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，可以解释不同水平运动员的下肢损伤情况。有研究报道，职业羽毛球运动员肌腱内部存在明显的血流增加现象，尤其是在优势腿的髌腱部位，这种现象在重复负荷运动后更为显著。

已有研究报告指出，此前关于球拍类运动的研究主要评估了运动学参数，而对动力学的关注较少^2,10。当职业运动员参加比赛时，压力主要集中于跟腱和前膝部肌腱，尤其是优势侧弓步腿⁵。在球拍类运动中，临床损伤分析主要集中在下肢，下肢损伤占比超过58%，其中又以膝关节和踝关节最为常见^{5,8,10,11,12,13}。

既往研究已评估了羽毛球运动的生理指标^14,15,16以及身体能力特征^17,18,19,20。基于这些基本特征，提出了针对羽毛球灵活性的基本动作，以提升运动员的训练效果和现场表现^21,22。以往关于羽毛球的研究主要关注不同动作或弓步移动方向，但未对专业与业余羽毛球运动员之间的动作特征进行比较^{23,24,25,26,27}。这些在动力学和关节运动方面的差异使得两者容易受到不同机制的运动损伤。

本研究旨在探讨专业羽毛球运动员与业余羽毛球运动员在运动学和动力学方面的差异，以及优势腿的活动范围（ROM）。假设专业与业余羽毛球运动员在右腿前弓步动作中存在差异，且较大的活动范围会增加运动损伤的风险。

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。
4. 在 视角 面板中选择 相机，并将 T 型标定架放置于测力台上。在 系统 资源面板中点击 MX 相机，选择多台相机以统一调整参数。
   1. 在 设置 区域中，设置所有选中相机的参数，确保每台相机传输的数据均可被正常接收。
5. 在 T 型标定架 的下拉菜单中选择 5 点标定杆 & T 型架，并选中所有相机。
6. 点击 属性 面板右上角的分屏按钮。在 选项 面板中选择 相机位置，并在 扩展视锥 的下拉菜单中点击 关闭 按钮。
   1. 在捕捉空间内挥动 T 型标定架，直至相机的蓝灯停止闪烁。
7. 开始标定过程，此时相机会持续采集标记点数据，并在 工具 面板下方的 MX 相机标定反馈 工具栏中显示有效采集数据。标定完成后，进度条返回至 0%。确保 图像误差 显示值小于 0.3。
8. 将 T 型标定架放置于测力台（60 × 90 cm）上，使其轴线与台面边缘对齐。确保 T 型标定架的方向与实验设定方向一致。
9. 确保 T 型标定架的原点即为捕捉空间的原点。在 工具 面板的 设置空间原点 中点击 开始 按钮以设定原点。
10. 让受试者站在测力台上，确认地面反作用力矢量方向向上，随后让受试者走下测力台。
11. 开始试验前，点击 力 并选择 零点校准。检查 标定杆计数 中采集的有效数据，确保每台相机至少采集到 1,000 帧有效数据。
12. 准备 16 个直径为 14 mm 的标记点，并提前在其背面贴上双面胶。

2. 受试者准备

1. 让潜在受试者填写问卷调查。对符合纳入标准的受试者获取书面知情同意书。
   注：问题包括：(i) 您打羽毛球有多少年了？(ii) 您是否参加过国家级别的专业羽毛球比赛？(iii) 您是否曾遭受过运动损伤并接受过手术治疗？本研究共纳入16名男性受试者：其中8名为专业羽毛球运动员，8名为业余羽毛球运动员。
2. 确定受试者是否符合纳入标准。
   ​注：纳入标准包括以下内容。所有受试者在实验前6个月内未遭受过上下肢任何损伤；受试者在实验前2天内未参加任何高强度训练或比赛；所有受试者的利手和利足均为右侧。一半受试者为专业运动员，另一半为业余运动员；最终纳入8名专业羽毛球运动员（年龄：23.4 ± 1.3 岁；身高：172.7 ± 3.8 cm；体重：66.3 ± 3.9 kg；羽毛球运动年限：9.7 ± 1.2 年），均参加过国家级别专业比赛；另8名为业余羽毛球运动员（年龄：22.5 ± 1.4 岁；身高：173.2 ± 1.8 cm；体重：67.5 ± 2.3 kg；羽毛球运动年限：3.2 ± 1.1 年）。
3. 要求受试者穿着T恤和紧身短裤。
4. 测量受试者的身高（mm）和体重（kg），以及左右腿长度（mm，从髂前上棘至内踝髁）、膝宽（mm，从内侧至外侧膝髁）、踝宽（mm，从内侧至外侧踝髁）。
5. 标记解剖骨性标志点的皮肤区域以粘贴标记点。
   1. 根据需要剃除体毛，并用酒精擦拭皮肤。
      注：标记点位置包括双侧髂前上棘外侧、髂后上棘（PSI）、大腿外侧（THI）、膝外侧（KNE）、胫骨外侧（TIB）、踝外侧（ANK）、足跟（HEE）和足趾（TOE）。
6. 通过触诊确定解剖标志点，并在下肢粘贴16个标记点。
7. 要求受试者穿着同一品牌和系列的羽毛球鞋；然后让其自然完成一次向右前方的弓步动作，并确保摄像头能够捕捉到其下肢标记点。
8. 要求受试者在模拟场地中以舒适低速完成向右前方弓步动作，直至动作稳定；同时指导其进行一些辅助性热身练习（例如，行进间弓步拉伸）。
9. 要求受试者在模拟场地中以舒适高速完成向右前方弓步动作，直至在此速度下动作稳定；然后让其将右腿置于指定区域（图1中的位置B），并以反手击打羽毛球至后场区域（位置C）。
10. 指导受试者从起始位置A（图1）开始，尽最大能力完成一次向右前方弓步动作，并反手击打羽毛球至后场（位置C），确保其右腿在动作过程中自然踏上测力台并完全接触，击球后必须返回起始位置A。

