基于三維運(yùn)動(dòng)捕捉的籃球護(hù)膝防護(hù)性能研究

劉青青 閻玉秀

摘?要：在籃球運(yùn)動(dòng)中，需要完成大量高速度和強(qiáng)對(duì)抗性的籃球技術(shù)動(dòng)作，其中急停跳投與爭(zhēng)搶籃板球特別容易引起膝關(guān)節(jié)的損傷。本文運(yùn)用三維動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)捕捉這兩個(gè)技術(shù)動(dòng)作，探討在無護(hù)膝防護(hù)和兩種護(hù)膝防護(hù)狀態(tài)下，膝關(guān)節(jié)屈曲角，外旋角與外展角的變化，并對(duì)不同狀態(tài)下的膝關(guān)節(jié)最大屈曲角，最大外旋角和最大外展角進(jìn)行單因素方差分析。結(jié)果得出在急停跳投和爭(zhēng)搶籃板球動(dòng)作下，兩種護(hù)膝裝置對(duì)膝關(guān)節(jié)屈曲和外旋均有防護(hù)效果，其中半剛性護(hù)膝對(duì)膝關(guān)節(jié)外展有一定的防護(hù)作用。

關(guān)鍵詞：籃球運(yùn)動(dòng)損傷;護(hù)膝;三維運(yùn)動(dòng)捕捉;防護(hù)性能

中圖分類號(hào)：TS941.17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2019）02-0053-06

Abstract：In basketball game， it need to complete a large number of high-speed and strong confrontational basketball technology actions， of which stop-jump shots and rebound fighting are especially easy to cause knee injuries. 3D Dynamic Capture System was used in this paper to capture the two movements in order to investigate the change of knee flexion angle， external rotation angle and abduction angle without protection and under the protection of two kinds of kneepads. Finally， one-way ANOVA method was adopted to analyze the protective effect on the peak knee flexion angle， peak knee abduction angle and peak knee abduction angle under different conditions. The results showed that the two kinds of kneecaps had protective effects on knee flexion and external rotation， where the semi-rigid kneecap had certain protective effect on the knee abduction.

Key words：basketball sports injury; kneepads; 3D Dynamic Capture System; protective ability

籃球運(yùn)動(dòng)動(dòng)作激烈，運(yùn)動(dòng)員需要頻繁的使用膝關(guān)節(jié)做急起、急停、變向、轉(zhuǎn)身、跳躍等技術(shù)動(dòng)作，這很容易導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)損傷[1]，徐小敏對(duì)江蘇十余所高?；@球運(yùn)動(dòng)員的調(diào)研顯示，膝關(guān)節(jié)損傷在運(yùn)動(dòng)員中較為普遍，約有88.57%的籃球運(yùn)動(dòng)員都發(fā)生過不同程度的膝關(guān)節(jié)損傷[2]。尤其是做垂直跳起、突然停步轉(zhuǎn)身等動(dòng)作時(shí)，膝關(guān)節(jié)承受到很大的沖擊力，垂直跳起會(huì)使腳在落地時(shí)與地面進(jìn)行劇烈沖擊，然而這些沖擊力會(huì)通過腳緩沖到膝關(guān)節(jié)[3];而突然停步轉(zhuǎn)身會(huì)使膝關(guān)節(jié)發(fā)生強(qiáng)烈扭轉(zhuǎn)而引起損傷。隨著人們自我保護(hù)意識(shí)的提高，逐漸意識(shí)到佩戴護(hù)膝可對(duì)膝關(guān)節(jié)起到一定的固定作用，從而防止膝關(guān)節(jié)的損傷或者減輕膝關(guān)節(jié)的損傷程度。

目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)護(hù)膝的規(guī)定只限定了護(hù)膝材料的安全性能，但是并沒有對(duì)護(hù)膝的防護(hù)性能做出相關(guān)要求，因此造成了市面上的護(hù)膝種類各異，性能也各異[4]。通過本論文的研究可以評(píng)定不同款式的護(hù)膝在籃球運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中的防護(hù)效果，為籃球運(yùn)動(dòng)愛好者以及運(yùn)動(dòng)員購(gòu)買護(hù)膝提供參考。

1?實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

挑選在校男大學(xué)生籃球愛好者8名，年齡（23.25±1.20）歲，身高（176.38±1.87）cm，體重（71.33±2.32）kg，膝圍（37.23±2.03）cm，所有受試者6個(gè)月內(nèi)下肢無損傷史，且能很熟練的完成各種籃球動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)在浙江理工大學(xué)服裝學(xué)院人體科學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.2?實(shí)驗(yàn)材料

