女子羽毛球運動員后場擊球后不同場區(qū)單腳落地的生物力學差異
——基于三維加速度計的分析

劉蘭財，梁永杰，2，張英平，車同同，肖 杰

在運動過程中，了解受傷原因是有效預防運動損傷的關鍵。羽毛球是一項全球流行的持拍類運動，雖然足球或籃球等直接身體接觸對抗的項目中經(jīng)常會有前交叉韌帶（ACL）損傷，但在非接觸性的羽毛球運動中前交叉韌帶損傷也很常見[1]。如我國優(yōu)秀運動員李雪芮、王琳、汪鑫，以及西班牙世界冠軍馬琳等女子羽毛球運動員都遭受過非接觸性前交叉韌帶損傷。一項針對男女優(yōu)秀羽毛球運動員的流行病學研究發(fā)現(xiàn)[2]，在比賽中受傷的概率（每1000名運動員）是訓練時的2～5倍，女運動員受傷的概率是男運動員的2～8倍[3-4]。導致非接觸性前交叉韌帶損傷的運動員具有共同的生物力學特征，即最大地面反作用力和落地引起的外部載荷是前交叉韌帶損傷的主要危險因素之一[5-7]。雖然，以神經(jīng)肌肉訓練為重點的損傷預防計劃成功地將ACL損傷率降低了60%[8-9]，但仍有很大的改善空間。最近的一項研究中，使用基于三維模型的圖像匹配技術分析了10個ACL損傷的高質量視頻，觀察到髖關節(jié)緩沖有限是造成損傷的重要原因[10]。另外，有視頻分析也顯示，膝外展、軀干側傾斜和髖外展是ACL 損傷的特征[11-12]。有專家在調查問卷中發(fā)現(xiàn)，在羽毛球比賽中，最常見的ACL損傷往往是在頭頂擊球后單腿落地時發(fā)生的[13]。作者認為，在反手場區(qū)采用正手擊球時，與持拍手相反一側的膝關節(jié)在單腳著地過程中特別容易導致ACL 損傷。然而，關于羽毛球比賽中高速移動及單腳著地對膝關節(jié)ACL損傷的報道很少。

可穿戴的微傳感器是一個易于使用和廉價的工具，可用于監(jiān)測身體活動和負荷量[14]。最近，該裝置被用于評估練習過程中的跳躍頻率和專項動作[15-16]，并應用于評估ACL 損傷的優(yōu)秀運動員的跳躍和著陸姿態(tài)[17-18]?？纱┐魑鞲衅骺赏ㄟ^3 個坐標軸上（XYZ）的傳感器獲得線性加速度值，并能反映地面反作用力。使用三軸加速度計，可以在運動的過程中傳輸加速度值等信息，使其適合于在比賽中分析動作。在羽毛球運動中，使用可穿戴式加速度計有助于識別在實際比賽中造成運動損傷的高風險事件。本研究的目的是比較羽毛球比賽中，正手和反手側場地擊過頂球后單腿落地時軀干加速度及運動學變量的差異，并確定軀干加速度與軀干、髖關節(jié)運動學之間的關系。假設：（1）反手場區(qū)的軀干側彎加速度大于正手場區(qū)的側彎加速度；（2）軀干側彎和髖外展與軀干加速度有較大相關性。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

參與測試的優(yōu)秀女子羽毛球運動員，均受過良好的專項訓練，比賽中能夠使用規(guī)范的擊球動作完成比賽，所有運動員均無膝關節(jié)損傷史。運動員具體信息見表1。

表1 測試運動員基本信息Table1 Athlete Details

1.2 試驗儀器

圖1 方向和角度定義Figure1 Definition of Direction and Angle

1.2.1 Actigraph GT3X 三維加速度傳感器（Manufacturing Technology Inc，MTI） 大小尺寸為3.8 cm×3.7 cm×1.8 cm，加速度測量范圍為±16 g，采樣范圍為1～1000 Hz，加速度計重41 g，將加速度計通過壓縮背心固定于運動員背部（見圖1），在運動過程中測量運動員在上下、前后、左右各個方向上的加速度值，并通過同步傳感器傳輸至電腦。

