成萬(wàn)祥,魏書濤,張勝年

(上海體育學(xué)院體育教育訓(xùn)練學(xué)院,上海 200438)

人體不同高度下落地面沖擊力及下肢關(guān)節(jié)肌力矩變化特征研究

成萬(wàn)祥,魏書濤,張勝年

(上海體育學(xué)院體育教育訓(xùn)練學(xué)院,上海 200438)

研究不同高度落地時(shí)地面沖擊力及關(guān)節(jié)肌力矩的變化。結(jié)果表明:踝、膝、髖關(guān)節(jié)處的關(guān)節(jié)肌力矩第一波峰峰值隨落地高度的增加而增大,踝、膝、髖關(guān)節(jié)處的關(guān)節(jié)肌力矩第一波峰出現(xiàn)時(shí)間隨落地高度升高而減小,第二波峰隨落地高度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì),在 50cm時(shí)出現(xiàn)的時(shí)間最長(zhǎng);踝、膝、關(guān)節(jié)肌力矩第一波峰峰值與垂直落地高度呈顯著相關(guān)。根據(jù)地面反作用力峰值可以較為準(zhǔn)確的推斷出關(guān)節(jié)肌力矩的峰值變化。

垂直落地,緩沖,GRF,關(guān)節(jié)肌力矩

1 前言

緩沖是人體下肢的基本運(yùn)動(dòng)形式,也是人體的最基本的運(yùn)動(dòng)技能之一;在競(jìng)技運(yùn)動(dòng)中,緩沖機(jī)能更是影響運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)、運(yùn)動(dòng)傷害發(fā)生的重要因素[1-5]。當(dāng)今醫(yī)學(xué)工程中,人工假肢制造,病傷后康復(fù),人體運(yùn)動(dòng)計(jì)算機(jī)仿真等都涉及到了對(duì)人體下肢緩沖動(dòng)作的研究。目前國(guó)內(nèi)、外對(duì)緩沖動(dòng)作的研究大多集中在某個(gè)專項(xiàng)動(dòng)作技術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征與規(guī)律的探討[6-10],而從人體機(jī)能學(xué)角度研究人體落地緩沖地面的沖擊性及其對(duì)關(guān)節(jié)肌力矩的影響等方面尚待深入。本文以人體在不同高度垂直落地時(shí)的緩沖過(guò)程為研究?jī)?nèi)容,探討人體下肢在落地過(guò)程中的地面沖擊力及關(guān)節(jié)肌力矩變化特征,為認(rèn)識(shí)人體緩沖過(guò)程中下肢運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特征提供實(shí)驗(yàn)依據(jù);同時(shí)為人體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)仿真、構(gòu)建人體下肢的緩沖模型提供參考。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

選取上海體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練專業(yè)無(wú)運(yùn)動(dòng)損傷史的本科生 23名,運(yùn)動(dòng)員級(jí)別為二級(jí)或二級(jí)以上,受試者基本情況如下(表 1)。

表1 受試者基本情況

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

運(yùn)用英國(guó)生產(chǎn)V ICON紅外線自動(dòng)示蹤影像采集系統(tǒng)捕捉運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù),采樣頻率為 300Hz。依據(jù)人體解剖標(biāo)志及系統(tǒng)三維重構(gòu)的基本要求分別將 20個(gè)直徑為14mm Marker球準(zhǔn)確置放于人體各環(huán)節(jié)的標(biāo)志點(diǎn)上。地面沖擊力使用 KISTLER三維測(cè)力臺(tái)采集,測(cè)力臺(tái)面積900×600mm2,采樣頻率為900HZ,經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器與Vicon紅外自動(dòng)示蹤影像采集系統(tǒng)同步采集數(shù)據(jù)。自主設(shè)計(jì)、制作的翻板架。翻板架的翻板最低高度為 30cm,最大高度為 65cm,共有 8檔不同高度,最小檔間距為5cm。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

測(cè)量受試者身高、體重,并記錄有關(guān)訓(xùn)練的基本情況。受試者充分熱身活動(dòng)后,實(shí)驗(yàn)人員講解測(cè)試動(dòng)作的基本要求,并做示范動(dòng)作。受試者立于翻板架的翻板平臺(tái)上,翻板人工控制突然翻轉(zhuǎn),使受試者垂直落于測(cè)力平臺(tái)上,Vicon紅外采集系統(tǒng)捕捉人體下落與地面沖擊的動(dòng)作過(guò)程,測(cè)力平臺(tái)測(cè)量沖擊力變化及壓心變化。受試者依次從不同高度上落地,分別為 30、35、40、45、50、55、60、65cm,共進(jìn)行 8個(gè)高度的測(cè)試;每一高度重復(fù)測(cè)量三次,取最優(yōu)一次動(dòng)作用于數(shù)據(jù)處理。

