張希妮，傅維杰，夏 銳，劉 宇

不同疲勞誘導(dǎo)方案對落地時下肢關(guān)節(jié)力學(xué)、剛度和能量吸收的影響

張希妮，傅維杰，夏 銳，劉 宇

目的：比較兩種典型運動方案：恒速跑 （簡稱“跑疲勞方案”） 和沖刺變速跑+全力垂直縱跳（簡稱“跑+跳疲勞方案”） 誘導(dǎo)疲勞前、后，人體落地動作時下肢矢狀面關(guān)節(jié)力學(xué)、剛度和能量表現(xiàn)的差異，探討疲勞和各力學(xué)因素之間的相互關(guān)系。方法：比較15名受試者在恒速跑和折返跑＋垂直縱跳方案前、后落地時的垂直地面反作用力、下肢運動學(xué)、關(guān)節(jié)力矩、下肢/關(guān)節(jié)剛度和關(guān)節(jié)能量等。結(jié)果：運動疲勞能夠增加落地過程中重心下降的位移和各關(guān)節(jié)活動度（P＜0.05），提高剛觸地時的伸膝力矩（P＜0.05），降低髖、膝關(guān)節(jié)的剛度從而減小下肢整體剛度（P＜0.05），增加伸髖肌群能量吸收（P＜0.05）的同時相應(yīng)減小跖屈肌群的能量貢獻（P＜0.01）。結(jié)論：疲勞后，人體下肢采用與疲勞前不同的落地控制策略，且不同疲勞誘導(dǎo)的效果存在差異，其中，跑疲勞方案主要體現(xiàn)在運動學(xué)和關(guān)節(jié)能量的改變，而跑+跳疲勞方案則更多地影響了落地時的關(guān)節(jié)力矩和剛度，提示這可能與上述疲勞方案的運動模式有關(guān)。因此，在建立人體運動疲勞模型時，需要考慮不同的疲勞誘導(dǎo)方案對于疲勞后落地時下肢控制的生物力學(xué)差異。

落地；運動性疲勞；關(guān)節(jié)力學(xué)；剛度；能量吸收

落地動作（Landing）是體育運動中各項動作的基礎(chǔ)，能良好地反映下肢神經(jīng)-肌骨系統(tǒng)的控制功能［8］。誠然，人體可以通過調(diào)節(jié)下肢落地姿態(tài)、運動/動力學(xué)特征、神經(jīng)肌肉反饋等方式使自身以更安全的方式著地，但在觸地初期仍不能避免受到自身體重3.5～7倍的沖擊力［12，13］，進而增加落地動作的損傷風(fēng)險，且這種風(fēng)險會隨著運動/負荷時間的延長、機體逐漸進入疲勞狀態(tài)以及落地控制策略的下降而增加［4］。

已有研究證明，不同落地模式（Landing）會引起相關(guān)生物力學(xué)參數(shù)的改變。Granata等［22］發(fā)現(xiàn)，與男性相比，女性在落地時表現(xiàn)出更小的關(guān)節(jié)剛度，是導(dǎo)致非接觸性ACL斷裂的重要原因。同時，在力竭或接近力竭狀態(tài)時膝外翻力矩的增加，表明肌-骨系統(tǒng)維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的能力下降［19，29］。在落地初期，為了減小沖擊力增加緩沖，下肢主要采用吸收能量的模式，如與從0.3 m的高度落地相比，從0.6 m的高度落地時下肢的關(guān)節(jié)功率和離心收縮做功均顯著增加［34］。DeVita等［17］發(fā)現(xiàn)，人體在“軟著陸”（Soft Landing）時髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)吸收更多的能量，而在“硬著陸”（Stiff Landing）時踝關(guān)節(jié)吸收更多的能量，但無論“軟著陸”還是“硬著陸”都需要下肢肌肉承擔(dān)更多的收縮任務(wù)。而與疲勞前相比，疲勞后的肌肉最大收縮力會明顯降低［30］，這意味著人體將以一種更加不穩(wěn)定的方式著地。

