足弓剛度對縱跳動作的下肢生物力學影響

黃 濤,但林飛,吳佩琦,劉 鑫,王維蕊,任家銳,李建設

(寧波大學 體育學院,浙江 寧波 315211)

0 前 言

人的足弓是由跗骨、跖骨和周圍韌帶、肌腱和肌肉組成的彈性收縮性凸面結構[1]。其內在和外在肌肉組成的主動彈性系統在維持足部穩定和足部運動起著重要作用,并通過小關節間的協同作用實現下肢與地面之間動力的有效傳遞[2]。在步態支撐期,足弓發生形變(拉長與壓縮)從而將運動沖擊載荷作為彈性勢能進行吸收;而在支撐末期,足部通過轆轤機制調節足弓剛度,足底筋膜的被動回彈對提高步態效率產生了積極作用。剛度較大的足部結構可使踝關節跖屈肌產生巨大推進力,提高人體的運動表現[3]。張燊等研究總結,足部的形態與功能都離不開足部肌肉的貢獻[4]。Deminic James Farris等研究了行走蹬伸階段的足部功能,發現維持足部張力涉及跖屈肌和足部固有肌肉主動競爭[5]。Tyler J.Kirby等在進行不同下蹲深度的逆向運動跳躍和靜態跳躍實驗中發現相對凈垂直沖力決定了跳躍高度[6]。可見,足弓的結構類型和其肌肉之間的收縮能力是影響足部運動表現的主要因素。

縱跳主要反映人體下肢爆發力,常被用于評價下肢爆發力,其肌肉收縮類型屬于超等長收縮,是人進行跳躍活動的基礎之一。在以往的研究中,鄭永華等發現足部肌肉和大小腿圍與縱跳能力有顯著相關性[7]。王明波在下肢加壓訓練效果的研究中,將單腿縱跳高度作為下肢爆發力的測試指標[8]。吳國棟把縱跳能力應用于拳擊項目的訓練中,同時表示縱跳是一種強化性測試,能提高神經-肌肉的協調性,可作為反映下肢爆發力的重要指標[9]。在跳高運動中,運動員通常以單腿起跳完成跳躍動作,因此單腿縱跳能力是運動員在比賽中取得優異成績必備的運動素質。

綜上所述,縱跳能力與肌肉爆發力以及神經-肌肉的協調性相關,現有關足弓剛度對縱跳能力影響的論述較少,在此進一步探討其影響關系。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

招募15名男性二級跳高運動員,基本信息為:年齡(22.2±0.5)歲,身高(174.0±3.3)cm,體重(67.3±1.6)kg,跳高成績(186.2±1.5)cm,BMI(21.7±2.4)kg/m2(表1)。

1.2 足部型態建模

采用Easy-Foot-Scan (Ortho Baltic,Kaunas, Lithuania)對受試者足部形態進行紅外光學掃描,分辨率為1.0mm,平滑度為30mm,孔洞填充為100mm[10,11]。所有受試者分別在站姿和坐姿狀態下完成腳部掃描,并保持兩腿分開,與肩同寬[1,12],選取受試者優勢腳進行測量。(圖1)足弓高度系數(Arch Height Index,AHI)的測量方法為:用腳背點到表面的垂直距離(腳背高度)除以第一跖骨關節突起到[小腿骨最后方距離(腳球長度)]足跟最遠端的距離(截斷長度)[13,14],根據足部形態掃描得到的足部圖像,用AutoCAD軟件計算足部結構變量。AHI≥0.356確定為高弓足,AHI≤0.275確定為扁平足。足弓剛度系數(Arch Stiffness Index,ASI)的計算方法為:ASI=0.4×體重/[(AHI(坐姿)-AHI(站姿)],研究表明,數值1 524為ASI中位數[1]。因此,基于上述標準,本次研究的參與者被分為兩組:高剛度足弓組(Stiff Arch,ASI>1 524)和低剛度足弓組(Flexible Arch,ASI<1 524)。根據ASI測量結果將受試者分為:高剛度足弓組(n=8)和低剛度足弓組(n=7),受試者實驗前24h未做過劇烈運動且精神狀態良好,下肢半年內無明顯傷病并均在預實驗中掌握縱跳動作,知曉實驗目的和流程,簽署實驗同意書。

