羽毛球運動員足踝落地瞬間生物力學分析

中圖分類號：G847DOI：10.16655/j.cnki.2095-2813.2212-1579-4016基金項目：黑龍江省哲學社會科學研究規劃項目，新時代大學生價值觀培育路徑研究，（編號：19KSE245）。作者簡介：韓東陽（1985—），男，大學本科，中級-講師，，研究方向為體育學。

項目項目：黑龍江省哲學社會科學研究規劃項目，新時代大學生價值觀培育路徑研究，編號：19KSE245

作者簡介：韓東陽（1985-4-5）男，漢族，黑龍江肇源人，本科，講師，研究方向：體育學。

通訊作者：辛亞冰（1985-7-30），男，漢，黑龍江肇源人，博士，講師，研究方向：體育學。郵箱：294644468@qq.com

摘要：通過對羽毛球運動員足踝落地瞬間生物力學分析，可以找到降低運動風險的方法。為此，文章采用文獻資料法、實驗法等研究方法，利用三維測力臺與三維動作捕捉系統分析了35名實驗組和35名對照組受試者在足踝落地瞬間的生物力學特征，對采集到的運動學、動力學數據進行分析，發現羽毛球運動員足踝落地瞬間，很可能直接引發運動風險，特別是羽毛球運動的初學者極容易頻發高強度的踝關節損傷風險，專業運動員的踝關節運動具有良好的穩定性和靈活性，足踝落地瞬間的左右方向活動幅度、受力小，使得緩沖時間延長的同時，能有效緩解踝關節突然落地時遭受的沖擊力，發生運動風險的概率較小。

關鍵詞：羽毛球；運動員；足踝落地瞬間；生物力學

Biomechanical analysis of badminton athletes

Han Dongyang¹""Xin Yabing^{2 *}

（1Harbin Vocational amp; Technical College "Heilongjiang Province Harbin 150081""2Harbin Sport University "Heilongjiang Province Harbin 150008）

Abstract： Through the biomechanical analysis of the moment and ankle landing of badminton players， a way to reduce the risk of sports can be found.to this end， The paper adopts the literature data method and the experimental method， The biomechanical characteristics of 3 D load bench and 3 D motion capture system， Analysis of the collected kinematic and kinetic data， The moment when the badminton player's ankle landed， Is likely to directly trigger the exercise risk， In particular， beginners in badminton are extremely prone to frequent risk of high intensity ankle injury， The ankle sports of professional athletes with good stability and flexibility， The left and right direction of the ankle landing moment activity amplitude， small force， So that while the buffer time is extended， Can effectively relieve the impact of the ankle joint during the sudden landing， The probability of developing a movement risk is small.

Key words： Badminton; Athlete; Ankle landing moment; Biomechanics

由于羽毛球運動的初學者與高水平運動員的訓練年限、訓練程度不同，因此兩者在運動穩定性、靈活性等方面存在明顯差異。羽毛球運動員的踝關節損傷主要發生跳躍落地的瞬間，這類損傷屬于下肢運動損傷中最為常見的形式之一，一旦運動員出現反復扭傷的情況，很可能影響其整體的運動表現。羽毛球運動的初學者相比于高水平運動員，前者更容易發生踝關節扭傷事件。在羽毛球運動中經常出現蹬轉起跳擊球的動作，這類后場快速移動步法需要運動員具備較強的進攻性以及快速的移動能力，在羽毛球訓練和比賽中主要以左后場蹬轉起跳的方式出現。以下采用運動生物力學測量方法進一步探究了羽毛球運動員踝關節損傷相關的生物力學參數^[2]。利用光學捕捉系統和測力板評估35名實驗組和35名對照組羽毛球運動的膝關節的生物力學參數，發現膝關節活動度與受力之間存在密切的關聯，科學調整膝關節角度變化可以有效預防運動風險。