3. 静态校准

1. 打开数据管理以创建新数据库。选择位置，输入名称，并选择基于 | 临床模板；然后点击创建。
2. 选择受试者姓名并点击打开。点击新建患者分类 | 新建患者 | 新建会话以创建受试者信息。
3. 在试验开始时，选择会话以采集数据。返回到Nexus面板，点击受试者，然后点击新建受试者按钮。如有必要，重命名试验。
4. 点击开始实时采集，选择水平分割，并选择图形以查看轨迹计数。
   1. 检查标记数量是否为16个，表明无多余光污染且所有标记均已成功捕获。
5. 开始采集静态数据。在工具栏的受试者准备部分，选择受试者采集并点击开始按钮。要求受试者保持静止，并采集200帧图像。点击停止按钮。
6. 点击运行重建流程以构建标记数据。选择标记，在标记列表中进行识别，并将标签应用至对应标记。点击保存按钮。按Esc键退出。
7. 点击受试者准备，并在受试者校准下拉菜单中选择静态插件步态。
8. 在新显示的帧范围窗口中点击选项，在弹出窗口中选择左脚和右脚。点击开始按钮，然后保存。

4. 动态试验

1. 要求受试者保持正确的起始姿势。
2. 创建静态模板后，点击 Go Live 按钮并选择 Capture。依次设置 试验类型 和 实验会话，输入试验名称，描述 为可选项。
3. 点击最后一个选项中的 开始 按钮以开始采集，完成操作后停止。每个试验重复此过程。
   1. 为开展实验，要求受试者快速且自然地完成弓步动作。确保每次试验之间有 2 分钟的间隔。
   2. 要求受试者执行右腿前弓步，其中最后一步落在测力台上。要求受试者重复该动作 6 次。若标记物发生移位或脱落，需立即重新粘贴并重新采集。
4. 在受试者完成一次最大幅度的右腿前弓步并返回位置 A（起始/结束位置）后，选择 停止。

5. 后处理

1. 使用专用软件进行后期处理。打开数据管理，在文件下方双击x图标，然后点击运行重建流程和标签按钮；接着，在视角面板下点击播放以播放已捕获的视频。
2. 拖动视角面板下进度条上的指针，设置视频的开始和结束时间。
3. 将光标置于进度条内，右键单击并选择缩放到感兴趣区域。
4. 标识步骤与静态标识流程相同。检查标记点并点击填充。通过观察其轨迹判断所有标记点是否均已识别。右键单击未标记的标记点，并选择删除所有未标记点。
5. 点击开始，文件将以 .csv 格式导出，用于后期处理。

6. 数据分析

1. 使用截止频率为10 Hz和25 Hz的低通巴特沃斯滤波器对运动学和动力学数据进行滤波。
2. 在矢状面、冠状面和水平面上计算膝关节和踝关节的活动范围（ROMs），并通过三维逆动力学方法获取膝关节和踝关节的力矩。
   注意：踝关节和膝关节的活动范围（ROM）由三维运动平面上的最大和最小关节角度获得。
3. 将弓步分为四个阶段，包括初始冲击峰（I，支撑相的5%）、二次冲击峰（II，支撑相的20%）、负重接受阶段（III，支撑相的40%–70%）和蹬离阶段（IV，支撑相的80%）。
4. 使用受试者的体重对所有关节力矩数据进行标准化。
5. 同时采集地面反作用力和运动学数据。对每位受试者，采用六次成功试验的运动学和动力学数据的平均值进行统计分析。
   注意：参数包括关节（即、踝关节、膝关节和髋关节的三维活动范围（ROM）以及膝关节和踝关节力矩。
6. 将数据传输至软件进行分析。

7. 统计分析

1. 使用独立样本 t 检验分析专业运动员与业余运动员在踝关节和膝关节活动范围（ROM）及关节力矩数据上的差异。采用双样本 t 检验计算所需的适当受试者数量。以均值表示各关节的活动范围和力矩。显著性水平设定为 p = 0.05。

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；在冠状面和水平面上，踝关节也表现出显著差异。业余球员在冠状面上的内翻/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