轉球”（spin），包括手腕旋轉球（Leg－spin）、手指旋轉球（Off－spin）、曲線 球（Googly）、浮球（Floater）、上旋球（Top－spin）和回旋球（Reverse）等?？烨虬ɑ究焖偻肚颍‵ast bowling）、飄球（Swing）等，本研究主要關注快速投球技術的運動生物力學研究。

1.1 板球投球動作——合理性

從手臂至與肩水平位置，到球離手，肘關節要伸直，這一規則一直備受爭議。20世紀90年代，國際板球理事會（ICC）根據生物力學實驗后，認為原有投球規則設定不合理，因此，修改規則，設定了旋轉投手5°屈肘的上限。但是，5°的臂伸在兩維電視圖像上仍無法明晰分辨而可能導致錯誤判罰。2004年，Muttiah Muralitharan提出再次調整這一規則，最終國際板球理事會（ICC）規定15°屈肘，以利于中速和快速投手運動員發揮（ICC，2006）。因而，對投球階段肩、肘關節進行三維運動學測量是分析板球投球技術至關重要的手段［55］。生物力學研究經常使用各種運動學分析軟件判定板球投球違例的肘屈角和相關其他研究，更有研究者［57］開發In－situ微肌電系統（MEMS）慣性傳感器進行實時區分合理與違例投球，現已用于實踐指導。

Portus等［49］在一次國際比賽中依次對21名優秀板球投手運動員（27.8±3.9歲）投球動作進行測試分析，按照2000年板球規則肘關節角度確定標準為3°，而測試結果顯示投手運動員均值±標準差（M±SD）為9±5°，且最大（Max）為22°。研究還表明，球速超過39.5±2m／s后，比37.1±1.4m／s以下對肘關節角度影響顯著（effect size＝1.4，P＝0.006）。Roxana等［54］采用 Vicon 9MX－13＋紅外運動捕捉跟蹤系統（300Hz）對板球運動員投球階段揮臂和球出手瞬間的肘角等進行三維運動學數據采集，并與最新ICC規則對比，以揭示新規則背后的科學證據。研究結果表明，所有投球均在最新ICC規則允許范圍內（即肘角小于15°），因此，均為合理投球。雖然肉眼未看出有任何投球犯規，仍有20%的投球超過原規則允許的5°旋轉投手范圍，這一結果與Portus等研究相吻合。

對于板球投球動作合理性的研究有助于犯規投球的判定和運動員錯誤動作的糾正，但對于瞬息萬變且節奏緊湊的板球賽場而言，較長的反饋時間顯然不利于實際比賽（圖2）。因此，比賽中一般采用電子眼回放?；诖?，Tariq等［69］針對板球比賽中電子眼存在盲點問題，研發出一套動態成像系統——A－Eye輔助裁判判罰，目前，已被應用于板球比賽。同時，Franz等［31］也為板球投球的三維可視化采集（3Dvisualization）研發出智能可視板球自轉監測系統。

1.2 板球投球動作——運動鏈

除板球投球動作合理性國外學者較為關注外，快速投球作為板球中一種動作難度極高的投球方式亦較多關注。在快速投球過程中，投球手需身體多個部位協調發力，才能獲得高速快球，是典型的鞭打動作。根據運動鏈原則［41］，主體部分能量由近側向遠側依次傳遞，將產生一種機械優勢，能量依次從較重的和更強的近端部分向更輕和較弱的遠段傳送。根據能量及動量守恒，這些更小的遠端部分由于其質量較低，因此，其轉動慣量相對較高（球速快）［41］。

圖2 A－Eye動態成像系統界面示意圖Figure 2. A Video Loaded in A－Eye

早期關于板球快速投球手的生物力學研究只針對運動的時間順序。有研究發現［45］，骨盆旋轉的時間出現在前腳觸地瞬間，此時球在最低點，投球弧線尚未出現。進而，又有研究指出［28］從前腳觸地到球離手的大部分時間，骨盆旋轉先于肩轉動。然而，關于板球投球階段最優節段運動鏈的研究相對缺乏。

