足弓刚度对纵跳动作的下肢生物力学影响

黄 涛,但林飞,吴佩琦,刘 鑫,王维蕊,任家锐,李建设

(宁波大学 体育学院,浙江 宁波 315211)

0 前 言

人的足弓是由跗骨、跖骨和周围韧带、肌腱和肌肉组成的弹性收缩性凸面结构[1]。其内在和外在肌肉组成的主动弹性系统在维持足部稳定和足部运动起着重要作用,并通过小关节间的协同作用实现下肢与地面之间动力的有效传递[2]。在步态支撑期,足弓发生形变(拉长与压缩)从而将运动冲击载荷作为弹性势能进行吸收;而在支撑末期,足部通过辘轳机制调节足弓刚度,足底筋膜的被动回弹对提高步态效率产生了积极作用。刚度较大的足部结构可使踝关节跖屈肌产生巨大推进力,提高人体的运动表现[3]。张燊等研究总结,足部的形态与功能都离不开足部肌肉的贡献[4]。Deminic James Farris等研究了行走蹬伸阶段的足部功能,发现维持足部张力涉及跖屈肌和足部固有肌肉主动竞争[5]。Tyler J.Kirby等在进行不同下蹲深度的逆向运动跳跃和静态跳跃实验中发现相对净垂直冲力决定了跳跃高度[6]。可见,足弓的结构类型和其肌肉之间的收缩能力是影响足部运动表现的主要因素。

纵跳主要反映人体下肢爆发力,常被用于评价下肢爆发力,其肌肉收缩类型属于超等长收缩,是人进行跳跃活动的基础之一。在以往的研究中,郑永华等发现足部肌肉和大小腿围与纵跳能力有显著相关性[7]。王明波在下肢加压训练效果的研究中,将单腿纵跳高度作为下肢爆发力的测试指标[8]。吴国栋把纵跳能力应用于拳击项目的训练中,同时表示纵跳是一种强化性测试,能提高神经-肌肉的协调性,可作为反映下肢爆发力的重要指标[9]。在跳高运动中,运动员通常以单腿起跳完成跳跃动作,因此单腿纵跳能力是运动员在比赛中取得优异成绩必备的运动素质。

综上所述,纵跳能力与肌肉爆发力以及神经-肌肉的协调性相关,现有关足弓刚度对纵跳能力影响的论述较少,在此进一步探讨其影响关系。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

招募15名男性二级跳高运动员,基本信息为:年龄(22.2±0.5)岁,身高(174.0±3.3)cm,体重(67.3±1.6)kg,跳高成绩(186.2±1.5)cm,BMI(21.7±2.4)kg/m2(表1)。

1.2 足部型态建模

采用Easy-Foot-Scan (Ortho Baltic,Kaunas, Lithuania)对受试者足部形态进行红外光学扫描,分辨率为1.0mm,平滑度为30mm,孔洞填充为100mm[10,11]。所有受试者分别在站姿和坐姿状态下完成脚部扫描,并保持两腿分开,与肩同宽[1,12],选取受试者优势脚进行测量。(图1)足弓高度系数(Arch Height Index,AHI)的测量方法为:用脚背点到表面的垂直距离(脚背高度)除以第一跖骨关节突起到[小腿骨最后方距离(脚球长度)]足跟最远端的距离(截断长度)[13,14],根据足部形态扫描得到的足部图像,用AutoCAD软件计算足部结构变量。AHI≥0.356确定为高弓足,AHI≤0.275确定为扁平足。足弓刚度系数(Arch Stiffness Index,ASI)的计算方法为:ASI=0.4×体重/[(AHI(坐姿)-AHI(站姿)],研究表明,数值1 524为ASI中位数[1]。因此,基于上述标准,本次研究的参与者被分为两组:高刚度足弓组(Stiff Arch,ASI>1 524)和低刚度足弓组(Flexible Arch,ASI<1 524)。根据ASI测量结果将受试者分为:高刚度足弓组(n=8)和低刚度足弓组(n=7),受试者实验前24h未做过剧烈运动且精神状态良好,下肢半年内无明显伤病并均在预实验中掌握纵跳动作,知晓实验目的和流程,签署实验同意书。