主要通過線上電商調(diào)研，選擇了3個(gè)銷售平臺(tái)（淘寶、阿里巴巴和京東），通過搜索了“防護(hù)護(hù)膝”關(guān)鍵詞，基于銷售量、好評(píng)率和銷售信用綜合選擇了40余款不同產(chǎn)品進(jìn)行整理分析。本文的防護(hù)性研究主要從護(hù)膝的穿戴方式進(jìn)行分析，可以將護(hù)膝結(jié)構(gòu)分為彈性套筒穿戴式和開口調(diào)節(jié)式和繃帶纏繞式，市面上這三種占比分布分別為 42%、51%、7%，反映出用戶對(duì)于彈性套筒穿戴式和開口調(diào)節(jié)式這兩種穿戴方式的穿脫習(xí)慣接受度接近。

針對(duì)護(hù)膝類型的選擇對(duì)籃球愛好者進(jìn)行問卷調(diào)查，主要通過網(wǎng)絡(luò)問卷調(diào)查的方式，共收回50份有效問卷，結(jié)果如圖1所示，選擇彈性護(hù)膝和開口式半剛性護(hù)膝的占比較大，分別是81.25%和79.20%。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研和問卷調(diào)查，最終選取某品牌的彈性護(hù)膝和開口式半剛性護(hù)膝來研究其防護(hù)性，護(hù)膝的具體參數(shù)如表1所示。

1.3?實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)主要儀器為美國(guó)Qualisys Track Manager三維動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)，三維動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)配備動(dòng)作捕捉攝相機(jī)9臺(tái)，四百萬像素，有用于動(dòng)作捕捉的反光Marker球和四個(gè)剛體，其中剛體由4個(gè)Marker點(diǎn)組成，這樣結(jié)構(gòu)就保證了Marker點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)與剛體的運(yùn)動(dòng)一致，主要用于系統(tǒng)的坐標(biāo)系設(shè)定[5-6]。數(shù)據(jù)分析軟件為三維步態(tài)體態(tài)分析軟件Visual 3D。三維動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)可通過高速攝像頭捕捉標(biāo)記在人體上的Marker點(diǎn)來記錄人體關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過程中的軌跡，再把數(shù)據(jù)導(dǎo)入Visual 3D軟件中進(jìn)行骨骼模型構(gòu)造以及計(jì)算和分析，最后以三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)形式直接輸出到Excle表中。

2?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1?實(shí)驗(yàn)原理

膝關(guān)節(jié)損傷最常見的類型有膝關(guān)節(jié)骨折、交叉韌帶損傷、側(cè)副韌帶損傷以及半月板損傷。前交叉韌帶和內(nèi)側(cè)副韌帶在屈膝最大時(shí)容易發(fā)生撕裂;研究認(rèn)為受地面反作用力和膝關(guān)節(jié)矢狀面運(yùn)動(dòng)慣性的作用，再加上膝關(guān)節(jié)外旋及過度外展，容易導(dǎo)致前交叉韌帶損傷[7];籃球運(yùn)動(dòng)時(shí)，膝關(guān)節(jié)經(jīng)常處于半屈位狀態(tài)，而此時(shí)在軸向負(fù)荷作用下，同時(shí)伴有內(nèi)收或者外展，容易出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)半月板損傷[8]。膝關(guān)節(jié)過度屈曲、外展和外旋是造成膝關(guān)節(jié)損傷的重要原因。護(hù)膝的主要作用是給予膝關(guān)節(jié)一定的固定和支撐，因此研究護(hù)膝是否能有效地減小膝關(guān)節(jié)最大屈曲角、外展角、外旋角來確定護(hù)膝的防護(hù)性能。其中膝關(guān)節(jié)最大屈曲角、外展角、外旋角指的是籃球動(dòng)作中受試者膝關(guān)節(jié)屈曲、外展、外旋至最大時(shí)的角度[9]。

2.2?實(shí)驗(yàn)操作

三維動(dòng)態(tài)捕捉實(shí)驗(yàn)按照防護(hù)狀態(tài)分為3組，然后進(jìn)行不同籃球動(dòng)作的實(shí)驗(yàn)，具體情況如表2所示。