Ferdinands［29］對34名俱樂部頂級男板球投手運動員（22.3±3.7年）投球階段進行分節段動能（segmental kinetic energy）研究［28］，將運動員分為慢速組（27.8～30.6 m／s）、中慢組（30.6～31.9m／s）、中快組（31.9～33.3m／s）和快速組（33.3m／s以上）4個速度組，并采用8－camera EVA運 動 解 析 系 統 （Motion Analysis Corporation Ltd.，USA）捕捉三維動作影像（240Hz），同時，兩個Bertec6090測力板（960Hz）獲取動力學數據。研究結果表明，大多數投球動作所產生的動能為平移動能?？傮w而言，主體段動能消耗增加與球速成正比。平均總動能消耗中快組為23.6%，高于中慢組。中慢組平均總動能消耗為23.1%，也比慢速組高，額外平移動能消耗主要集中在下肢，而這些部位并未與球速的產生直接相關?？焖俳M在投球上臂、投球前臂和投球的手、上、下軀干旋轉等節段上，與中快組相比要消耗更多的旋轉動能，旋轉動能最顯著增加的為下、上軀干，分別為32.0%和21.6%。因此，投手運動員投球動能呈現一個由近端到遠端的順序，且較大和較重段的近端，與較小區段相比，有較高的平移和旋轉動能。當投球動作不斷趨向出手，近端動能逐漸減少，遠端動能隨之增加，這一順序與運動鏈原則相一致。Zhang等［72］采用VICON運動捕捉系統對8名男子投手運動員進行三維運動學數據采集與分析。結果表明，上臂旋轉貢獻最大，其次依次為軀干和胸部轉動、骨盆轉動、骨盆線速度、前臂和手的旋轉。

1.3 板球投球動作——地面反作用力

板球投手運動員在跨步投球期間受腳與地面兩方面影響［39］，早前，已有人關注投手運動員與地面反作用力（垂直和水平方向）之間差異性的研究。

Hurrion等［37］對板球快速投球的生物力學研究表明，快速投手運動員投球瞬間所傳遞的地面峰值反作用力，垂直方向是其自體重的6倍（6BW），水平方向是其自體重的4倍（4BW）。Hussain等［39］對6名快速投手運動員進行測試發現，腳前掌最大垂直力為4.80±0.92kN（5.75±0.98BW），制動力為2.93±0.56kN（3.54±0.67BW）。前腳接觸的平均峰值為246kN／s（298BW），遠大于腳后跟65kN／s（79BW／s）的平均峰值。Portus等［49－51］通過研究42名澳大利亞優秀男子快速投手運動員認為，板球球速越快，前腳與地面接觸時間越長，產生的制動和地面垂直沖力越大。

板球雖為非接觸性運動，但其投球損傷卻有極高的發病率［16］，有研究認為［66］，這在很大程度上歸因于跨步投球瞬間增加的地面反作用力。Subir等［68］采用Kistler9281CA測力臺和SR3600雷達測速跟蹤系統，對10名優秀快、中速板球投手運動員投球期間，前腳觸地的地面反作用力（垂直和水平）進行計算和分析，每名受試者分別進行10次最大投速（＞97km／h）和次最大投速（＜97km／h）投球，研究發現以最大和次最大投速投擲板球垂直方向峰值地面反作用力（P＝0.016）和水平方向峰值地面反作用力（P＝0.007）均存在非常顯著性差異。結合前人研究［37，39］及其板球投手運動員的地面反作用力與出手球速相關性研究，其結論認為垂直和水平的地面反作用力增加與投手運動員投速更快成正比，投手運動員投出最大速度的球時，這些增加的生物力學的力可能造成運動損傷。

Max等［43］對15名澳大利亞女子板球投手運動員快速投球時，前腳觸地的地面反作用力大小進行研究（包括最大垂直力、水平峰值制動力和垂直負載率），結果顯示，地面反作用力垂直平均峰值為3.49±0.81kN，水平的制動力平均峰值為2.13±0.52kN。統計分析還顯示，標準化最大垂直力（Peak vertical GRF／BW）差異只有2.3%，標準化最大水平制動力（Peak horizontal braking GRF／BW）為2.0%。因此，研究認為對優秀女子快速投手運動員前腳地面反作用力的研究，不建議將身體質量（body mass）作為一個協變量標準化。研究還表明，最大垂直力的平均作用時間為0.033±0.009s，垂直負載率為121.31±73.78kN／s，因此，需要進一步研究，以確定減少和減輕前腳地面反作用力的最佳方式。