1.2.2 數(shù)碼攝像機（HDR-CX590V，Sony，Japan） 羽毛球比賽是用2臺數(shù)碼攝像機（HDR-CX590V，Sony，Japan）以60 Hz的頻率錄制的。攝像機位于中線的延長線上，距離端線4 m，距離地面高度為1.3 m的三腳架上，從后面捕捉運動員側向移動的角度（見圖2）。在整個比賽中，記錄運動員的移動。所有視頻均以AVCHD格式和高清（1080i）存儲，通過同步傳感器傳輸至電腦。

圖2 攝像機放置示意圖Figure 2 The Diagram of Camera Palcement

1.3 試驗方法

1.3.1 預試驗 （1）加速度計和攝像機是不同的設備，可能存在不完全同步現(xiàn)象，在試驗過程中，它們可能在采樣時間（平均16 min）內隨時間延長而增大誤差。為了調查這一問題，進行了60 min的測量試驗。在60 min的試驗中，加速度計和視頻設備之間的差距僅為一幀（1/60 s）。也就是說，在單場比賽中，最大采樣間隔為4 ms（平均16 min），因此，這個時間誤差不會影響試驗的同步性問題。

（2）由于試驗過程是在場地上的真實羽毛球比賽，為了不影響運動員的競技水平獲得真實數(shù)據(jù)，要盡可能少的在運動員身上添加試驗器材，只將三維加速度計固定于緊身背心上，通過三維加速度計測量運動員三維移動加速度（見圖1）。通過視頻記錄來測量軀干彎曲和髖關節(jié)外展角度，其中，將第7頸椎中心到第4腰椎中心的連線和垂直于地面的線連接起來測量軀干傾斜角度。髖外展或內收角定義為大腿直線（從膝關節(jié)中心到髖關節(jié)中心的連線）和垂線之間的夾角。軀干和髖關節(jié)的正角度表明，軀干和下肢相對于垂直線進行了橫向偏移（見圖1）。

（3）研究對象是一個現(xiàn)實羽毛球比賽中的個體，雖然使用移動相機或多點相機進行多維拍攝更加準確，但難度也更高。本研究的目標是，對運動員單腳落地瞬間的姿態(tài)進行分析比較，因此，單獨固定的相機也可以實現(xiàn)這一功能。為了降低固定單獨攝像機存在的誤差增加試驗方法的有效性，本研究對比賽視頻進行了預試驗：在視頻錄像中，運動員側移距離最大的地點在反手場區(qū)距離中線207 cm處，運動員軀干側屈最大角度為43°，對這一動作進行多次重現(xiàn)直線測量，對比后確認本研究中的誤差為1.6°。A.S.GISSOT 等[19]之前利用三維視頻系統(tǒng)研究，探索了靜態(tài)和動態(tài)條件下身體運動視角角度誤差，表明，當單項固定相機放置在150 cm的距離上，身體向左、右移動60 cm時，視角角度誤差小于2°，這與本試驗結果接近。雖然目前的視頻分析存在一些攝像機視覺誤差，但單腿著地在比賽中的角度特性不會發(fā)生顯著變化。

1.3.2 試驗過程 在收集數(shù)據(jù)之前，所有運動員都進行了大約20 min的正規(guī)化熱身（身體基本活動、擊球動作練習和步法移動練習等）。根據(jù)世界羽聯(lián)最新規(guī)則，每2人進行一場單打比賽（3局2 勝制），共計12 局比賽，一局比賽的平均耗時為（16.5±3.6）min，輸贏的分數(shù)相差（6.5±2.9）分，所有比賽數(shù)據(jù)通過三維速度計和攝像機同步傳輸至電腦。

