擊劍運動員膝關節的生物力學分析范文

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《中國體育科技雜志》2015年第七期

1前言

弓步技術是擊劍比賽中運動員得分的主要技術［5］。研究表明，在擊劍比賽中，男子運動員平均每23．9s使用一次弓步，女子運動員平均每20s就會使用一次弓步［2］。弓步的質量直接關系比賽勝負，弓步速度是評價弓步質量的重要指標，也是評價擊劍運動員競技水平的重要依據［5］。有研究發現，擊劍運動員弓步速度與弓步動作中后腿伸膝最大角速度顯著相關，后腿的蹬伸速度是弓步速度的主要決定因素之一。舒建平［4］采用APAS系統對擊劍弓步動作進行分析后認為，運動員弓步動作中雙側膝關節角度變化大小是決定擊劍弓步速度的主要因素。在擊劍弓步動作中，運動員前腿和后腿執行不同的運動模式，后腿伸肌群快速收縮使后腿蹬地為弓步動作提供驅動力，而前腿快速伸膝帶動小腿向前踢出［14，15］。在弓步動作開始后，前腿的快速擺動能獲得較大的沖力，延長后腿蹬地的時間，配合后腿蹬地帶動人體總重心前移，且前腿向前擺動時膝關節的伸展程度能夠對弓步深度產生影響。另外，有研究報道，弓步速度和前腿膝關節最大功率到達時間及平均功率存在關聯［6］。綜合已有研究可以發現，下肢雙側膝關節在擊劍弓步動作中的運動表現是影響弓步速度的重要因素。然而，已有研究大多集中在運動員雙側膝關節在弓步動作中的生物力學表現與弓步速度的關系方面，而不同水平運動員雙側膝關節在弓步過程中的生物力學表現差異對弓步質量的影響鮮見報道。本研究通過比較一般運動員與優秀運動員雙側膝關節在弓步過程中生物力學表現的差異，探究影響擊劍弓步速度的生物力學因素，為提高擊劍運動員弓步質量提供參考。

2研究對象和方法

2．1研究對象上海市男子重劍隊運動員7人，其中，運動健將4人，一級運動員3人，為優秀運動員；某體育學院運動訓練專業及附屬競技學校男子擊劍二級運動員9人，為一般運動員。

2．2研究方法

2．2．1實驗方案測試之前受試者進行5min慢跑，跑步機速度設置為6．5km／h。慢跑完畢后再進行5min拉伸活動。測試時受試者面向劍靶，前后腳分別位于兩塊測力臺上，劍靶與受試者的距離根據受試者身高進行調節，使靶面距運動員后腳腳尖水平距離為1．5倍身高［17］。要求受試者持劍以最快速度弓步刺靶（圖1），每名受試者試刺5次。每名受試者正式測試成功采集至少6次，選取其中峰值速度最大的3次弓步動作進行分析。

2．2．2所用儀器和評價參數測試設備采用瑞士生產的KISTLER三維測力臺（型號9287B，長×寬：90×60cm，內置信號放大器，采樣頻率1000Hz）和英國生產的16臺VICONT40鏡頭紅外高速運動捕捉系統（ViconMotionAnalysisInc．，Oxford，UK，采樣頻率100Hz），對運動員弓步動作地面反作用力（GRF）和運動學數據進行同步采集。

2．2．3數據處理將VICON系統中預處理過的數據（C3D文件）導入Visual3D（C－Motion，Inc．，Germantown，MD，U．S．A．）軟件。運動學數據和GRF濾波采用4th－orderButterworth低通濾波，截止頻率分別為12Hz和100Hz［18］。在Visual3D中構建14環節人體模型［11］，根據人體慣性參數［20］確定人體重心位置，以人體重心在水平方向上的速度代表弓步速度。在Visual3D軟件中計算下肢3維運動學和動力學數據（采用右手法則）并導出。力矩、角速度、功率指標，膝關節屈為負值（－），伸為正值（＋）。弓步動作起點定義為前腳離開地面瞬間（前腳GRF＝0），動作終點定義為前腿膝關節伸膝達最大角度。