1 羽毛球運動員踝關節損傷的生物力學與運動學研究進展

1.1 生物建模與三維有限元研究

研究羽毛球運動員踝關節落地損傷相關課題時，可以利用生物建模分析運動員足部的應力分布，以此獲取足部生理學、病理學相關參考資料，并構建一個完整的踝關節生物力學模型，這也是當前足部生物力學研究的重點內容^[3]。在三維有限元技術的支持下，可以借助CT或MRT掃描技術精準定位踝關節的三維坐標值，將其輸入到有限元分析軟件，即可形成一個系統的踝關節有限元模型，通過模擬人體骨骼肌肉系統來幫助研究者更好地觀察內部骨組織、軟組織的應力分布變化。盡管越來越多學者嘗試將生物建模與三維有限元運用到骨骼、軟組織等研究課題中，但這些研究更側重于運動或損傷等時間點，并未針對損傷后組織修復的過程來構建三維模型，在術后或保守治療后的力學對比方面也有所欠缺，并且急性踝關節扭傷與陳舊扭傷之間的轉變也值得進一步的研究。

1.2 運動學研究

早期羽毛球運動員足踝落地瞬間的運動學研究，主要通過高速攝像來分析受試者踝關節在落地瞬間的速度、角度以及運動時間，最后按照特定的公式計算踝關節承受的著陸沖擊力。隨著現代科技的快速發展和進步，目前三維運動捕捉系統已在運動生物力學實驗中得到了廣泛應用，這類新型工具可以通過受試者身上的標記來精準定位人體運動軌跡，借助分析軟件還能精準確定運動時間、運動速度、加速度等運動學參數^[4]。如有學者借助三維運動捕捉系統、測力臺技術對比了男女運動員足踝落地瞬間的角度和角度的差異。另外，將三維運動捕捉系統與三維有限元相結合，還可以構建動態化的運動模型，著重反映踝關節在運動過程中體現出的力學變化。

1.3 動力學研究

羽毛球運動員在足踝落地瞬間出現踝關節損傷的根本原因在于足底承受的地面沖擊力超出了機體承受力的極值，因此在踝關節著陸損傷的研究中應重點檢測地面反作用力帶來的影響^[5]。目前越來越多國內外學者將三維測力臺系統引進了踝關節動力學研究中，測試著陸面垂直、前后、側向力的分布后，即可利用相關軟件推算各個方向的力矩及壓力中心軌跡。借助三維測力臺與三維運動捕捉系統研究羽毛球運動中可能引發關節扭傷的動作，可以精準測算不同動作下的踝關節內翻角度及地面反作用力等參數。與此同時，利用三維測力臺模擬運動員足踝落地瞬間的地面沖擊力變化，還能進一步探究中樞運動控制對踝關節運動學參數造成的影響。依托于三維測力臺探究地面作用力與下肢肌肉疲勞之間的關系，可以發現足踝落地前下肢肌肉的疲勞對下肢關節屈曲幅度有著直接影響，同時增加下肢承受的地面沖擊力。此外，踝關節的穩定性還可能影響下肢肌肉的疲勞程度，在動力學研究過程中可以對肌肉疲勞程度、踝關節扭傷程度進行對比分析，以此有效降低踝關節扭傷風險發生的幾率。

1.5 表面肌電研究

羽毛球運動員在足踝落地瞬間，加強肌肉運動可以為踝關節運動提供動力，并保證踝關節運動的協調性。運動員在著陸瞬間若無法保證下肢肌肉力量的充足性，很可能因落地姿勢不到位而出現踝關節扭傷的情況。與此同時，踝關節肌肉的慢性疲勞同樣會使得羽毛球運動員在足踝落地瞬間面臨踝關節損傷風險。例如，目前已有學者利用表面肌電技術研究運動員在著陸緩沖期間下肢肌肉的協調性，進一步論證了中樞運動控制對踝關節落地瞬間的協調性起到的積極作用^[6]。對重復提踵測試中的踝關節肌肉疲勞進行研究，可以發現肌肉力量的峰值并不會打斷提踵動作的連續性，肌肉疲勞才會使得提踵動作無法保持在預定范圍。此外，表面肌電活性可以在一定程度上反映肌肉的活動狀態和功能以及神經肌肉的活性，并且表面肌電圖技術還可以綜合分析肌電圖儀采集的數據信息。結合表面肌電圖特征可以精準分析骨骼肌纖維類型，并在力量訓練中預測人體肌肉損傷程度及其在反應、運動過程中涉及的肌肉組織代謝情況。