1.3.3 數(shù)據(jù)收集 每一局比賽的運動員移動加速度值都是以100 Hz 的頻率獲得。以往的研究表明，采用三軸加速度計的100 Hz 采樣頻率在澳大利亞足球比賽[20]、排球比賽中的跳躍頻率和模式[14]中的分析都具有良好的有效性和可靠性。也有學者采用了相同的方法，在單腿著陸研究中，測量了垂直地面反作用力峰值和軀干加速度峰值等信息，均具有較高的可靠性[21]。國外研究發(fā)現(xiàn)[22]，在實際前交叉韌帶損傷情況下估計的最大地面反作用力平均為體重的3.2 倍，超過4g 的加速度運動被認為是導致前交叉韌帶損傷的高風險運動。因此，為了在實際比賽過程中檢測更高的下肢負荷，通過公式計算出加速度值，采用4 g截取值來提取運動加速度數(shù)據(jù)。

產(chǎn)生超過4 g 加速度的時刻，是由場地兩端的同步攝像機記錄的。由于比賽過程的動態(tài)化和不可控性，以及多維空間拍攝的難度很大，本研究圖像采集采用平面攝像技術。在開始測量時，通過光信號將加速度數(shù)據(jù)和攝像機圖像進行同步。對于單腿著陸事件，涉及持拍手對側腿的，捕獲最初加速度超過4g的幀，并將其存儲為TIFF 文件進行分析。為了保持一致性，所有測量均由具有豐富視頻分析經(jīng)驗的同一專家進行。

在測量大于4 g 著陸點的軀干側曲和髖關節(jié)外展角度時，由于沒有建立由三軸加速度計計算的位置和角度，本研究將第7頸椎中心到第4腰椎中心的連線和垂直于地面的連線的夾角來測量軀干傾斜角度，從膝關節(jié)中心到髖關節(jié)中心的連線與垂直于地面的連線的夾角來測量髖關節(jié)外展角度（如圖1）。

首先，使用Actigraph Actilife 6.1.4軟件（Manufacturing Technology，Inc，MTI）和Dartfish 軟件（Connect Plus，Dartfish，Switzerland），同時捕捉加速度值超過4g的時間點，并將2種不同設備（加速度計和攝像機）的采樣數(shù)據(jù)進行同步化處理，最終選擇了1682個事件進行分析。其次，對所有選定的事件進行篩選，以確定符合分析要求的頭頂擊球后的單腿落地動作[23]。在1682起事件中，366起是頭頂擊球單腳著陸，其中196次涉及持拍手對側的腿，而其他的則涉及持拍手側的腿。此外，對視頻剪輯進行進一步篩選，合格視頻的入選標準如下：（1）質量好，攝影角度集中在運動員的正背面；（2）軀干和下肢段的視野好。最后，有162次單腿落地是在頭頂擊球后進行的，身體重心在持拍手對側的腿上（分別在正手和反手側球場中落地39次和123次）（見圖3）。

圖3 合格事件篩選流程圖Figure3 Flow Chart of Qualified Event Screening

1.3.4 數(shù)據(jù)處理 正手場區(qū)和反手場區(qū)著陸點的所有數(shù)據(jù)均表示為平均值±標準差（M±SD），經(jīng)過非配對T檢驗分析正手區(qū)和反手區(qū)之間的差異，利用皮爾遜積矩相關系數(shù)分析軀干加速度與運動變量之間的關系。所有統(tǒng)計均采用SPSS19.0 統(tǒng)計軟件進行處理，所有測試的統(tǒng)計顯著性設為P＜0.05。使用Cohen's D計算效應量大小，結果表示為：小于0.2，微不足道；0.21～0.5，較小；0.51～0.8，中等；大于0.8，較大，計算了組內相關系數(shù)（ICC），以評估2 個不同時間段每個落地瞬間事件測量的可信度。隨機重復了55個事件的測量結果（正手和反手場區(qū)分別12次和43 次）。關于軀干側彎和髖部外展角度，組內相關系數(shù)分別為0.987和0.989（95%置信區(qū)間）。