近年，人們對于能否減少地面反作用力的關注，延伸至避免運動損傷的裝備——板球鞋上。Alpine等［15］使用8臺相機（FALCON，240Hz）和3臺6—DOF測力臺（Bertec，1 000Hz）對8名男子板球投手運動員的投球動作進行三維影像數據收集，并使用10點Likert量表問卷對其感知覺進行統計調查，探究改變板鞋中底部柔韌性是否對其運動學及動力學等指標產生影響。結果顯示，除地面反作用力值有較少改變外，其他均無顯著變化，但感知覺調查表明投球中前腳掌更為靈活的板球鞋被認為更加舒適和輕便。Bishop等［20］選取5名南澳大利亞板球協會男投手運動員為受試者，為每位投手運動員提供3雙鞋（ASICS，ASICS480TR170no和ASICS Gel Strike Rate），每雙投球8次。在髖、膝、踝等關節處做標記以便在矢狀面內對膝、踝關節的運動進行二維分析，視頻圖像進行數字化計算膝關節屈曲／伸展角度和踝關節背屈／跖角。結果顯示，在腳跟著地瞬間，3種鞋的前膝關節屈曲／伸展角有顯著性差異（P＜0.05），因此，研究認為不同類型的鞋均可減少地面對身體的傷害，但在選購板球鞋時要根據個人特點選購。

2 板球投球運動損傷研究

機械因素是眾所周知的人體椎間盤退變和運動損傷發生的重要病因［30］。板球的快速投球球速約在30～45 m／s之間，要想做到這一點，快速投球手的軀干必須在短時間內做出彎曲、伸展和旋轉等，同時，人體還必須吸收高達自體重6倍以上的地面反作用力。因此，其極易造成損傷。

板球快速投球技術有3種，包括側上（side－on）、前上（front－on）和混合（mixed）。研究發現，混合投球技術特征是肩部橫切面的一個扭轉力矩，其相關脊柱病變多出現在肩關節和腰椎［19，52］，如腰椎間盤退變、肩袖損傷等。但是，無法進入人體內進行體內腰椎等各關節運動的定量評估給研究者帶來了極大挑戰，目前，生物力學一般采用三維（3D）運動解析系統和等動肌電等儀器測量并分析其相對位移、角度和受力給出相應解釋與說明。

2.1 肩損傷

臨床醫學數據顯示，優秀板球快速投手運動員的慢性肩損傷比例不斷攀高，板球快速投手運動員必備的兩個單肩過頭技術動作是投球（bowling）和傳球（throwing），均對肩造成強力沖擊［28，32］。肩部肌肉對肩關節的動態支撐起著至關重要的作用，因此，快速投球的肩部旋轉強度和活動范圍（ROM）是其主要研究內容。

Mabasa等［44］對30名男子板球俱樂部優秀投手運動員的肌力進行評估，研究發現，在肩胛平面讓肱骨以60°／s、180°／s和300°／s的活動速度外展45°，其內旋（concentric internal rotation，IR）峰值力矩，投球肩顯著高于非投球肩。Aginsky等［12］通過對21名快速投手運動員進行研究發現，雙肩外旋（external rotation ER）強度無差異；投球肩肱骨外展90°條件下，研究其等速肌力和活動范圍（Range of Motion，ROM），發現有投球肩損傷史的投手運動員標準化后，在180°／s時其向心IR扭轉力矩峰值顯著大于無肩損傷史投手運動員，被動（passive）情況下的IR、ER和ROM之間無顯著性差異；有肩痛史投手運動員的旋轉力矩在內旋、外旋時不平衡，使之存有肩峰撞擊癥傾向，但并未有關于女子快速投手運動員肌肉群的肩旋轉力矩和ROM數據支撐。

Craig等［22］關于2005年英格蘭和威爾士一級板球賽（First Class Matches）職業板球運動員肩損傷情況的調查研究顯示，158名投手運動員中有64%經常在賽場疼痛，58%的投手運動員比賽中特定部位疼痛，18%的投手運動員在最后球出手瞬間或某個階段出現疼痛感。因此，提出適當對投手運動員肩部疼痛進行相關治療和預防的建議。Stuelcken等［65］對26名優秀女子快速投手運動員（22.5±4.5歲，170.6±5.0cm，66.2±7.5kg）的投球肩和非投球肩的活動范圍、肌力及肩內、外旋測試結果顯示，12名有肩部疼痛史選手雙肩外旋投球活動范圍，與無肩痛史選手有顯著性差異（P＜0.05）；內旋投球活動范圍，與無肩痛史選手有顯著性差異（P＜0.05）；投球肩的扭轉力矩與快速投球年限存在相關性（r＝0.45）。