八位受試者統(tǒng)一穿著普通運(yùn)動(dòng)短褲以及籃球運(yùn)動(dòng)鞋，測(cè)試前做好熱身準(zhǔn)備。首先在人體相應(yīng)部位貼上Marker點(diǎn)，如圖2所示，其中四個(gè)剛體分別綁在受試者左右大腿中部外側(cè)，左右小腿中部外側(cè)。表3是各Marker點(diǎn)對(duì)應(yīng)在下肢上的位置介紹。

首先采集受試者靜止?fàn)顟B(tài)下的數(shù)據(jù)，為后期在Visual 3D中構(gòu)建骨骼模型做基礎(chǔ)，讓受試者雙手抱于胸前保持靜止，采集30 s。在靜態(tài)點(diǎn)的基礎(chǔ)上減少左右下肢的FTC、FLE、FME、FAL、TAM這十個(gè)點(diǎn)，受試者先通過抽簽的方式隨機(jī)選擇護(hù)具測(cè)試順序，隨后進(jìn)行急停跳投和搶籃板球的動(dòng)態(tài)測(cè)試。受試者在聽到“開始”口令后做動(dòng)作，動(dòng)作結(jié)束站穩(wěn)后要保持靜止3 s，以防捕捉不到落地時(shí)的三維數(shù)據(jù)。每次動(dòng)作間休息1 min，以避免肌肉疲勞對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，每種測(cè)試條件下每個(gè)動(dòng)作采集3次有效數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)過程中要關(guān)注受試者身上的Marker點(diǎn)，若出現(xiàn)Marker點(diǎn)被遮擋或掉落的情況，都需要重新進(jìn)行測(cè)試。

3?結(jié)果與分析

動(dòng)態(tài)捕捉的數(shù)據(jù)以三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)形式直接輸出到Excle表中，其中數(shù)據(jù)的正負(fù)表示方向，如圖3所示，X軸（前后方向）、Y軸（左右方向）、Z軸（垂直方向）分別代表膝關(guān)節(jié)沿著X軸正方向屈曲、沿著Y軸負(fù)方向外展、沿著Z軸正方向外旋。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算并提取膝關(guān)節(jié)最大屈曲角、最大外展角、最大外旋角。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（x±S）形式表示，采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。采用單因素方差分析比較護(hù)膝裝置防護(hù)間各實(shí)驗(yàn)參數(shù)的差異是否有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，若有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義則繼續(xù)采用多重比較確定顯著性差異發(fā)生在具體哪兩個(gè)水平之間。其中樣本數(shù)據(jù)發(fā)生的概率是由統(tǒng)計(jì)量的觀測(cè)值概率P值間接計(jì)算得到的，顯著性水平α是指統(tǒng)計(jì)量的值落在某個(gè)極端區(qū)域的概率值，一般設(shè)定α=0.05，若概率P值小于顯著性水平（P<0.05），則認(rèn)為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[10]。

3.1?膝關(guān)節(jié)角度變化與分析

根據(jù)三維動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)捕捉的動(dòng)態(tài)影像，把數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)階段的劃分，急停跳投可分為跑步急停（T1）—起跳（T2）—騰空（T3）—落地（T4）四個(gè)階段;爭(zhēng)搶籃板球動(dòng)作分為起跳（T1）—騰空（T2）—落地（T3）三個(gè)階段。

3.1.1?急停跳投動(dòng)作角度變化與分析

急停跳投情況下，三維動(dòng)態(tài)捕捉測(cè)試膝關(guān)節(jié)屈曲角、外展角、外旋角隨時(shí)間變化曲線如圖4-圖6所示。

由圖4所示，膝關(guān)節(jié)屈曲角變化相對(duì)來說比較規(guī)律，在T1、T2、T4階段，膝關(guān)節(jié)屈曲都是先增大后減小，彈性護(hù)膝和半剛性護(hù)膝防護(hù)下的屈曲角小于無護(hù)膝防護(hù)下的屈曲角;在T3階段，屈曲變化比較平穩(wěn)，各種狀態(tài)下的膝關(guān)節(jié)屈曲角相差不大。

由圖5所示，膝關(guān)節(jié)的外旋變化整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，但是可以看出在T1、T2、T4階段，膝關(guān)節(jié)的外旋角有明顯的先增大后減小的過程;在T3階段，膝關(guān)節(jié)的外旋在小范圍內(nèi)波動(dòng);在四個(gè)階段中，彈性護(hù)膝和半剛性護(hù)膝防護(hù)下的外旋角均小于無護(hù)膝防護(hù)下的外旋角。