2.4 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)運(yùn)用 V ISUAL3D軟件 (版本為 Visual3D Version 3.34.0),SBCAS2軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,依據(jù)逆向動(dòng)力學(xué)原理與基本算法計(jì)算關(guān)節(jié)肌力矩,運(yùn)用 SPSS13.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 人體落地時(shí)地面沖擊反力的基本特征

測(cè)試結(jié)果表明,人體非自主性落地地面沖擊力波形主要有四種:一是形似“山”字狀的 3峰波 (圖 1-A);二是雙峰波 (圖 1-B)。第三種只有第二波峰的地面反作用力圖(如圖1-C),第四種是只有第二波峰和第三波峰(如圖 1-D)。據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,“山”字狀的 3峰波出現(xiàn)頻度最高,在共計(jì) 552次測(cè)試中約占63.6%,雙峰波形出現(xiàn)的幾率占總實(shí)驗(yàn)動(dòng)作次數(shù)的20.1%。3-1A型多出現(xiàn)在 40cm-65cm下落高度,表明隨下落高度增加,人體會(huì)調(diào)整緩沖過(guò)程,巨大的沖擊能量在緩沖過(guò)程被多結(jié)構(gòu)所吸收。

圖1 人體垂直下落地面沖擊力特征

3.2 不同下落高度的地面沖擊反力特征

沖擊地面反作用力的波形主要表現(xiàn)為“三峰波”和“雙峰波”特征(見(jiàn)圖 1A、B,幾率是 83.7%)。因此本文主要對(duì)下落的高度因素對(duì)地面沖擊反力第一波峰和第二波峰的影響進(jìn)行分析。

3.2.1 人體不同高度下落地面沖擊反力波峰的時(shí)序特性

以開(kāi)始觸地瞬間為時(shí)間原點(diǎn),分別求出 8個(gè)高度下地面沖擊的第一波峰、第二波峰出現(xiàn)的時(shí)間和總的緩沖時(shí)間(從觸地瞬間至重心位置最低時(shí)刻)的平均時(shí)間。如圖 2可得,第一波峰和第二波峰出現(xiàn)時(shí)間的整體趨勢(shì)先略微增加,然后再減小?？偟木彌_時(shí)間整體的變化趨勢(shì)為增大,與垂直落地的高度的變化趨勢(shì)一致。所有高度第一波峰第二波峰出現(xiàn)平均時(shí)間與總緩沖時(shí)間見(jiàn)表2。

表2 地面反力一、二波峰與總緩沖時(shí)間

本研究中將地面反作用力第一波峰、第二波峰以及總緩沖時(shí)間與垂直落地高度的變化進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果表明:地面沖擊力出現(xiàn)第一、二波峰的平均時(shí)間與垂直落地的高度變化之間不存在相關(guān)性 (P>0.05),沖擊時(shí)間較穩(wěn)定,這主要是因?yàn)榈谝?、二沖擊波時(shí)序性取決于足的幾何結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能 (足底剛度)。落地緩沖總時(shí)間與落地高度的變化呈現(xiàn)高度的正線性相關(guān)性(P<0.05),這是由于總緩沖時(shí)間主要受關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與肌肉控制有關(guān)。

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)化地面反作用力峰值變化趨勢(shì)

標(biāo)準(zhǔn)化地面沖擊力第一波峰和第二波峰峰值隨落地高度的增高而逐漸增大,如表 3、圖 3。

表 3 標(biāo)準(zhǔn)化地面反力第一、二波峰峰值表(力/體重)

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的第一、二波峰力值與下落高度進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果表明,地面沖擊力的第一波峰與垂直落地的高度呈現(xiàn)高度的正線性相關(guān) (P<0.01);而第二波峰力值與落地高度的關(guān)聯(lián)度低于第一波峰的關(guān)聯(lián)度(P<0.05)。

3.3 踝、膝、髖關(guān)節(jié)處肌力矩

3.3.1 踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩波峰出現(xiàn)時(shí)間

以觸地瞬間為時(shí)間的原點(diǎn),在不同高度垂直落地時(shí),下肢三關(guān)節(jié)肌力矩波峰出現(xiàn)的平均時(shí)間見(jiàn)表 4。