圖1 Easy-Foot-Scan紅外光學掃描圖

1.3 動態單腿縱跳測量

受試者根據要求進行單腿縱跳實驗,采用紅外運動捕捉系統(Vicon Motion System Ltd.,Oxford,UK,200Hz)和測力臺(AMTI,Watertown,MA,United States,1000HZ)采集受試者單腿縱跳動作的下肢運動學和動力學數據。正式實驗開始前,受試者知悉并同意實驗流程,隨后進行5min慢跑熱身及熟悉動作要求。具體單腿縱跳動作要求如下:①雙手叉腰(避免手臂擺動影響運動效果);②右下肢支撐,左下肢屈膝于體側;③身體快速下蹲,膝關節自然屈曲;④支撐腳全力迅速向前下方蹬伸,快速向上起跳,擺動腿順勢擺。兩次起跳之間有充足休息時間,每位受試者3次有效數據,導出Vicon Nexus軟件創建的C3D格式文件,使用 Visual 3D軟件(C-Motion Inc., Germantown, MD, USA)計算髖關節、膝關節、踝關節在三維運動面內的關節運動學和動力學變量?；赩icon三維運動捕捉系統采集的運動學參數對髖、膝、踝在矢狀面、冠狀面和水平面內的的三維運動進行定義。并在Visual3D軟件中采用逆向運動學算法計算下肢三個關節的運動角度。(圖2)

圖2 紅外運動捕捉系統和測力臺

1.4 統計分析

統計結果使用Microsoft Excel 2000和SPSS 19.0軟件(SPSS Inc.,Chicago, IL,USA)進行數據處理和分析。實驗數據均用平均值±標準差(M±SD)的形式表示,應用Shapiro-Wilks檢驗來檢查正態分布。采用獨立樣本t檢驗對右下肢的運動學、動力學相關數據進行比較分析,P值小于0.05為具有顯著性差異。

表1 不同組別受試者的人體測量基本信息

2 研究結果

2.1 足弓剛度與vGRF的線性回歸方程

對足弓剛度(ASI)與垂直地面反作用力(vGRF)進行正態性檢驗,簡單線性回歸僅要求回歸殘差接近于正態分布,本研究的線性回歸方程可以概括為vGRF=0.00065ASI+0.909其中,0.00065是斜率,0.909是截距。SPSS對回歸截距和斜率的輸出結果如表2

表2 ASI和vGRF線性回歸結果

2.2 運動學結果

單腿縱跳起跳階段下肢踝關節所達到的關節伸展程度指標及獨立樣本t檢驗結果如表3,圖3,4,5所示,研究結果表明,在單腿縱跳運動中,起跳離地時刻高剛度足弓組在關節活動度(45.85°±6.91°VS 55.28°±7.16°)和峰值vGRF時刻踝屈角(21.24°±4.4°VS 24.43°±3.6°)與低剛度足弓組有顯著性差異(P<0.05),而在最大角速度上兩組沒有顯著差異(P>0.05);下肢膝關節所達到的關節伸展程度指標及獨立樣本t檢驗結果如表3,圖3,4,6所示,研究結果表明,在單腿縱跳運動中,起跳離地時刻高剛度足弓組在關節活動度(102.99°±9.67°VS 118.45°±20.16°),峰值vGRF時刻膝屈角(53.14°±8.75° VS 56.63°±6.02°)與低剛度足弓組有顯著性差異(P<0.05),而在最大角速度上兩組沒有顯著差異(P>0.05);下肢髖關節所達到的關節伸展程度指標及獨立樣本t檢驗結果如表2,圖3,4,7所示,研究結果表明,在單腿縱跳運動中,起跳離地時刻較高剛度足弓組在關節活動度(38.48°±7.74°VS 33.42°±5.48°),最大角速度(499.13°/s±60.29°/s VS 462.92°/s±56.16°/s)以及峰值vGRF時刻髖屈角(32.34°±8.63°VS 28.13°±10.32°)與低剛度足弓組有顯著性差異(P<0.05),而在最大角速度上兩組沒有顯著差異(P>0.05)。