2.2 腰損傷

椎間盤退變的確切原因眾說紛紜。早期研究認為的扭轉力矩單獨導致椎間盤退變學說［29］已被駁斥，有研究認為，重復負載，如沿軸方向作旋轉、前屈及過伸等造成的高強 度 壓 縮 力 可 能 導 致 腰 椎 病 變［10，38，60］。

Burnett等［19］對19名年輕男子板球投手運動員（M＝13.6歲）前、后兩次進行核磁共振成像掃描，以確定腰椎病變是否與投球技術有關。研究發現，在第1次測試中腰椎間盤退化發生率為21%，但第2次卻顯著增加至58%（P＝0.008），此外，第1次和第2次相比腰痛發病率也顯著增加（P＝0.002）。因此，研究認為椎間盤退變的發展與快速投手運動員使用混合投球技術顯著相關（P＝0.015）。Burnett等［18］以西澳大利亞板協20名優秀男子快速投手運動員（Y＝19.1±1.4歲；H＝183.2±5.4cm；M＝76.2±6.8kg）為研究對象，根據投球分為側上、前上和混合技術3組，使用3Space’Fastrak運動解析系統（120 Hz）捕捉其腰椎三維運動學參數。研究認為，以腰椎的活動范圍和速度作為評價指標，混合投球手比之于側上和前上投球手更易腰椎病變。

Orchard等［47］對澳大利亞板球運動員監測研究顯示，腰椎應力性損傷是澳大利亞10年來優秀板球快速投手運動員常見的運動損傷，與其他位置（如擊球手運動員，旋轉投手運動員）相比，腰椎應力性損傷是快速投手運動員缺席賽季的主要原因。研究還發現許多因素可導致腰椎損傷 ，如 投球 量［24，25，48］、投 球 技 術［49］和 下 肢 力 量 等 。 基 于 此 ，Dennis等［24，25］對12名優秀 男子投手運動員1999—2000賽季投球量與損傷關系進行跟蹤調查顯示，損傷季節高發期12人中7人疼痛，且最多9處疼痛。投球手投球連續超過5天，受傷風險激增（風險率（RR）＝4.5，95%CI為1.02～20.12）。因此，投球量與損傷成正比，連續高負荷投球尤甚。之后，其又對40名男子初級板球投手運動員（14.7±1.4歲）2002—2003賽季投球量與損傷風險進行評估，結果發現有11名（25%）選手背部7處有過勞型損傷，且其投球數均比未損傷投手運動員多。因此，研究認為投球量過大是初級快速投手運動員易出現勞損的主要危險因素。

Orchard等［48］研究也發現一次大負荷量的快速投球后，損傷風險3～4周仍可增加，研究認為可能存在某種機制破壞大負荷量投球后受傷組織的修復。Engstrom等［27］認為青少年快速投手運動員的腰方肌（Quadratus lumborum）不對稱與腰椎病變有關，在實驗論證的基礎上，其得出青少年快速投手運動員腰椎單側4L峽部病變與QL不對稱（asymmetry）高度相關的結論。Alex等［13］通過對38名青少年板球快速投手運動員進行磁共振成像研究，結果表明有21%的投手運動員發生腰椎應力損傷，腰椎損傷與腰方肌橫截面積無顯著關系，這與之前Engstrom等人的研究結果不同。

3 結論與建議

1.國外研究集中表現為建立板球投球動作、投球速度和運動損傷三者之間的關系模型，為降低運動損傷風險提供參考。從國外板球投球動作的運動生物力學研究現狀可知，國外板球投球動作主要從運動學、動力學、等動、肌電等方面，運用先進設備儀器，將運動生物力學原理融入到板球運動實踐中，促進板球運動的大眾普及。顯著地表現為試圖通過對板球投球動作的運動生物力學（Biomechanics in Sports）與人體測量學（Anthropometry）研究，建立身體運動（physical movement）、投球速度（ball release velocity）和運動損傷（sports injury）三者之間的關系模型，為降低運動損傷風險提供參考。因此，未來國外板球投球動作的運動生物力學研究，將繼續圍繞身體運動、投球速度和運動損傷三者之間展開。

2.國外有關如何改善投球技術，提高運動成績的研究報道相對較少，這或與國外板球運動發展水平較高存有重大關系。

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