2 羽毛球運動員足踝落地瞬間生物力學分析

2.1 運動學特征

羽毛球運動員在日常訓練或比賽過程中極容易出現踝關節扭傷的情況，尤其在劇烈運動狀態下踝關節扭傷的幾率大約為25%，并且大部分體育運動項目的踝關節損傷主要集中于外側韌帶。經實踐研究表明，踝關節損傷主要與動力穩定性、姿勢控制、踝關節背屈、腳踝力量等多種影響因素有關，盡管平衡訓練可以有效干預運動員的感覺運動系統，同時大幅度降低運動風險，但運動不當同樣會引起運動員出現踝關節損傷的情況。羽毛球運動員的踝關節在落地瞬間，其形態的預備階段將會直接影響運動員踝關節損傷機制，任何一個角度的運動形態都可能加劇腓神經激活程度，從而加大運動員扭傷的風險。站在運動員踝關節損傷機制的角度分析，必須重點觀察運動員足踝落地瞬間的屈曲角度。分別設立對照組和實驗組來探究足踝關節三軸方向的機械角度之間呈現出的差異（見表1），在足踝落地瞬間，當踝關節突然內旋時，必須對踝關節加強控制，以免出現踝關節外側韌帶損傷的情況，而保證姿勢穩定性同樣可以有效預防踝關節損傷，因此可以根據運動員足踝落地瞬間的運動學變化評估動態穩定性，同時充分滿足羽毛球運動步法中規定的要求，即足部落地時應稍微外展。另一方面，探究羽毛球運動員踝關節損傷原因時，可以通過生物力學測量的方式確定相關生物力學參數。實際上運動員踝關節損傷大多與內旋運動有關，特別是內旋運動將會導致壓力中心側移，這也是運動員踝關節扭傷的重要影響因素之一。與此同時，矢狀面位移還可能在一定程度上依賴骨穩定性，有效緩解外側韌帶的松弛感，進而有效降低運動風險發生的幾率。此外，踝關節翻轉和內旋角度突然增加到載荷時，一旦超出損傷閾值，很可能直接引發運動風險。

2.2 動力學特征與關節力矩

踝關節生物力學參數改變使得力學性能也隨之發生明顯變化，并直接影響下肢最先受力的遠端踝關節。在高速運動的狀態下，可以直接觀察到足踝落地瞬間的運動模式，并且踝關節內部旋轉運動力矩臂也會隨之增加。由于力矩主要由CRF和力矩臂的乘積獲得，因此可以適當增大力矩。足踝關節主要涉及小腿和腳兩個部位，其中形成的運動連接可以與地面直接產生相互作用。運動員在訓練前可以通過激活腓肌來保護踝關節，以免小腿腓骨不活躍而產生運動損傷。經試驗研究表明，對照組和實驗組的跖屈/背屈力矩、外翻/內翻力矩的ROM以相同的態勢存在，而外旋/內旋力矩卻存在明顯差異（見表2）。在對照組中，當運動員落地時的輕微內旋力矩變為小幅度的外旋力矩，證明其在擊球后完成了充分的轉體運動，軀干也通過下肢蹬轉而面向正對網球的方向，并與下一球拍保持良好的連貫性。在實驗組中，當較小的內旋力矩突然轉變為較大的外旋力矩時，證明實驗組左右方向力遠高于對照組。站在運動技術的角度分析，當擊球后的足踝關節過度朝向身體左側扭轉時，證明力矩大幅度增加，限制發力的同時還可能導致體能大量消耗。盡管踝關節韌帶和骨性結構可以保證運動員具有良好的穩定性，但踝關節在高速運動過程中同樣會因不同方向力而產生形變。從解剖的角度分析，足踝關節中的跟距骨、脛距骨、橫距骨構成了一個三平面的多軸關節。踝關節主要通過內側副韌帶來支撐內側面，在關節內翻和外翻左右方向力之間起到了良好的平衡作用。相比于對照組，實驗組在緩沖時承受的力矩和力相對較大，并且內側副韌帶形變的程度也高于對照組，無形中加大了運動損傷的可能。對照組與實驗組在踝關節受力方面的差異主要集中在垂直方向，載荷分布從前腳掌轉移到后腳跟的同時，內側關節在內旋時承受的載荷達到最大，而外側關節在外翻時承受的載荷最大。