圖3 各關節活動度圖4 各關節峰值vGRF時刻屈角

表3 不同剛度足弓矢狀面髖、膝、踝三關節運動學參數

圖5 踝關節屈/伸角度

表4 單腿縱跳中高剛度足弓和低剛度足弓矢狀面髖、膝、踝三關節動力學比較

2.3 動力學結果

2.3.1 單腿縱跳中高剛度足弓和低剛度足弓矢狀面髖、膝、踝三關節動力學比較。單腿縱跳的髖膝踝三關節動力學數據及獨立樣本t檢驗分析統計結果如表4,圖8所示,結果顯示:在單腿縱跳過程中,高剛度足弓受試者和低剛度足弓受試者的髖關節垂直峰值力矩分別為(3.25Nm/kg±0.97Nm/kg VS 2.12Nm/kg±0.76Nm/kg,P<0.05),膝關節垂直峰值力矩分別為(4.39Nm/kg±1.27Nm/kg VS 3.24Nm/kg±0.93Nm/kg,P<0.05),踝關節垂直峰值力矩分別為(9.96Nm/kg±2.14Nm/kg VS 6.67Nm/kg±2.38Nm/kg,P<0.05),峰值vGRF(2.86BW±0.43BW vs 2.34BW±0.30BW,P<0.05)以及沖擊加載率(15.2BW/s±1.8BW/s VS 12.3BW/s±0.9BW/s,P<0.05)。

圖8 各關節起跳峰值力矩

3 分析與討論

3.1 足弓剛度系數與垂直地面反作用力的相關性分析

通過比較人體站姿和坐姿之間的足弓高度差,可以有效反映足弓的動態負荷適應性,被認為是足弓剛度的一個通常評價指標[15]。佟澤昊等研究得出,在最大深蹲重量與自身體重比值相等條件下進行縱跳,正常足因足部接觸面積比扁平足小,壓強更大,可獲得更好發力效果,縱跳能力優于扁平足[16]。本研究足弓剛度是根據同一受試者在站姿與坐姿下足弓高度差大小進行評價,剛度較大的足弓在站姿狀態下足弓塌陷程度較小,與地面的接觸面積較小,由ASI、AHI定義式可知ASI指數是隨站姿弓高增加而增加,這與前人在關于正常足比扁平足的縱跳過程中有更好發力效果的結論是一致的。經過標準化的垂直地面反作用力可以反應縱跳能力[17,18],與足弓剛度大小呈高度相關性。

3.2 起跳時期各關節的運動學分析

在起跳過程中,足弓可以起到剛性杠桿的力量傳導作用,又可以通過拱形結構完成彈性勢能的累積[19]。足弓的高度可以發生一定的下降以此達到緩沖的目的,從而減少對踝、跖骨應力過大而形成的損傷[20]。在進行剛性杠桿作用時,僅憑足底筋膜的參與無法完成跳躍的轉化,還需要足部的結構發生一定的改變來完成足部對地面的蹬離,高剛度系數的足弓在一定程度上通過足部發生趾屈、背屈變化的來增加對足底肌肉牽拉的需求要少于低剛度系數的足弓,同理在峰值vGRF時刻踝屈角變化的需求也較小[14]。在經由踝關節代償后,兩組的起跳膝屈角、起跳髖屈角差異并不顯著。在單腿縱跳運動過程中,屈曲緩沖階段人體向下加速,當屈曲緩沖到身體重心最低點時,人體稍作靜止,隨后人體向上做加速運動,下肢關節的關節角速度在這一階段出現最大值。結果顯示在單腿縱跳運動過程中,高剛度足弓組和低剛度足弓組的髖關節最大角速度具有顯著性差異,其它關節最大角速度指標均沒有統計學差異。這說明在單腿縱跳的運動學表現上,各個關節較為相似,而在髖關節的運動學指標表明,高剛度足弓組在起跳過程中上半身抬起較大。井香蘭研究指出,縱跳高度決定因素為起跳時伸髖、伸膝、跖屈速度,在向心收縮階段,髖關節伸展角速度逐漸增大,直至離地前降低[21]。結合髖關節的其他角度指標發現,高剛度足弓組在髖關節的運動上與低剛度足弓組具有一定的差異,高剛度足弓組具有較大的角速度。李崇華研究得出,髖伸展的角速度與SJ(由半蹲開始做垂直跳)、CMJ(直立下蹲原地垂直跳)和跳遠重心騰起速度呈高度相關結論,表明了在下肢爆發力中髖關節的運動起主要作用[22]。相對低剛度足弓組,高剛度足弓組在起跳時髖關節角速度較大,這表明其離地重心騰起速度也較大,跳躍高度相對更高,這和前人研究顯示一致。而高剛度足弓組起跳時髖關節角速度較大原因,本研究認為是高剛度足弓足底較大壓強差作用足髖部肌肉產生于更大爆發力而致。也有研究表明[23,24],對于不同的受試者而言,最佳的關節起跳角度是不同的,本文中高剛度足弓組其髖關節的角度對于受試者來說可能有助于起跳高度的獲得。在起跳過程中,正是通過踝膝髖的力量傳導順序形成動力鏈增加跳躍高度。