另一方面，如何有效地進行疲勞誘導(dǎo)是研究疲勞狀態(tài)下人體落地下肢生物力學(xué)的關(guān)鍵。量化的疲勞水平、專業(yè)的疲勞模型和科學(xué)的落地方式是實驗室選擇疲勞方案的主要依據(jù)［35］?，F(xiàn)階段國際上較為常見的兩類人體運動疲勞方案是短時間疲勞法（Short-term Fatigue Protocol）和長時間疲勞法（Long-term Fatigue Protocol）。前者包括連續(xù)縱跳［14］、短距離沖刺或折返跑［32］、約50% 1 RM的下肢蹬伸練習(xí)［21］等，后者主要采用長時間的跑臺運動［27］。綜上，雖然已有部分文獻表明，疲勞會對下肢的落地控制產(chǎn)生影響，但鑒于疲勞方案的不同，目前很難對包括力矩、剛度和能量吸收在內(nèi)的生物力學(xué)特征在疲勞前、后的差異性上形成統(tǒng)一結(jié)論，更鮮有研究將這兩類疲勞方案的誘導(dǎo)效果進行對比，以找尋更優(yōu)的人體疲勞誘導(dǎo)模型。

據(jù)此，本研究的研究目的為探討運動性疲勞對人體落地時下肢矢狀面關(guān)節(jié)力學(xué)、剛度和能量特征影響，同時，比較恒速跑和沖刺變速跑+全力垂直縱跳誘導(dǎo)疲勞前、后的差異，并從方法學(xué)角度為疲勞方案的選擇提供新的思路和理論依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選取15名上海體育學(xué)院國家二級田徑專業(yè)跑、跳類男性運動員作為研究對象，基本情況如表1所示。所有受試者于實驗前需確認(rèn)24 h內(nèi)未從事劇烈運動，且近半年內(nèi)無下肢受傷史，身體狀況以及運動能力良好，并均已在訓(xùn)練或練習(xí)中熟練掌握落地動作，理解本實驗意圖，清楚實驗流程并簽署知情同意書。

表1 受試者基本情況（ ±SD）Table 1 Basic Information of the Subjects

表1 受試者基本情況（ ±SD）Table 1 Basic Information of the Subjects

人數(shù) （n）年齡 （歲）身高 （cm）體重 （kg）訓(xùn)練年限 （年）15 20.9 ± 0.8 175.5 ± 4.2 68.9 ± 5.5 4.2 ± 1.1

1.2 儀器

1.2.1 Vicon運動捕捉系統(tǒng)

英國生產(chǎn)的16臺Vicon三維紅外攝像頭及運動捕捉系統(tǒng)（型號：T40）配套直徑14 mm的紅外反光球，采集下肢髖、膝、踝3關(guān)節(jié)矢狀面運動學(xué)參數(shù)，采樣頻率為240 Hz。

1.2.2 Kistler三維測力臺

瑞士生產(chǎn)的Kistler三維測力臺2塊（90 cm×60 cm×10cm）（型號：9287C），外置信號放大器。對本研究中落地階段的地面反作用力（GRF）進行采集，采樣頻率為1 200 Hz。

1.2.3 Kistler Quattor Jump縱跳臺

采用瑞士Kistler公司生產(chǎn)的Quattor Jump縱跳臺（型號：9290BD）測試受試者疲勞前平均最大垂直縱跳高度，同時監(jiān)測疲勞誘導(dǎo)過程中的縱跳高度。