图1 Easy-Foot-Scan红外光学扫描图

1.3 动态单腿纵跳测量

受试者根据要求进行单腿纵跳实验,采用红外运动捕捉系统(Vicon Motion System Ltd.,Oxford,UK,200Hz)和测力台(AMTI,Watertown,MA,United States,1000HZ)采集受试者单腿纵跳动作的下肢运动学和动力学数据。正式实验开始前,受试者知悉并同意实验流程,随后进行5min慢跑热身及熟悉动作要求。具体单腿纵跳动作要求如下:①双手叉腰(避免手臂摆动影响运动效果);②右下肢支撑,左下肢屈膝于体侧;③身体快速下蹲,膝关节自然屈曲;④支撑脚全力迅速向前下方蹬伸,快速向上起跳,摆动腿顺势摆。两次起跳之间有充足休息时间,每位受试者3次有效数据,导出Vicon Nexus软件创建的C3D格式文件,使用 Visual 3D软件(C-Motion Inc., Germantown, MD, USA)计算髋关节、膝关节、踝关节在三维运动面内的关节运动学和动力学变量。基于Vicon三维运动捕捉系统采集的运动学参数对髋、膝、踝在矢状面、冠状面和水平面内的的三维运动进行定义。并在Visual3D软件中采用逆向运动学算法计算下肢三个关节的运动角度。(图2)

图2 红外运动捕捉系统和测力台

1.4 统计分析

统计结果使用Microsoft Excel 2000和SPSS 19.0软件(SPSS Inc.,Chicago, IL,USA)进行数据处理和分析。实验数据均用平均值±标准差(M±SD)的形式表示,应用Shapiro-Wilks检验来检查正态分布。采用独立样本t检验对右下肢的运动学、动力学相关数据进行比较分析,P值小于0.05为具有显著性差异。

表1 不同组别受试者的人体测量基本信息

2 研究结果

2.1 足弓刚度与vGRF的线性回归方程

对足弓刚度(ASI)与垂直地面反作用力(vGRF)进行正态性检验,简单线性回归仅要求回归残差接近于正态分布,本研究的线性回归方程可以概括为vGRF=0.00065ASI+0.909其中,0.00065是斜率,0.909是截距。SPSS对回归截距和斜率的输出结果如表2

表2 ASI和vGRF线性回归结果

2.2 运动学结果

单腿纵跳起跳阶段下肢踝关节所达到的关节伸展程度指标及独立样本t检验结果如表3,图3,4,5所示,研究结果表明,在单腿纵跳运动中,起跳离地时刻高刚度足弓组在关节活动度(45.85°±6.91°VS 55.28°±7.16°)和峰值vGRF时刻踝屈角(21.24°±4.4°VS 24.43°±3.6°)与低刚度足弓组有显著性差异(P<0.05),而在最大角速度上两组没有显著差异(P>0.05);下肢膝关节所达到的关节伸展程度指标及独立样本t检验结果如表3,图3,4,6所示,研究结果表明,在单腿纵跳运动中,起跳离地时刻高刚度足弓组在关节活动度(102.99°±9.67°VS 118.45°±20.16°),峰值vGRF时刻膝屈角(53.14°±8.75° VS 56.63°±6.02°)与低刚度足弓组有显著性差异(P<0.05),而在最大角速度上两组没有显著差异(P>0.05);下肢髋关节所达到的关节伸展程度指标及独立样本t检验结果如表2,图3,4,7所示,研究结果表明,在单腿纵跳运动中,起跳离地时刻较高刚度足弓组在关节活动度(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时刻髋屈角(32.34°±8.63°VS 28.13°±10.32°)与低刚度足弓组有显著性差异(P<0.05),而在最大角速度上两组没有显著差异(P>0.05)。

图3 各关节活动度图4 各关节峰值vGRF时刻屈角

表3 不同刚度足弓矢状面髋、膝、踝三关节运动学参数

图5 踝关节屈/伸角度

表4 单腿纵跳中高刚度足弓和低刚度足弓矢状面髋、膝、踝三关节动力学比较

2.3 动力学结果

2.3.1 单腿纵跳中高刚度足弓和低刚度足弓矢状面髋、膝、踝三关节动力学比较。单腿纵跳的髋膝踝三关节动力学数据及独立样本t检验分析统计结果如表4,图8所示,结果显示:在单腿纵跳过程中,高刚度足弓受试者和低刚度足弓受试者的髋关节垂直峰值力矩分别为(3.25Nm/kg±0.97Nm/kg VS 2.12Nm/kg±0.76Nm/kg,P<0.05),膝关节垂直峰值力矩分别为(4.39Nm/kg±1.27Nm/kg VS 3.24Nm/kg±0.93Nm/kg,P<0.05),踝关节垂直峰值力矩分别为(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)以及冲击加载率(15.2BW/s±1.8BW/s VS 12.3BW/s±0.9BW/s,P<0.05)。