表4 下肢關(guān)節(jié)肌力矩波峰出現(xiàn)時(shí)間

踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩出現(xiàn)第一波峰的時(shí)間與垂直落地高度之間的關(guān)系如圖 4所示。隨著垂直落地高度的升高,三關(guān)節(jié)的肌力矩第一波峰出現(xiàn)的時(shí)間呈遞減趨勢(shì),并且踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩出現(xiàn)的時(shí)間依次延長(zhǎng)。

踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩出現(xiàn)第二波峰的時(shí)間與垂直落地高度之間的關(guān)系如圖 5所示。隨著垂直落地高度的升高,三個(gè)關(guān)節(jié)的肌力矩第二波峰出現(xiàn)的時(shí)間呈先遞增后減小的趨勢(shì),并且踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩出現(xiàn)的時(shí)間依次延長(zhǎng)。其中膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)處關(guān)節(jié)肌力矩出現(xiàn)時(shí)間十分接近。下肢關(guān)節(jié)肌力矩的第二波峰出現(xiàn)的時(shí)間在 55cm處出現(xiàn)的時(shí)間最晚,出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)樵谛∮?55cm的高度時(shí),地面反作用力的沖擊能被人體較好的緩沖,而在超過(guò) 55cm時(shí),人體的對(duì)地面的沖擊力的吸收需要人體加快肌肉的收縮,防止人體的過(guò)度緩沖,而導(dǎo)致關(guān)節(jié)肌力矩第二波峰出現(xiàn)的時(shí)間提前。

踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩第一波峰峰值與垂直落地的高度進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩第一波峰出現(xiàn)時(shí)間與垂直落地高度存在高度的負(fù)線性相關(guān)(P<0.01)。地面沖擊力的第一波峰峰值與落地高度存在高度的正線性相關(guān),表明隨著地面反作用力的第一波峰峰值的增加,下肢關(guān)節(jié)的肌力矩第一波峰出現(xiàn)的時(shí)間提前。對(duì)踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩第二波峰值出現(xiàn)的時(shí)間與垂直落地的高度進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果表明二者關(guān)聯(lián)度較低(P>0.05)。

3.3.2 踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩峰值變化

踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩第一、二波峰峰值在不同垂直高落地變化情況如圖 6、圖 7。踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩的第一波峰力值隨垂直落地高度的變化呈遞增趨勢(shì)。以髖關(guān)節(jié)肌力矩曲線的斜率為最大,表明隨著垂直落地高度的增加,大腿部肌群與腰部肌群對(duì)控制人體姿勢(shì),提高人體緩沖能力的作用也越來(lái)越大。由圖 7可得踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩的第二波峰峰值隨垂直落地高度的變化呈遞增趨勢(shì)。踝關(guān)節(jié)肌力矩的變化趨勢(shì)不明顯,而且數(shù)值變化不大。其值見(jiàn)表 5、6。其原因可能是因?yàn)樵诘诙ǚ宄霈F(xiàn)時(shí),地面反作用力的作用點(diǎn)已經(jīng)由腳前掌過(guò)渡到腳后部,因此地面反作用力在踝關(guān)節(jié)處產(chǎn)生的外力矩減小,踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)肌力矩減小。而膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì) (負(fù)值為伸膝、髖肌力矩),這是由于在膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩出現(xiàn)第二波峰時(shí),膝、髖關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)位置前移,角度減小,力臂增大所致。此時(shí),為了抵抗人體的下降趨勢(shì)與保持人體的姿勢(shì),膝、髖關(guān)節(jié)的伸肌做離心收縮,產(chǎn)生較大的膝、髖關(guān)節(jié)伸肌力矩。

表 5 踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩第一波峰力值

表 6 踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩第二波峰力值

對(duì)踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩在不同垂直落地高度落地緩沖產(chǎn)生的第一、二峰值進(jìn)行獨(dú)立樣本 T檢驗(yàn),結(jié)果表明不同高度垂直落地時(shí)踝、膝、髖關(guān)節(jié)處的關(guān)節(jié)肌力矩的第一波峰峰值兩兩間存在顯著差異 (T<0.05),踝與髖關(guān)節(jié)處存在極顯著差異 (T<0.001)。不同高度垂直落地時(shí)踝、膝、髖關(guān)節(jié)處的關(guān)節(jié)肌力矩第二波峰峰值兩兩間均存在極顯著差異(T<0.001)