2．2．4選取指標1）弓步過程中受試者水平方向重心速度峰值（Hori－zontalPeakVelocityofCenterofGravity，HVmax），單位為m／s；2）經體重標準化后的受試者弓步過程中后腿蹬地產生地面反作用力的水平方向分力峰值（GRFmax），單位為體重（BW）；3）膝關節角度（KneeJointAngle）為小腿向量與大腿向量的夾角（°），大腿向量由膝關節指向髖關節，小腿向量由膝關節指向踝關節，下肢直立位膝關節角度為180°；4）膝關節角速度峰值（PeakAngularVelocityofKneeJoint）為伸膝階段膝關節角速度最大值，單位為°／s；5）前腿伸膝時間（TimeofExtensioninLeadingKnee）為自前腿膝關節最小角度至最大角度所用時間，單位為s；6）通過逆向動力學計算關節力矩峰值（PeakJointMoment），關節功率峰值（PeakJointPower）為關節力矩與關節角速度乘積的最大值（均在Visual3D軟件中直接計算）。力矩和功率峰值均為根據體重進行標準化后的結果，單位分別為Nm／kg和W／kg；7）前膝關節功率峰值到達時間（TimetoPeakPowerofLeadingKneeJoint）為自動作起點至前腿伸膝功率達峰值所用時間，單位為s。

2．2．5統計學處理選取每名受試者峰值速度最快的3次弓步動作，計算相關指標的平均值和標準差。采用獨立樣本t檢驗（Inde－pendentttests）比較兩組受試者弓步動作過程中膝關節動力學、運動學相關指標及HVmax、GRFmax之間的差異，顯著性標準設定為α＝0．05。統計軟件為SPSS20．0。

3研究結果

3．1不同水平運動員弓步表現優秀運動員弓步過程中HVmax（P＝0．001）和GRF－max（P＝0．016）均顯著高于一般運動員（表2）。

3．2不同水平運動員弓步動作前腿膝關節生物力學指標兩組運動員弓步動作中前腿膝關節運動學和動力學指標如表3所示。兩組運動員屈膝程度均為正值，可見運動員前腿膝關節屈膝末膝角小于初始膝角，說明在弓步開始時運動員前腿伸膝前首先屈膝。不同水平運動員前腿屈膝程度不同，優秀運動員屈膝程度顯著低于一般運動員（P＝0．037）。在隨后的伸膝階段，兩組運動員伸膝程度無顯著性差異（P＝0．293），但優秀運動員伸膝末膝角顯著大于一般運動員（P＝0．018），伸膝角速度峰值顯著低于一般運動員（P＝0．029）。在弓步過程中，兩組運動員前腿膝關節伸膝力矩峰值（P＝0．056）和功率峰值（P＝0．074）均無顯著性差異。

3．3不同水平運動員弓步動作后腿膝關節生物力學指標優秀運動員弓步動作后腿伸膝末膝角與一般運動員無顯著性差異（P＝0．079），但優秀運動員后腿膝關節伸膝力矩峰值（P＝0．030）顯著高于一般運動員，后腿伸膝功率峰值到達的時間顯著小于一般運動員（P＝0．021）；運動員弓步動作中后腿伸膝角速度峰值組間無顯著差異。

4討論與分析

國內、外對擊劍弓步動作的研究多以運動員弓步重心平均速度、最大速度以及弓步距離作為評判弓步質量的主要指標［12］。在多數研究中，只要求受試者以最快速度做弓步動作，并未設置弓步目標和距離，且受試者未持劍，這可能會使不同受試者在測試時選擇不同標準的弓步距離，而運動員在做長距離大幅度弓步和短距離快節奏弓步時速度可能并不相同。在征求運動員和教練員建議的基礎上，結合擊劍運動員比賽狀態下發動弓步的距離，本研究將劍靶設置在距運動員準備姿勢后腳腳尖1．5倍身高處［17］。這一距離下的弓步為長弓步［17］，要求運動員持劍盡力做快速弓步刺靶，將弓步動作中身體重心最大水平速度定義為弓步速度［9，10，16］。結果顯示，優秀運動員弓步水平方向重心速度峰值（2．64±0．16m／s）顯著高于一般運動員（2．32±0．13m／s，P＝0．001）?？梢?，以弓步速度作為評價運動員弓步質量的指標，本研究優秀運動員弓步質量高于一般運動員。

