運動員落地動作的生物力學研究進展

胡 婧，張 杰

(1.上海市虹口區業余大學，上海 200080；2.復旦大學 附屬華東醫院，上海 200040)

在眾多包含跳躍動作的運動中，落地動作對于高水平運動員十分具有挑戰性的動作之一[1]，相關的研究表明，體操運動員在完成相應的動作進行落地時，單腿所承受的沖擊力約為自身體重的18倍甚至更高。競技性運動的原則要求跳躍運動員完成落地動作時雙腿并攏并且身體盡量沒有晃動。盡管嚴苛的條件限制帶來極大的落地沖擊和損傷風險，但絕大多數的運動員在落地時并沒有發生嚴重的損傷。其中最主要的原因是：相較于業余運動員，高水平運動員落地時更傾向于將下肢所受到的沖擊力更加均衡的分布到下肢的髖關節、膝關節以及踝關節，落地速度增加，下肢受到的沖擊力增大的情況下，跳躍運動員下肢三關節伸肌力矩峰值和伸肌做功相對均衡的增大[2]。

由于人體在落地動作中受到的巨大沖擊力，在進行相關的生物力學仿真模擬中，落地動作被選作一項常用的評價項目評價落地損傷的相關機制。國外學者關于排球運動的調查顯示[3]：落地階段所發生的損傷占下肢所有損傷的63%，其中膝損傷在所有損傷種類中占了61%。下肢90%的損傷發生率提示我們，落地階段是非常值得關注研究的。

1. 影響落地動作運動表現的因素

各種跳躍運動中的損傷率報告以及對下肢損傷的關注度表明，在落地動作中有很大的潛在損傷風險。相關學者通過一個極端的例子，如果讓一個80kg的人在膝關節固定住的情況下從1m高的位置自由落體，股骨的連接處是非常容易受到損傷的部位，極有可能從髖臼里被剝離開[5]。

相關學者做過關于排球攔網的落地研究，他在12個高度的落地測試中發現，第一個Fmax范圍在1KN～2KN，第二個Fmax范圍在1KN～6.5kN，表明受試者表現出了多種落地策略。這個結果與前人的相關研究有著相同的結果，他們對十五名女性大學生排球運動員的攔網研究發現，落地期間的平均Fmax是2KN。有學者通過對膝關節落地時的彎曲角度研究，研究表明落地高度也對落地所受沖擊力有影響。研究者進一步提出，Knee_Angle可以被用來減輕落地時所受到的沖擊力[4]。

國外相關學者利用三種不同高度的水平跳臺對體操運動員和健身操運動員做了關節沖擊力的測量。健身操運動員的垂直地面反作用力峰值的平均值在三個高度上分別是4.2倍體重,6.4倍體重,9.1倍體重。相比之下，體操運動員垂直地面反作用力峰值平均值在三個高度上分別是4倍體重,6倍體重,11倍體重。因此，體操運動員在高度增長上比健身操運動員表現出更低的敏感性。這個結論提示我們，健身操運動員與專業訓練的體操運動員比起來也許更容易受傷，因為體操運動員在面對沖擊力表現出更強的緩沖適應能力。

2. 落地動作中的性別差異

國外學者研究發現相比于男性，女性運動員膝關節前交叉韌帶的損傷率是男性的2-8倍，相關的研究將這種性別差異帶來的損傷歸因于女性的關節結構松馳、解剖結構差異、雌激素作用、訓練水平低于男性、肌肉力量較弱及屈伸肌肌力不均衡等因素，但目前這些觀點之間仍存有分歧。但是這一現象可以說明：男女之間某些解剖學和生理學上的差異導致了損傷出現的最主要的因素。

落地動作中關于額狀面運動學方面的研究發現女性在著地過程中更容易表現出比男性更大的膝關節外翻角度峰值和膝關節外翻活動度。由于膝關節解剖構造的特殊性，加上腘繩肌在額狀面內對膝關節的穩固作用，決定了膝關節的外翻和內翻活動只能在極小的范圍內進行。B學者和O學者的研究指出，非接觸性前交叉人道損傷的發生通常伴有外翻動作，因此，女性在落地動作中表現出的較大的外翻角度峰值和外翻活動范圍是導致其損傷發生率高于男性的重要原因，當落地動作中膝關節外翻角度達到最大值時，無論是膝關節還是髖關節屈曲角度最大，女性表現出的都比男性小。這也使我們不得不考慮落地動作中，矢狀面和額狀面的表現是相互影響的，這更加會增加女性在落地動作中受到損傷的風險。

有研究通過核磁共振技術測量了10名男性和7名女性半腱肌，半膜肌，股薄肌和股二頭肌在額狀面內的力臂長度。結果顯示：無論是直接測量到的力臂值還是根據身高做標準化后的相對值，男性的股后肌群的力臂長度均大于女性。女性膝關節伸力矩峰值高于男性，可以推斷出女性股四頭肌肌力與腘繩肌肌力差要大于男性。未來的研究應該側重于尋找通過提升腘繩肌肌力來提升膝關節屈曲角度，降低膝關節伸力矩和外翻力矩的方法，尤其是那些附著在脛骨中部的肌肉。許多這方面的研究證實性別因素在ACL損傷風險中的重要影響。

3. 不同的落地策略對落地動作的影響

有研究認為，由于落地策略的不同，表現為硬著陸的時候主要依靠踝關節維持穩定，而軟著陸時髖關節和膝關節周圍肌群起著主要的緩沖作用。國內學者發現在0.32-1.03m高度的落地動作中，髖關節和膝關節伸肌緩沖了身體受到的絕大部分沖擊力。也有人認為膝關節才是在緩沖沖擊力中占主要作用的，踝關節跖屈肌肉和髖關節伸肌群只是起著相對次要的作用。

在可預期落地測試任務中觀察膝關節外翻力矩峰值，選擇反應測試中觀察亮燈到做出選擇的時間以及此段時間內的肌肉活動情況，對二者做相關分析，發現腓腸肌和腘繩肌的肌肉活動，選擇反應時間與膝關節外翻力矩峰值有著高度相關關系。無論是腓腸肌還是腘繩肌，選擇反應時間都與落地階段中蹬伸階段的膝關節外翻力矩有著顯著正相關關系。

為了研究運動策略對落地動作的生物力學影響，國外學者研究了在不可預期刺激落地動作中變更刺激發生時間對落地動作完成的影響。結果顯示：與可預期刺激落地模式相比，在落地初期，不可預期刺激模式中受試者均表現出更大的髖關節外展角度和更小的髖關節屈角度，但是三個不可預期刺激模式之間沒有表現出顯著性差異。結果充分表明不可預期的刺激會影響落地動作的完成，但是刺激發生的時間在本次測試中對落地動作表現沒有表現出顯著影響。