2 研究結果

正手場區(qū)和反手場區(qū)之間軀干加速度和運動變量的差異顯示，軀干加速度在正手場區(qū)和反手場區(qū)之間沒有顯著差異；橫向加速度（P＜0.05，D=0.706）和前后加速度（P=0.366；D=0.204）2 方面，反手場區(qū)大于正手場區(qū)，而在垂直加速度方面（P＜0.05；D=0.419），正手場區(qū)大于對側場；反手場區(qū)平均軀干側彎屈角大于正手場區(qū)（P＜0.05；D=0.372），反手場區(qū)的平均髖關節(jié)外展角也大于正手場區(qū)（P＜0.05；D=1.985）（見表2）。

表2 單腿落地時軀干加速度及軀干和髖關節(jié)角度（M±SD）Table2 Trunk Acceleration and Trunk and Limb Angle During Single-leg Landing（M±SD）

變量之間的皮爾遜積矩相關系數(shù)顯示，在正手場區(qū)，向后加速度與軀干側彎角度呈高度相關（P＜0.01；r=0.512）；反手場區(qū)，橫向加速度和垂直加速度與軀干側彎角（P＜0.01；r=0.651；P＜0.01；r=-0.682）和髖外展角（P＜0.01；r=0.593 和P＜0.01，r=-0.537）也顯示出高度的相關性；反手場區(qū)，向后加速與軀干側彎（P＜0.05；r=0.201）關系較弱，而與髖關節(jié)外展角度（P＜0.01；r=0.215）呈現(xiàn)很大的相關性（見表3）。

表3 單腿落地時軀干加速度與軀干、髖關節(jié)角度的相關系數(shù)。Table3 Correlation Coefficient of Trunk Acceleration and Trunk and Lower Limb Angle During Single-leg Landing

3 分析討論

這是首次使用三軸加速度計和視頻，分析實際羽毛球比賽中單腿落地后的軀干加速度、軀干和髖關節(jié)運動學特點。頭頂擊球后軀干加速度與軀干、髖部角度在正手場區(qū)和反手場區(qū)之間存在差異，并且每個線性加速度值與來自反手場區(qū)的軀干、髖部角度都相關。

3.1 軀干加速度變化特點分析

正手和反手側場區(qū)的軀干加速度沒有顯著性差異，而2 個區(qū)域的橫向、垂直及前后加速度都不相同，正手區(qū)的垂直加速度（3.88g±0.69g）大于反手區(qū)（3.15g±1.20g），反手區(qū)的橫向加速度（2.31g±1.12g）和前后加速度（0.99g±1.12g）大于對側（1.35g±1.03g，0.65g±1.21g），這表明運動員身體上的負荷方向會隨著頭頂擊球后的著陸區(qū)域不同而發(fā)生變化（見表2）。在羽毛球比賽中，運動員在正手或反手區(qū)擊過頂球后都需要立即回到中心位置，為下一次擊球做準備，由于每次擊球的落點、球速和方向等各不相同，因此，在擊球后落地瞬間的三維空間就會產(chǎn)生不同程度的加速度值。運動員在回擊正手場區(qū)的來球時，一般較主動。首先，擊球點與持拍手更近；其次，正手區(qū)側身較快，移動到擊球點附近的時間短，起跳時不必過分后伸而更傾向于追求高點擊球。因此，落地時不易產(chǎn)生過大的擺腿動作，此時，落到瞬間的垂直方向加速度會相對較大，而側屈和背伸的加速度相對較小。當運動員在反手場區(qū)回擊過頂球時，由于擊球點距離持拍手較遠，運動員往往通過側屈和背伸來替代一部分側身動作，以便于能夠盡早擊球和盡快回中心位置。運動員在空中完成這種過大的側曲和背伸動作時，很容易使身體重心后移，產(chǎn)生更大的橫向和向后的加速度值，而且需要將非持拍側腿盡量后擺以保持平衡，這也導致了運動員在落地瞬間髖關節(jié)外展角度增大。因此，運動員在反手區(qū)進行過頂擊球時會產(chǎn)生更大的側屈加速度和背伸加速度。