在擊劍弓步動作中，后腿蹬地獲得的水平方向地面反作用力是弓步向前的驅動力，其大小是弓步速度的決定性因素［1，8，12］。本研究優秀運動員弓步動作后腿蹬地水平方向地面反作用力峰值（0．91±0．10BW）顯著高于一般運動員（0．78±0．08BW，P＝0．016），說明優秀運動員弓步向前的驅動力高于一般運動員。目前有研究認為，運動員后腿膝關節伸肌力量是影響弓步驅動力大小的重要因素。Guilhem等人［9］對優秀擊劍運動員雙側下肢主要肌肉進行等速肌力測試，另外對其在弓步過程中的活動進行肌電測試，結合運動員弓步表現進行分析后發現，弓步后腿膝關節伸肌最大等速肌力與弓步速度峰值顯著相關（r＝0．60～0．81）；在弓步加速階段，運動員后腿伸肌的活動水平與此階段運動員的重心平均速度相關，運動員弓步后腿臀大肌、股直肌、股外側肌、比目魚肌、腓腸肌外側的收縮對弓步速度貢獻明顯。另外，Cronin等人［6］對擊劍運動員膝關節伸肌進行等速肌力測試后發現，弓步速度與弓步后腿膝關節伸肌最大等速肌力的相關系數為0．62。通過已有研究可以發現，運動員弓步后腿膝關節伸肌是貢獻弓步向前驅動力的主要肌群之一，其爆發力及在擊劍弓步動作中的運動表現能夠對弓步速度產生重要影響。

本研究結果顯示，優秀運動員弓步過程中后腿膝關節所能達到的力矩峰值（2．87±0．27Nm／kg）顯著高于一般運動員（2．37±0．38Nm／kg，P＝0．030），后腿伸膝功率峰值到達時間（0．45±0．06s）顯著小于一般運動員（0．59±0．13s，P＝0．021），且優秀運動員后腿伸膝功率峰值（12．21±0．27W／kg）在統計學上有高于一般運動員（10．16±2．28W／kg，P＝0．082）的趨勢。可見，優秀運動員弓步后腿膝關節在短時間內能產生更強的關節功率，反映出優秀運動員具有更強的膝關節伸肌爆發力。本研究認為，優秀運動員弓步速度大于一般水平運動員的重要原因是優秀運動員弓步后腿膝關節伸肌具有更強的爆發力，在蹬地時能產生更大的水平方向地面反作用力，而這個力是弓步向前的驅動力，弓步驅動力的增大必然有利于弓步速度的提高。在對弓步后腿膝關節運動方式的研究中，彭道福等人對影響12名擊劍運動員弓步速度的生物力學因素進行灰色關聯分析后認為，后腿膝關節角度變化越大，對運動員弓步速度的影響也越大，降低重心減小弓步動作膝關節初始角度有利于弓步速度的提高。另外有研究表明，在擊劍運動員弓步動作中后腿膝關節最大角度平均在170°以上，后腿基本接近伸直。然而，不同水平擊劍運動員在弓步準備姿勢中的后腿膝關節角度以及弓步動作中后腿膝關節最大角度是否存在差異尚不清楚。本研究結果顯示，優秀運動員和一般運動員弓步動作中后腿膝關節初始角度、伸膝末角度均無顯著性差異（P＞0．05）?？梢?，優秀擊劍運動員與一般水平擊劍運動員在弓步動作中后腿膝關節運動方式基本相似，弓步后腿膝關節的運動方式可能并非導致不同水平擊劍運動員弓步速度差異的原因。近年來，前腿膝關節在擊劍弓步中的運動方式引起了研究者的注意，有研究發現，不同水平運動員弓步動作中前腿膝關節運動方式存在差異［7］。