對(duì)踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩第一峰的峰值與不同垂直落地高度進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果表明踝、膝、髖關(guān)節(jié)處肌力矩的第一波峰峰值與垂直落地高度均存在顯著相關(guān)(P<0.001)。但是踝、膝、髖關(guān)節(jié)處的肌力矩的第二峰峰值與落地高度不存在相關(guān)性。

綜上所述,由地面反作用力第一、二波峰峰值與落地高度存在顯著相關(guān)性,而踝、膝、髖關(guān)節(jié)處的肌力矩第一峰峰值與出現(xiàn)的時(shí)間與落地高度存在顯著相關(guān),但是關(guān)節(jié)肌力矩的第二峰峰值與出現(xiàn)的時(shí)間卻與落地高度不存在相關(guān)性。因此我們可以推斷,人體對(duì)地面反作用力第一波峰的沖擊反應(yīng)是被動(dòng)的,人體的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)未能對(duì)地面沖擊力做出響應(yīng),此時(shí)人體的被動(dòng)緩沖功能發(fā)揮主要作用。由地面反作用力的第二峰峰值與落地高度存在顯著相關(guān),而下肢關(guān)節(jié)肌力矩的第二峰峰值及出現(xiàn)的時(shí)間卻與落地高度不存在相關(guān)性,這表明此時(shí)人體的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)已經(jīng)被激活,產(chǎn)生肌肉活動(dòng),通過(guò)關(guān)節(jié)肌力矩來(lái)調(diào)整下肢三環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)模式,緩沖地面反作用力沖擊,此時(shí)人體的主動(dòng)緩沖功能在起作用,因此關(guān)節(jié)肌力矩的第二峰峰值及出現(xiàn)時(shí)間均與落地高度無(wú)相關(guān)性。

踝、膝、髖關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)肌力矩第一、二波峰峰值的T檢驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明,踝關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)肌力矩第一峰值不存在顯著差異,說(shuō)明在被動(dòng)緩沖過(guò)程中,踝、膝關(guān)節(jié)對(duì)人體被動(dòng)緩沖能力的貢獻(xiàn)是近似的。而踝、膝、髖關(guān)節(jié)肌力矩的第二峰值均存在顯著差異,說(shuō)明在不同高度垂直落地時(shí),人體主動(dòng)緩沖過(guò)程中,踝、膝、髖關(guān)節(jié)對(duì)人體緩沖能力的貢獻(xiàn)不一樣,髖關(guān)節(jié)貢獻(xiàn)度最大,踝關(guān)節(jié)貢獻(xiàn)度最小。伴隨垂直落地高度的增加,髖關(guān)節(jié)在緩沖中的作用越來(lái)越大。

4 總結(jié)

垂直落地過(guò)程中,地面反作用力的形態(tài)主要為“山”形。第一、二波峰峰值與落地高度呈現(xiàn)顯著相關(guān)。踝、膝、髖關(guān)節(jié)處的關(guān)節(jié)肌力矩第一波峰峰值及出現(xiàn)時(shí)間與落地高度呈現(xiàn)顯著相關(guān),但第二波峰峰值及出現(xiàn)時(shí)間與落地高度均無(wú)相關(guān)性。垂直落地緩沖過(guò)程中,首先為被動(dòng)緩沖,其后為主動(dòng)緩沖。

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Changing Character of the Ground Reaction Force and Joint Torque of Lower L imbsDuring Landing from D ifferent Height

Cheng W an-xiang et al
(Physical Education Department,Shanghai SportUniversity,Shanghai 200438)

This paper researches the change of the ground reaction forces and joint torque of lower l imbs during landing from different height.Research findings are as follows:The peak value of the first peak for the joint torque of lower limbs increaseswith the increase in the landing height,while the emergence time of the peak value of the first peak decreaseswith the increase in the landing height;the second peak displays the trend of first increase followed by decrease with the increase in the landing height,with the max imal emergence time at 50cm;the peak value of the first peak for the joint torque of lower limbs is obviously correlated to the landing height,which means the peak value change of the joint torque can be deduced from the peak value of the ground reaction force.

landing,cushion,GRF,joint torque

G804.6

A

1001—9154(2010)03—0064—05

book=64,ebook=28

G804.6

A

1001—9154(2010)03—0064—05

上海市教委第五期重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目資助,編號(hào) J51001。

成萬(wàn)祥 (1952-),男,上海市人,教授,博士。

2009—12—05