1.2.4 心率表

使用日本Suunto公司生產(chǎn)的心率表對疲勞誘導(dǎo)時受試者心率進行實時監(jiān)控，以保證疲勞誘導(dǎo)的有效性和實驗安全性。

1.3 具體流程

每名受試者在跑臺上以2.2 m/s的速度進行6 min慢跑并進行3 min靜力性拉伸后，更換運動裝備（背心、短褲、鞋和襪子）。操作人員為其貼上反光球，采集受試者疲勞前的靜態(tài)模型。反光球的位置為髂前上棘、髂脊上緣、髂后上棘、大轉(zhuǎn)子、膝內(nèi)、膝外、大腿追蹤點T型架、踝內(nèi)、踝外、小腿追蹤點T型架、第1跖趾關(guān)節(jié)、第5跖趾關(guān)節(jié)、足尖、足跟等共36個點（圖1）。而后，受試者雙腳站立于60 cm高的跳深臺水平面完成落地動作測試。要求測試時受試者的腳距與肩同寬，兩手叉腰，以減少擺臂對落地動作的影響。聽到開始口令后，兩腳腳尖緩慢由翻板邊緣向測力臺下滑，盡量確保無垂直初速下落，落地時自然屈膝且均采用足尖著地的落地方式，并恢復(fù)到站立位（圖2）［2］。全部測試分兩輪進行：先在非疲勞狀態(tài)下進行第1輪落地測試，然后在完成疲勞誘導(dǎo)后即刻進行第2輪落地測試。每輪測試均需成功采集5次有效數(shù)據(jù)。

圖2 受試者落地動作測試過程Figure 2 . Testing Process of Drop Landings from a 60 cm Platform

1.4 疲勞方案

1.4.1 恒速跑疲勞方案（簡稱“跑疲勞方案”）

基于Quammen等［31］的疲勞方案，要求受試者在跑臺上進行4 m/s的恒速跑，直到受試者不能維持預(yù)定強度繼續(xù)奔跑為止。在終止運動之后遞減跑臺速度至1 m/s，受試者需繼續(xù)行走1 min后進行落地實驗。當(dāng)同時滿足下列兩種情況時認(rèn)為受試者達到疲勞狀態(tài)，可終止運動：1）受試者心率達到其當(dāng)下年齡最高心率的90%；2）受試者無法繼續(xù)進行運動。

1.4.2 沖刺變速跑+全力垂直縱跳疲勞方案（簡稱“跑+跳疲勞方案”）

基于Tsai等［33］的疲勞方案，讓受試者連續(xù)進行5次垂直縱跳，每次縱跳的平均高度均要求高于受試者本人縱跳最高高度的70%（在進行疲勞誘導(dǎo)前測定受試者的最高垂直縱跳高度），而后進行10 m×6 m的折返跑1組（折返跑的起點和終點均放有標(biāo)志物，受試者需繞過標(biāo)志物，圖3）。受試者需要重復(fù)上述過程，當(dāng)出現(xiàn)下列情況時認(rèn)為受試者達到疲勞狀態(tài)，可終止運動，并進行落地實驗：在一組連續(xù)5次垂直縱跳中，受試者竭盡全力也無法使其平均高度超過其初始最高垂直縱跳高度的70%為止。

隨機決定這兩種疲勞方案誘導(dǎo)運動員疲勞的順序，兩種疲勞方案誘導(dǎo)相隔1周進行，以確保疲勞已消除且兩種疲勞方案不會互相影響［34］。疲勞誘導(dǎo)期間受試者需要佩戴心率表進行實時監(jiān)控（最高心率、平均心率），并采用自感疲勞分級量表（RPE）作為輔助的疲勞程度測定。

圖3 折返跑＋垂直縱跳疲勞誘導(dǎo)方案示意圖Figure 3. Shuttle Run + Maximal Vertical Jump Fatigue Protocol

1.5 實驗參數(shù)

本實驗研究的落地階段為觸地瞬間至膝關(guān)節(jié)屈曲到最大的階段。采用美國C-Motion公司開發(fā)的V3D三維步態(tài)分析軟件（版本：3.21.0）對采集到的數(shù)據(jù)進行濾波和逆向動力學(xué)分析，其中，運動學(xué)和GRF的截止頻率分別為7 Hz和100 Hz［2］。

矢狀面生物力學(xué)參數(shù)包括：垂直地面反作用力（vGRF）、關(guān)節(jié)活動度（Range Of Motion，RoM）、關(guān)節(jié)力矩、剛度、關(guān)節(jié)能量（Joint Energy）。