在羽毛球比賽中，用正手擊球方式回擊反手場區(qū)的過頂球本身就是一種被動情況下的強迫主動擊球方式，擊球點距離持拍手更遠，需要更快的速度調節(jié)身體的姿態(tài)尋求合適的擊球位置。因此，對身體的側彎、背伸都有了更高的要求，在身體的過分側彎、背伸后，必然會對單腿的平穩(wěn)落地動作施加了更大壓力。有研究顯示[24-25]，軀干側彎會增大下肢膝關節(jié)外翻力矩，增加膝關節(jié)損傷風險。因此，在反手場區(qū)，運動員采用正手回擊過頂球時，單腳落地會產(chǎn)生更大的橫向加速度，增加了膝關節(jié)前十字韌帶損傷的風險。

3.2 軀干側彎角度和髖關節(jié)外展角度變化分析

從運動員落地姿態(tài)上可以看到，正手場區(qū)與反手場區(qū)的軀干側彎角度差異較大，但效應量（effect size）較?。╠=0.372），正手和反手場區(qū)的軀干角度分別為17°±13°和24°±7°，這一數(shù)值遠遠大于之前的研究中[12]受傷女性運動員的軀干側彎角度（11°±2°）。也就是說，軀干側彎角度大于11°±2°時，女性下肢受傷的概率會大大增加。同樣，在一項生物力學試驗中[26]，改變軀干傾斜位置時，會同時改變橫向移動過程中膝關節(jié)外翻力矩，當軀干側彎時，軀干傾斜側的下肢膝外翻力矩比對側明顯更大。

羽毛球運動是單側運動項目，持拍手側的上肢動作遠遠多于對側，在實際的比賽過程中，羽毛球的飛行線路變化多端。擊球點在身體的上下、前后、左右360°的空間內隨機出現(xiàn)，而羽毛球拍只能在主導手上揮動，不能隨意變化持拍手，這種不對稱的姿勢必然要求運動員通過不斷的軀干轉體、側彎、前傾和背伸等姿態(tài)來調節(jié)身體位置。在這種快速變換體位的過程中，軀干側彎的幾率大大增加，對下肢尤其是持拍手對側的下肢施加了更大的壓力，對膝關節(jié)前交叉十字韌帶的損傷風險必然更大[27-28]。

運動員在正手場區(qū)和反手場區(qū)回擊過頂球時，單腳落地的髖關節(jié)外展角度存在更大的差異（P＜0.01），效應量也很明顯（D=1.985）。與正手場區(qū)相比，反手場區(qū)擊球時的髖部外展角度（23°±11°）更接近前人記錄的受傷參與者發(fā)生的外展角度（29°±11°）[12]。而且，在反手場區(qū)擊球時的髖關節(jié)外展角度遠遠大于正手場區(qū)（-1°±8°）。通過三維視頻分析也表明[10、29]，運動員在單腳落地時最初接觸地面的40 ms內，髖關節(jié)外展角度在20°時表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定現(xiàn)象。

從試驗數(shù)據(jù)和文獻資料來看，運動員在頭頂擊球后的軀干位置很可能在球場上落地的任何位置發(fā)生橫向或縱向傾斜，在反手區(qū)尤為明顯，進而增加下肢關節(jié)剪切力。E.KRISTIANSLUND等[30]研究表明，軀干側彎和髖外展是膝外展力矩增加的預測因素；Y.KIMURA 等[23]還報告了左后跨步（模擬在反手場區(qū)著陸）后初始接觸地面時的髖外展角度明顯大于右后跨步后，并懷疑在頭頂區(qū)擊球時，上肢和軀干的羽毛球特定動作可能影響下肢的運動學和動力學參數(shù)。這種反手場區(qū)的危險落地姿勢，可能與羽毛球運動前交叉韌帶損傷的高發(fā)生率有關。