2.3 運動風險

運動員面臨的損傷風險主要與運動本身的性質有關，其中蹬轉起跳作為羽毛球運動員出現頻率最高的落地接觸性動作，一旦運動員的重心不穩將會直接引發運動損傷風險，如足底外翻與倒轉強度之比增加，在足底屈曲強度增大的前提下，足背屈與足底屈曲之比也會隨之下降?；诖?，運動員在落地的瞬間可以不斷調整著落姿勢，通過這種方式更好地銜接下一個動作，并對自身起到一定的保護作用。經試驗研究表明，對照組踝關節角度、關節力矩將會直接影響關節穩定性，羽毛球運動員在足踝落地瞬間加大踝關節扭轉角，很可能面臨踝關節外側損傷的風險，尤其在落地接觸的初始時期，COP位置也會隨之偏移（見表3）。對照組與實驗組的左右方向力和前后方向力之間存在明顯差異，實驗組在起始階段的左右方向力和前后方向力高于對照組，受試者在足踝落地瞬間一旦出現角度過大或COP位置偏移的情況，則意味著實驗者很可能面臨踝關節扭傷的風險，但對照組試驗者面臨的運動風險卻相對較低。運動員若不長期堅持訓練，不但會無法掌握運動技術的要領，做出的動作也可能偏離于運動生物力學原理，甚至違背解剖學結構，從而不得不面臨踝關節損傷的問題。實際上平衡訓練與踝關節損傷的風險程度密切相關，因此羽毛球運動員在踝關節康復訓練中可以積極嘗試平衡訓練，通過加強平衡、跳躍、著陸等動作的練習強度來降低踝關節扭傷的風險，并將平衡訓練作為前期準備活動的一部分。

3結論與建議

相比于羽毛球運動的初學者，高水平運動員的踝關節運動具有良好的靈活性與穩定性，在很小的左右方向活動幅度以及受力下，即可達到緩沖的目的，并且高水平運動員的跖屈、背屈角度也相對較大，在延長緩沖時間的同時，還能有效緩解踝關節在落地瞬間遭受的沖擊力。盡管實驗組和對照組的受試者在踝關節的解剖結構、發力結構上并無明顯的個體差異性，但兩組受試者在GRF和關節ROM之間卻存在明顯差異。羽毛球運動初學者在足踝落地瞬間的跖屈/背屈、內旋/外旋角度明顯高于高水平運動員。第二，羽毛球運動初學者在足踝落地瞬間的內翻/外翻力矩高于高水平運動員。第三，羽毛球運動初學者在足踝落地瞬間左右方向GRF大于高水平運動員。最終獲得的研究成果可以幫助運動員更好地把控下肢關節的動態穩定性、維持身體平衡，最大限度地提高運動系統的效能，并為運動員的個人安全提供良好保障。

踝關節運動主要從遠端環節朝著近端環節發生反應模式，在此過程中運動員極容易出現功能不穩的情況。由于踝關節骨骼具有質量小、受重強度大的特點通過地面反作用力與關節ROM來探究踝關節與地面之間的相互作用。踝關節運動損傷主要與運動員起跳落地瞬間機體承受的地面沖擊力極值有關，利用地面反作用力研究踝關節損傷具有積極意義。在實驗探究過程中，應重點關注羽毛球運動初學者與高水平運動員在足踝落地瞬間的生物力學參數，進一步確定可能引起踝關節損傷的下肢生物力學參數，以免羽毛球運動初學者的踝關節發生高頻次的運動風險。羽毛球運動的初學者在進行下肢步法訓練中，可以重點關注腓骨肌群、踝關節外側韌帶的專項運動項目，通過激活肌肉來保證中樞神經系統具有良好的興奮性，并按照生物力學原理及人體結構選擇適合的運動技術方式，從而確保羽毛球運動初學者在足踝落地瞬間保持良好的協調性。

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