图8 各关节起跳峰值力矩

3 分析与讨论

3.1 足弓刚度系数与垂直地面反作用力的相关性分析

通过比较人体站姿和坐姿之间的足弓高度差,可以有效反映足弓的动态负荷适应性,被认为是足弓刚度的一个通常评价指标[15]。佟泽昊等研究得出,在最大深蹲重量与自身体重比值相等条件下进行纵跳,正常足因足部接触面积比扁平足小,压强更大,可获得更好发力效果,纵跳能力优于扁平足[16]。本研究足弓刚度是根据同一受试者在站姿与坐姿下足弓高度差大小进行评价,刚度较大的足弓在站姿状态下足弓塌陷程度较小,与地面的接触面积较小,由ASI、AHI定义式可知ASI指数是随站姿弓高增加而增加,这与前人在关于正常足比扁平足的纵跳过程中有更好发力效果的结论是一致的。经过标准化的垂直地面反作用力可以反应纵跳能力[17,18],与足弓刚度大小呈高度相关性。

3.2 起跳时期各关节的运动学分析

在起跳过程中,足弓可以起到刚性杠杆的力量传导作用,又可以通过拱形结构完成弹性势能的累积[19]。足弓的高度可以发生一定的下降以此达到缓冲的目的,从而减少对踝、跖骨应力过大而形成的损伤[20]。在进行刚性杠杆作用时,仅凭足底筋膜的参与无法完成跳跃的转化,还需要足部的结构发生一定的改变来完成足部对地面的蹬离,高刚度系数的足弓在一定程度上通过足部发生趾屈、背屈变化的来增加对足底肌肉牵拉的需求要少于低刚度系数的足弓,同理在峰值vGRF时刻踝屈角变化的需求也较小[14]。在经由踝关节代偿后,两组的起跳膝屈角、起跳髋屈角差异并不显著。在单腿纵跳运动过程中,屈曲缓冲阶段人体向下加速,当屈曲缓冲到身体重心最低点时,人体稍作静止,随后人体向上做加速运动,下肢关节的关节角速度在这一阶段出现最大值。结果显示在单腿纵跳运动过程中,高刚度足弓组和低刚度足弓组的髋关节最大角速度具有显著性差异,其它关节最大角速度指标均没有统计学差异。这说明在单腿纵跳的运动学表现上,各个关节较为相似,而在髋关节的运动学指标表明,高刚度足弓组在起跳过程中上半身抬起较大。井香兰研究指出,纵跳高度决定因素为起跳时伸髋、伸膝、跖屈速度,在向心收缩阶段,髋关节伸展角速度逐渐增大,直至离地前降低[21]。结合髋关节的其他角度指标发现,高刚度足弓组在髋关节的运动上与低刚度足弓组具有一定的差异,高刚度足弓组具有较大的角速度。李崇华研究得出,髋伸展的角速度与SJ(由半蹲开始做垂直跳)、CMJ(直立下蹲原地垂直跳)和跳远重心腾起速度呈高度相关结论,表明了在下肢爆发力中髋关节的运动起主要作用[22]。相对低刚度足弓组,高刚度足弓组在起跳时髋关节角速度较大,这表明其离地重心腾起速度也较大,跳跃高度相对更高,这和前人研究显示一致。而高刚度足弓组起跳时髋关节角速度较大原因,本研究认为是高刚度足弓足底较大压强差作用足髋部肌肉产生于更大爆发力而致。也有研究表明[23,24],对于不同的受试者而言,最佳的关节起跳角度是不同的,本文中高刚度足弓组其髋关节的角度对于受试者来说可能有助于起跳高度的获得。在起跳过程中,正是通过踝膝髋的力量传导顺序形成动力链增加跳跃高度。