由本研究的結果可知，在實際比賽過程中，運動員軀干側彎特點和髖關節(jié)外展角度與前人室內研究的結果基本吻合。運動員在比賽過程中進行過頂擊球后，尤其是在反手場區(qū)，更可能以高度危險的姿勢落地，造成落地腿前交叉韌帶損傷。

3.3 軀干加速度與軀干側彎及髖關節(jié)外展的相關性研究

在反手場區(qū)，除了加速度與軀干彎曲角度、髖關節(jié)外展角度沒有相關性外，其他3 個軸的加速度（橫向加速度、垂直加速度、前后加速度）均與軀干側彎角度、髖關節(jié)外展角度有極大的相關性（見表3）。而與反手場區(qū)不同，正手場區(qū)只有矢狀面的前后加速度值與軀干側彎有輕微的相關性，另外2 個軸及加速度值與軀干側彎角度、髖關節(jié)外展角度沒有相關性。

由此可見，運動員在正手場區(qū)擊過頂球時，由于持拍手與擊球點更接近，所以在橫向移動和前后移動方面相對加速度較小，只需要快速向上移動即可達到較好的擊球位置。相反，在反手場區(qū)擊球時，擊球點遠離持拍手，運動員不僅需要增加側屈，而且需要快速蹬地轉身向左后方起跳（右手持拍為例），這就明顯增加橫向加速度、垂直加速度和向后的加速度。過度的軀干側彎必然導致重心向左后方移動，為了保持落地的平穩(wěn)，左腿會大幅度向左后方擺動，使身體呈弓形，這樣就會使得髖關節(jié)外展角度增大，向左后方擺動的加速度越大，髖關節(jié)外展的角度也必然越大。

有研究顯示[24，31-32]，軀干側傾和髖外展是前交叉韌帶損傷的危險因素，在反手場區(qū)進行側向加速時，軀干側傾和髖外展的風險更大（分別為r=0.651，r=0.593）。軀干側彎加速速同樣是增加膝外翻負荷的危險因素[25，33]。在室內試驗中，觸地瞬間的膝關節(jié)外翻角度和髖關節(jié)外展角度與單腿橫向跳躍著陸時的最大垂直地面反作用力有關[34-36]。專家通過試驗發(fā)現(xiàn)，在著陸前的階段訓練肌肉激活和神經(jīng)控制，可以有效提高動作控制能力，對改善膝關節(jié)外翻和髖關節(jié)外展預防前交叉十字韌帶有很好的作用[37]。

因此，為了避免過大的軀干側彎和髖關節(jié)外展角度、減少膝關節(jié)外翻負荷，羽毛球運動員不僅在地面上，還應該在空中進行神經(jīng)肌肉訓練，以控制他們的四肢和軀干在空中進行頭頂擊球時的姿勢和單腳落地姿態(tài)。

4 結 論

在頭頂擊球后的單腳落地瞬間，反手場區(qū)的軀干側彎和軀干加速度大于正手場區(qū)，反手場區(qū)的軀干橫向和垂直加速度與軀干側彎和髖部外展的角度呈顯著的相關性。反手場區(qū)頭頂擊球后，單腳落地姿勢與前交叉韌帶損傷的落地姿勢相似。反手場區(qū)軀干過度側彎的高風險落地姿勢，可能與羽毛球比賽中膝關節(jié)受傷的發(fā)生率有較高的相關性。因此，羽毛球運動員在訓練中，特別是在反手場區(qū)，應加強神經(jīng)肌肉控制訓練，以協(xié)調控制身體姿勢預防膝關節(jié)損傷。