由圖6所示，膝關(guān)節(jié)的外展角變化不穩(wěn)定，波動(dòng)比較多，但是可以看出在T1、T2階段，膝關(guān)節(jié)的外展角整體出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，出現(xiàn)了兩個(gè)峰值;在T4階段前期，膝關(guān)節(jié)外展先增大后減小，變化幅度較大，后期處于波動(dòng)狀態(tài);在T1、T2、T4階段，無護(hù)膝防護(hù)和彈性護(hù)膝防護(hù)下外展角大小相差不大，半剛性護(hù)膝防護(hù)下的外展角小于無護(hù)膝防護(hù)下的外展角;在T3階段后期，膝關(guān)節(jié)外展逐漸增大，變化幅度大，彈性護(hù)膝和半剛性護(hù)膝防護(hù)下的外展角小于無護(hù)膝防護(hù)下的外展角。

急停跳投動(dòng)作下，在急停、起跳和落地過程中，膝關(guān)節(jié)各個(gè)角度變化幅度比較大。主要原因是：在急停時(shí)，先是腳彎曲，然后小腿、膝蓋、大腿依序用力，膝關(guān)節(jié)屈曲轉(zhuǎn)動(dòng)，身體重心降低而停止[11];在起跳過程中，膝關(guān)節(jié)通過屈曲、外展、外旋來積攢力量用力跳起來達(dá)到運(yùn)動(dòng)效果;在落地過程中，兩膝深屈并旋轉(zhuǎn)用力來緩沖落地帶的沖力。因此在這三個(gè)過程中膝關(guān)節(jié)矢狀面和冠狀面都處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，導(dǎo)致屈曲、外旋、外展的角度變化幅度較大，比較容易造成膝關(guān)節(jié)損傷。由圖4、圖5、圖6所示，在這三個(gè)階段相對(duì)于無護(hù)膝防護(hù)，半剛性護(hù)膝防護(hù)的膝關(guān)節(jié)屈曲角、外展角、外旋角的變化都是明顯減小的。

3.1.2?搶籃板球動(dòng)作角度變化與分析

爭(zhēng)搶籃板球情況下，三維動(dòng)態(tài)捕捉測(cè)試膝關(guān)節(jié)屈曲角、外展角、外旋角隨時(shí)間變化曲線如圖7-圖9所示。

由圖7所示，膝關(guān)節(jié)的屈曲角變化相對(duì)來說比較規(guī)律，T1階段膝關(guān)節(jié)屈曲先增大后減小，此時(shí)彈性護(hù)膝和半剛性護(hù)膝防護(hù)下的屈曲角小于無護(hù)膝防護(hù)下的屈曲角;T2階段時(shí)，屈曲趨于穩(wěn)定狀態(tài)，各個(gè)狀態(tài)下屈曲角相差不大;T3階段，膝關(guān)節(jié)屈曲逐漸增大然后減小，整體來看彈性護(hù)膝和半剛性護(hù)膝的屈曲角小于無護(hù)膝防護(hù)下的屈曲角。

由圖8所示，膝關(guān)節(jié)的外旋變化不穩(wěn)定，在T1和T3階段膝關(guān)節(jié)的外旋角明顯出現(xiàn)先逐漸增加到最大然后減小的趨勢(shì);在T2階段，膝關(guān)節(jié)外旋變化在小范圍內(nèi)波動(dòng);在T1、T2和T3階段，彈性護(hù)膝和半剛性護(hù)膝防護(hù)下的的外旋角均小于無護(hù)膝防護(hù)下的外旋角。

由圖9所示，膝關(guān)節(jié)的外展變化整體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，波動(dòng)較多。在T1、T3階段膝關(guān)節(jié)的外展角均有逐漸增加到最大然后減小的過程，變化幅度比較大。在T2階段后期，膝關(guān)節(jié)外展變化幅度較大;在T1、T2和T3階段，無護(hù)膝防護(hù)和彈性護(hù)膝防護(hù)下外展角大小相差不大，半剛性護(hù)膝防護(hù)下的外展角小于無護(hù)膝防護(hù)下的外展角。