Gholipour等人［7］使用高速攝像機分別采集優秀擊劍運動員和擊劍初學者的弓步動作，對比分析后發現，弓步開始后受試者前腿膝關節并非直接開始做伸膝動作，而是先屈膝后伸膝，優秀運動員屈膝程度（20°±12°）顯著低于初學者（38°±15°，P＜0．05）。研究結果顯示，兩組受試者在弓步準備姿勢時前腿膝角無顯著性差異（P＞0．05），在弓步啟動后所有受試者前腿膝關節先做屈，優秀運動員屈膝程度（13．86°±6．52°）顯著低于一般運動員（25．35°±11．84°，P＝0．037），優秀運動員屈膝末膝角（113．64°±12．57°）顯著大于一般運動員（100．26°±10．66°，P＝0．037），與Gholipour等人的研究結果相似。本研究認為，一般運動員在弓步動作中增大前腿伸膝之前的屈膝程度，使前腿股四頭肌初長度被拉長，為之后的加速伸膝積蓄了能量，有利于小腿向前加速擺動。結果顯示，一般運動員前腿伸膝角速度峰值（428．50±135．13°／s）顯著高于優秀運動員（287．08±82．31°／s，P＝0．029），說明一般運動員前腿伸膝過程中小腿向前擺動的速度更快。從本研究的結果看，一般運動員后腿蹬地水平方向地面反作用力峰值顯著小于優秀運動員（P＜0．05），推測一般運動員因后腿蹬地為弓步提供驅動力不足，故通過增大前腿伸膝前的屈膝程度來提高伸膝角速度，使前側小腿向前快速擺動帶動身體總重心前移，以代償后腿蹬地力量的不足，試圖將弓步速度維持在較高水平。另外，一般運動員前腿伸膝之前較大的屈膝程度可能會對弓步效果產生不利影響。運動員弓步啟動時前腿離地，后腿迅速蹬地產生向前的地面反作用力。本研究認為，優秀運動員前腿由于屈膝程度較小，能更早地配合后腿蹬地進行伸膝，并迅速向前踢出小腿完成弓步；而一般運動員前腿屈膝程度較大，可能會延長屈膝時間，導致前腿伸膝與后腿蹬地銜接較慢，表現為前腿伸膝動作更加倉促。本研究結果顯示，在前腿伸膝階段，優秀運動員前腿伸膝時間（0．39±0．09s）顯著長于一般運動員（0．27±0．05s，P＝0．005），與上述推測一致。提示，相比于優秀運動員，一般運動員因為前腿膝關節伸膝動作開始較晚，故需要更大的關節角速度在更短的時間內完成伸膝動作。這可能會造成一般運動員弓步動作不如優秀運動員更加舒展、有效，表現在前腿的過分使用，并可能對弓步末期前腿的落地造成不利影響。從戰術角度考慮，優秀運動員前腿更加寬松的伸膝時間可為最終的出劍和下劍選擇創造條件，而一般運動員前腿較快速的伸膝和落地反而會造成出劍和下劍選擇較少，難以做到根據對手反應適時改變劍的落點。此外，優秀運動員前腿伸膝末膝角（169．35°±4．51°）顯著大于一般運動員（160．61°±7．66°，P＝0．018），說明優秀運動員前腿在相對寬松的伸膝時間內得到了較充分的伸展，前腿擺動幅度更大，有利于增加弓步距離［4］。綜上，優秀擊劍運動員弓步速度高于一般水平運動員，主要原因與弓步動作中后腿膝關節動力學表現的差異有關。優秀運動員弓步后腿膝關節動力學表現優于一般運動員可能是由于優秀運動員后腿膝關節伸肌爆發力強于一般運動員。運動員弓步啟動后前腿首先屈膝后伸膝。在后腿提供驅動力相對較小的情況下，一般運動員弓步啟動時通過增大前腿伸膝前的屈膝程度來增大小腿擺動速度，帶動身體重心前移，以代償后腿蹬地力量的不足，試圖將弓步速度維持在較高水平。但是，一般運動員弓步動作中前腿伸膝前相對較大的屈膝程度可能會限制弓步距離，同時，對出劍選擇及弓步落地后續連接動作產生不利影響。

5結論與建議

后腿膝關節在弓步動作中的動力學表現是決定擊劍運動員弓步速度的主要原因。不同水平擊劍運動員弓步動作中后腿蹬地能力的差異導致了前腿膝關節運動學表現的差異，一般運動員通過增加前腿伸膝前的屈膝程度，增大伸膝階段的小腿擺動速度，帶動重心前移來代償后腿蹬地為弓步提供驅動力的不足。在擊劍運動員力量訓練中，加強后腿膝關節伸肌爆發力訓練，有利于提高運動員弓步動作中后腿蹬地提供的驅動力。減小弓步啟動時前腿伸膝前的屈膝程度，提前伸膝動作，可減少前腿在弓步動作中的負擔，有利于提高弓步動作的有效性。

作者：管延飛 郭黎 吳娜娜 鄭加財 劉海瑞 單位：上海體育學院