3.3 起跳時期各關節的動力學分析

下肢作為一個多環節系統,髖關節、膝關節和踝關節的運動與人體內部動力鏈相互聯系[25]。本研究發現足弓剛度差異對近端關節(如髖關節和膝關節)的運動補償顯著影響。 線性回歸方程vGRF是ASI正比例函數,表現ASI1組因足弓剛度高比ASI2組有更大下肢爆發力,體現力學上合理性。也有研究指出,根據人體力學規律,髖關節向上位移,對應的肌肉要產生一個大小相等方向相反的力,這個力的反作用是使地面向上推動自身,髖關節作用是使人體重心產生更向上運動的趨勢[26]。從運動生物力學解釋縱跳推離或起跳階段:由于提供蹬伸地面反作用力的張力動力源踝關節跖屈肌、拇指外展肌和拇指屈肌激活,可興奮運動單位募集,這時與較低剛度足弓相比,高剛度足弓壓強較大,因壓強特性這將同加載作用在垂直于被募集運動單位張力方向的橫截面S運動單位上,形成由AHI貢獻同向的垂直地面反作用力ΔGRF足弓=(P自重/S高剛度足-P自重/S低剛度足)×S運動單位[18],而與AH、FDB主動肌肉張力提供垂直地面反作用力匯合組成向上正向合推力[27]。由動力學得其克服自重,產生高于原先垂直地面反作用力的動力加速度,獲得比低剛度足弓在同等條件下更大縱跳高度。有研究發現足弓高度與足弓剛度之間存在顯著相關性,較低的足弓對應較低剛度系數的足弓(反之同理)[15]。雖然本研究所測得足弓中不包含過度低足弓,但有研究發現,過度的低足弓也會導致下肢肌力的下降[28]。高足弓可壓縮量大,足部蓄能有如彈簧般特性,彈性勢能與足弓壓縮形變高度改變量呈正相關,高弓足在起跳前通過壓縮足弓所儲存的彈性勢能較大,這使得離地瞬間足底絞盤效應[5,29]進一步釋放彈性勢能轉化為蹬離地面的動能,獲得更好的縱跳運動表現。

關節峰值力矩反映下肢關節調控能力的差異,與低剛度足弓相比,高剛度足弓組在踝、膝、髖關節峰值力矩均與低剛度足弓組有顯著性差異,這表明高剛度足弓運動員有更大的下肢關節剛度。在接近個人能力閾值條件下,神經肌肉回饋系統可作進一步調整,以產生更大爆發力實現有效蹬離;而低剛度足弓組的爆發力、力量和協調性只能作適應性增加,體現了神經-肌肉系統調配下肢的能力和足弓剛度大小相關。Kota等通過增加鞋內碳纖維板調節腳/鞋復合體剛度效果得出,在腳部增加剛度明顯增加比目魚肌的激活和輸出;也改變了站立位壓力中心傳播,導致踝部跖屈肌齒輪比增加[30],增大了踝關節的緩沖力矩,使得起跳效果更好。在討論起跳時,鄭亦華把起跳動作有條件地分為下蹲階段、下蹲結束階段和起跳階段。如果下蹲速度愈大,而身體下蹲結束時制動速度愈明顯,那么支撐反作用力將愈大,這與理論解釋相一致[24]。

4 結論與建議

4.1 結論

4.1.1 足弓剛度與縱跳地面反作用力峰值間存在顯著正向線性關系,高剛度足弓受試者在縱跳能力方面優于低剛度足弓運動員,其沖擊加載率會在一定程度變大而踝膝關節的曲角減小。

4.1.2 起跳時髖關節最大角速度與足弓剛度大小呈顯著相關性,其較高的足底反作用力通過踝膝傳遞至髖部而產生更大離地初速度和伸髖角速度,可為縱跳動力鏈力學分析提供參考。

4.2 建議

4.2.1 在跳躍類項目我們應該關注運動員足底肌肉力量訓練,同時運動員選材也應選擇足弓剛度較高者。在描述跳躍過程中的足部及其生物力學特征時,使用靜態足部分類值得納入考量。

4.2.2 在運動鞋墊的選擇中,低剛度足弓運動員可以選擇在鞋墊上內嵌碳板增加硬度,使足弓有更好的支撐,變相提升足弓剛度(應該對高低足弓提出不一樣的建議)。