在爭(zhēng)搶籃板球動(dòng)作的起跳和落地過程中，膝關(guān)節(jié)的三個(gè)角度變化幅度都比較大。因?yàn)閾尰@板球需要運(yùn)動(dòng)員看準(zhǔn)來球方向后跳起搶球，在起跳過程中，主要通過膝關(guān)節(jié)的屈曲轉(zhuǎn)動(dòng)來積攢力量，然后用力跳起;搶球后的落地過程中，地面會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的反作用力，需要兩膝深屈并旋轉(zhuǎn)用力來緩沖。在起跳和落地過程中，膝關(guān)節(jié)屈曲伸直和不斷的旋轉(zhuǎn)用力，所以屈曲、外旋、外展的角度變化幅度較大，容易造成膝關(guān)節(jié)的損傷。從圖7、圖8、圖9可以看出，在這兩個(gè)階段相對(duì)于無護(hù)膝防護(hù)，半剛性護(hù)膝防護(hù)的膝關(guān)節(jié)屈曲角、外展角、外旋角的變化都是明顯減小的。

3.2?護(hù)膝對(duì)各角度防護(hù)性能分析

首先將不同籃球動(dòng)作下，無護(hù)膝防護(hù)狀態(tài)下、佩戴彈性護(hù)膝和半剛性護(hù)膝所得到的膝關(guān)節(jié)最大屈曲角、最大外展角和最大外旋角進(jìn)行比較分析，然后進(jìn)行單因素方差分析，確定與無防護(hù)狀態(tài)相比，兩種防護(hù)狀態(tài)下各個(gè)角度的變化是否有顯著性差異，并采用多重比較確定不同護(hù)膝間的各個(gè)角度是否有顯著性差異。結(jié)果如圖10、圖11、表4所示。

由圖10、圖11、表4可以得出以下結(jié)果：

膝關(guān)節(jié)最大屈曲角，無論是急停跳投還是爭(zhēng)搶籃板球，相對(duì)于無護(hù)膝防護(hù)，彈性護(hù)膝和半剛性護(hù)膝防護(hù)下均有明顯的減小，其中半剛性護(hù)膝防護(hù)下的減小非常顯著;半剛性護(hù)膝與彈性護(hù)膝防護(hù)下相比無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

膝關(guān)節(jié)最大外旋角，在急停跳投和爭(zhēng)搶籃板球時(shí)，彈性護(hù)膝和半剛性護(hù)膝防護(hù)下與無護(hù)膝防護(hù)相比均有明顯的減小，其中半剛性護(hù)膝防護(hù)下的減小最為顯著;半剛性護(hù)膝與彈性護(hù)膝防護(hù)下相比明顯減小。

膝關(guān)節(jié)最大外展角，在急停跳投和爭(zhēng)搶籃板球動(dòng)作中，相對(duì)于無護(hù)膝防護(hù)，半剛性護(hù)膝防護(hù)下明顯減小;彈性護(hù)膝防護(hù)下角度減小不顯著;半剛性護(hù)膝與彈性護(hù)膝防護(hù)下相比明顯減小。

4?結(jié)?論

本文通過三維動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)測(cè)量了無護(hù)膝防護(hù)和佩戴兩款不同護(hù)膝狀態(tài)下人體進(jìn)行急停跳投和搶籃板球的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并通過單因素方差分析和多重比較對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

a）在急停跳投和搶籃板球動(dòng)作的起跳和落地階段中，相對(duì)于無護(hù)膝防護(hù)，彈性護(hù)膝和半剛性護(hù)膝防護(hù)下的膝關(guān)節(jié)屈曲角、外展角、外旋角都有所減小，與彈性護(hù)膝防護(hù)相比，半剛性護(hù)膝防護(hù)下各個(gè)角度的減小幅度更為明顯。

b）無論是在急停跳投動(dòng)作還是爭(zhēng)搶籃板球動(dòng)作，相對(duì)于無護(hù)膝防護(hù)，半剛性護(hù)膝均能顯著的減小膝關(guān)節(jié)的最大屈曲角、最大外展角和最大外旋角，具有良好的防護(hù)效果;和無護(hù)膝防護(hù)相比，彈性護(hù)膝不能有效地減小膝關(guān)節(jié)最大外展角;半剛性護(hù)膝對(duì)膝關(guān)節(jié)最大外展角和最大外旋角的減小幅度明顯大于彈性護(hù)膝防護(hù)。

c）綜合考慮，防護(hù)性能較好的護(hù)膝為半剛性護(hù)膝，它可以加強(qiáng)膝關(guān)節(jié)在冠狀面和矢狀面的穩(wěn)定性，因?yàn)樗捎肊VA墊片，有效加強(qiáng)保護(hù)膝蓋，承受髕骨壓力，避免移位，護(hù)膝兩側(cè)有可彎曲的彈簧，能支撐膝關(guān)節(jié)的屈曲，加強(qiáng)膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。

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