评估职业羽毛球运动员弓步表现的生物力学分析方法

摘要

本文介绍了一种通过分析下肢运动学来评估职业与业余运动员在进行羽毛球最大幅度右跨步动作时损伤机制差异的实验方案。

摘要

在实验室模拟羽毛球场地的条件下，本研究采用损伤机制模型，分析了八名专业羽毛球运动员和八名业余运动员的最大右跨步动作。该实验方案的目的是研究右膝关节和踝关节在运动学及关节力矩方面的差异。通过使用运动捕捉系统和测力台，采集下肢关节运动数据以及垂直地面反作用力（vGRF）。十六名在过去6个月内无任何运动损伤的年轻男性参与了本研究。受试者从起始位置开始，以右脚完成最大幅度的右跨步动作，右脚踏在测力台上并完全接触其表面，随后以低手击球方式将羽毛球击打至后场指定位置，再返回起始/结束位置。所有受试者均穿着相同的羽毛球鞋，以避免不同球鞋带来的影响差异。结果显示，业余运动员在额状面上表现出更大的踝关节活动范围和反向关节力矩，以及在水平面上更大的内旋关节力矩；而专业羽毛球运动员则在矢状面和额状面上表现出更大的膝关节力矩。因此，在制定训练计划以降低膝关节和踝关节运动损伤风险时，应考虑上述因素。本研究通过模拟真实的羽毛球场地，并对受试者每个动作的活动范围进行校准，使受试者能够以自然状态高质量地完成实验动作。本研究的一个局限性在于未结合关节负荷与肌肉活动进行分析；另一个局限性是样本量较小，未来研究中应予以扩大。该研究方法可推广应用于羽毛球项目中其他步法的下肢生物力学研究。

引言

羽毛球运动一直是全球最受欢迎的体育项目之一。在比赛中，运动员完成弓步动作的频率相对较高¹。掌握快速完成弓步并迅速回到起始位置或向另一方向移动的能力至关重要²。弓步动作不仅对羽毛球运动至关重要，对网球、乒乓球及其他体育项目也具有重要意义。

前向弓步动作已被用作评估前交叉韧带（ACL）功能不全及膝关节稳定性的方法^3,4。研究表明，羽毛球运动员既需要较高的肌肉力量，也需要专业的技术。通常情况下，业余运动员更重视技术训练，而忽视肌肉力量训练。若肌肉力量较弱的个体接受质量较低的训练，训练时间将延长，从而导致下肢负荷过重，甚至引发运动损伤。

高强度训练会对下肢造成较大负荷，这可能是导致运动损伤的原因⁵。下肢损伤占全部损伤总数的60%。对于男女羽毛球运动员而言，膝关节和足部是最易受伤的部位^6,7,8,9。通过动力学数据分析，....

方案

该实验已获得宁波大学体育学院伦理委员会的批准。所有参与者均已签署书面知情同意书，并被告知了弓步实验的要求和流程。

1. 步态实验室准备

1. 校准时，移除或遮盖捕捉空间内其他可能反光的物体，避免阳光、灯光及其他反光物体对识别造成干扰，并确保实验室具有合理的荧光照明。
2. 将加密狗插入计算机，打开动作捕捉相机、专用追踪软件、测力台放大器以及外部模拟-数字转换器（ADC）。
3. 在模拟羽毛球场地两侧各放置四台相机，共八台。初始化相机后，在 系统 资源面板中选择 本地系统 节点，若选择正确，每个相机节点将显示绿灯。
   1. 在 相机 视图面板中，点击 属性 以调整相机参数：将 闪光强度 设置为 0.95 至 1，阈值 设置为 0.2–0.4，增益 设置为 1 倍（x1），灰度模式 设置为 自动，最小圆形度比值 设置为 0.5，最大斑点高度 设置为 50，并勾选 启用 LED。
....

结果

图2 显示I、II、III和IV相的平均垂直地面反作用力（vGRF）即，分别为职业运动员和业余运动员在进行弓步动作时的初始冲击峰值、二次冲击峰值、负重接受阶段和蹬离阶段。在第I、II和III阶段中，两者之间无显著差异。然而，职业运动员的垂直地面反作用力（vGRF）明显高于业余运动员，表明存在显著性差异（图2).

图3展示了职业球员与业余球员在站立时右膝和踝关节的三维平面情况。独立t检验结果显示，职业球员与业余球员在踝关节活动范围（ROM）上存在差异：在矢状面上，职业球员的背屈/跖屈活动范围更大。踝关节在额状面和水平面上均表现出显著差异。业余球员在额状面上的内翻/外翻运动活动范围更大，但在水平面上的外旋/内旋运动活动范围较小。膝关节在水平面上.......

讨论

大多数分析羽毛球跨步动作生物力学特征的研究存在一个缺点，即忽略了执行跨步动作的羽毛球运动员的技术水平。本研究将受试者分为专业运动员和业余运动员，以探讨不同水平运动员在完成右腿向前跨步时关节活动范围（ROM）和关节力矩的差异。

在额状面踝关节活动范围（ROM）方面，业余运动员的ROM大于专业运动员，差异具有显著性，这可能与踝关节的肌力有关²⁸。在额状面踝关节力矩方面，专业运动员在负重接受阶段表现出更大的外翻力矩，与业余运动员相比差异显著，这可能与踝关节损伤风险相关²⁹。业余运动员表现出较小的踝关节外翻力矩，这可能源于其优势腿弓步落地姿势不佳。该发现对训练指导和踝关节康复具有积极意义。专业运动员在矢状面的跖屈/背屈方向上具有更大的踝关节力矩。此外，业余运动员的内旋力矩大于专业运动员，差异具有显著性，表明两者在踝关节稳定性机制上存在不同。

由于专业运动员与业余运动员在弓步落地姿势上存在差异，垂直地面反作用力（vGRF）模式可分为四个阶段，.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
运动追踪相机	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		n= 8
有效加密狗	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		Vicon Nexus 1.4.116
测力台放大器	Kistler, Switzerland		n=1
测力台	Kistler, Switzerland		n=1
Vicon 数据站 ADC	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		-
T型支架	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK	-	-
直径14 mm的被动式反光标记点	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		n=16
双面胶带	Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK		用于将标记点固定在皮肤上
羽毛球拍	Li-ning, 中国	BADMINTON RACKET CLUB PLAY BLADE 1000 [AYPL186-4]	材质：标准级碳纤维 重量：81–84 克 总长度：675 mm 握把长度：200 mm 平衡点：295 mm 张力：竖直方向 20–24 磅，水平方向 22–26 磅