3.3 起跳时期各关节的动力学分析

下肢作为一个多环节系统,髋关节、膝关节和踝关节的运动与人体内部动力链相互联系[25]。本研究发现足弓刚度差异对近端关节(如髋关节和膝关节)的运动补偿显著影响。 线性回归方程vGRF是ASI正比例函数,表现ASI1组因足弓刚度高比ASI2组有更大下肢爆发力,体现力学上合理性。也有研究指出,根据人体力学规律,髋关节向上位移,对应的肌肉要产生一个大小相等方向相反的力,这个力的反作用是使地面向上推动自身,髋关节作用是使人体重心产生更向上运动的趋势[26]。从运动生物力学解释纵跳推离或起跳阶段:由于提供蹬伸地面反作用力的张力动力源踝关节跖屈肌、拇指外展肌和拇指屈肌激活,可兴奋运动单位募集,这时与较低刚度足弓相比,高刚度足弓压强较大,因压强特性这将同加载作用在垂直于被募集运动单位张力方向的横截面S运动单位上,形成由AHI贡献同向的垂直地面反作用力ΔGRF足弓=(P自重/S高刚度足-P自重/S低刚度足)×S运动单位[18],而与AH、FDB主动肌肉张力提供垂直地面反作用力汇合组成向上正向合推力[27]。由动力学得其克服自重,产生高于原先垂直地面反作用力的动力加速度,获得比低刚度足弓在同等条件下更大纵跳高度。有研究发现足弓高度与足弓刚度之间存在显著相关性,较低的足弓对应较低刚度系数的足弓(反之同理)[15]。虽然本研究所测得足弓中不包含过度低足弓,但有研究发现,过度的低足弓也会导致下肢肌力的下降[28]。高足弓可压缩量大,足部蓄能有如弹簧般特性,弹性势能与足弓压缩形变高度改变量呈正相关,高弓足在起跳前通过压缩足弓所储存的弹性势能较大,这使得离地瞬间足底绞盘效应[5,29]进一步释放弹性势能转化为蹬离地面的动能,获得更好的纵跳运动表现。

关节峰值力矩反映下肢关节调控能力的差异,与低刚度足弓相比,高刚度足弓组在踝、膝、髋关节峰值力矩均与低刚度足弓组有显著性差异,这表明高刚度足弓运动员有更大的下肢关节刚度。在接近个人能力阈值条件下,神经肌肉回馈系统可作进一步调整,以产生更大爆发力实现有效蹬离;而低刚度足弓组的爆发力、力量和协调性只能作适应性增加,体现了神经-肌肉系统调配下肢的能力和足弓刚度大小相关。Kota等通过增加鞋内碳纤维板调节脚/鞋复合体刚度效果得出,在脚部增加刚度明显增加比目鱼肌的激活和输出;也改变了站立位压力中心传播,导致踝部跖屈肌齿轮比增加[30],增大了踝关节的缓冲力矩,使得起跳效果更好。在讨论起跳时,郑亦华把起跳动作有条件地分为下蹲阶段、下蹲结束阶段和起跳阶段。如果下蹲速度愈大,而身体下蹲结束时制动速度愈明显,那么支撑反作用力将愈大,这与理论解释相一致[24]。

4 结论与建议

4.1 结论

4.1.1 足弓刚度与纵跳地面反作用力峰值间存在显著正向线性关系,高刚度足弓受试者在纵跳能力方面优于低刚度足弓运动员,其冲击加载率会在一定程度变大而踝膝关节的曲角减小。

4.1.2 起跳时髋关节最大角速度与足弓刚度大小呈显著相关性,其较高的足底反作用力通过踝膝传递至髋部而产生更大离地初速度和伸髋角速度,可为纵跳动力链力学分析提供参考。

4.2 建议

4.2.1 在跳跃类项目我们应该关注运动员足底肌肉力量训练,同时运动员选材也应选择足弓刚度较高者。在描述跳跃过程中的足部及其生物力学特征时,使用静态足部分类值得纳入考量。

4.2.2 在运动鞋垫的选择中,低刚度足弓运动员可以选择在鞋垫上内嵌碳板增加硬度,使足弓有更好的支撑,变相提升足弓刚度(应该对高低足弓提出不一样的建议)。