1.5.1 垂直地面反作用力（vGRF）

本研究中，從60 cm下落且足剛觸地時（50 ms內(nèi)）會產(chǎn)生較大的沖擊力。該沖擊力通常包括兩個峰值，即第1峰值（vGRF1）和第2峰值（vGRF2，圖4）。其中，足尖剛著地時（約10～20 ms）產(chǎn)生vGRF1，隨后力過渡到足后區(qū)并產(chǎn)生vGRF2［37，38］。

圖4 從60 cm跳臺下落著地過程中的地面反作用力-時間曲線Figure 4. A Typical vGRF-Time Curve During a Landing from a 60 cm Height

1.5.2 關(guān)節(jié)活動度（Range Of Motion，RoM）

選取髖（RoMH）、膝（RoMK）、踝關(guān)節(jié)（RoMA）落地階段矢狀面的關(guān)節(jié)活動范圍（°），即通過計算落地階段下肢3關(guān)節(jié)最大角度與最小角度之差而得。

1.5.3 關(guān)節(jié)力矩

根據(jù)Zhang等［21］的研究并依照落地時各關(guān)節(jié)力矩曲線形態(tài)（Curve Patterns of Joint Moment）取特征值及其出現(xiàn)時間（Timing）。其中，髖關(guān)節(jié)為MH1、MH2，代表伸髖力矩峰值（N·m/kg）；膝關(guān)節(jié)為MK1、MK2、MK3，代表伸膝力矩峰值（N ·m/kg）；踝關(guān)節(jié)為MA1、MA2，代表跖屈力矩峰值（N ·m/kg）（圖5）。

圖5 從60cm跳臺下落觸地至膝關(guān)節(jié)屈曲到最大時刻的髖關(guān)節(jié)力矩、膝關(guān)節(jié)力矩和踝關(guān)節(jié)力矩-時間曲線圖Figure 5. Typical Hip，Knee，and Ankle Joint Moments-time Curves during a Landing from a 60 cm Height

1.5.4 剛度

下肢剛度（Leg Stiffness，kleg）= Fzmax/ΔL［5］，其中，F(xiàn)zmax代表最大垂直地面反作用力，ΔL代表下肢最大長度變化量，即髖關(guān)節(jié)中心從觸地到緩沖完成時的垂直位移變化量；關(guān)節(jié)剛度（joint stiffness，kjoint）=ΔM/RoM［20］，其中，ΔM緩沖過程中關(guān)節(jié)力矩的變化量，RoM為關(guān)節(jié)角度的變化量（圖6）。

1.5.5 關(guān)節(jié)能量（Joint Energy）

從關(guān)節(jié)力學(xué)角度出發(fā)，關(guān)節(jié)能量指的是關(guān)節(jié)在一定時間內(nèi)做功量的大小，即關(guān)節(jié)功率對時間的積分［34］。計算方法如下：

其中，Pj代表關(guān)節(jié)功率，t1、t2代表開始和結(jié)束的時間。而下肢3關(guān)節(jié)在離心期（觸地到緩沖完成）所做的功為負功，定義為能量吸收（Energy Absorption，EA）。

圖6 從60 cm跳臺下落觸地至膝關(guān)節(jié)屈曲到最大時刻的膝關(guān)節(jié)力矩-角度曲線Figure 6. A Typical Knee Joint Moment-RoM Curve during a Landing from a 60 cm Height

1.6 統(tǒng)計學(xué)

所得參數(shù)值均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。本研究采用重復(fù)測量的雙因素方差（Two-Way Repeated Measures ANOVA，SPSS 21.0）觀察自變量（不同疲勞方案×疲勞前、后）對于各因變參數(shù)（關(guān)節(jié)力學(xué)、剛度、關(guān)節(jié)能量等）的影響。同時，采用配對樣本 t 檢驗分別觀察兩種疲勞方案前、后，自變量（疲勞）對于上述因變量的影響，顯著性水平α設(shè)為0.05。

2 結(jié)果

2.1 疲勞誘導(dǎo)效果

兩種疲勞誘導(dǎo)方式產(chǎn)生疲勞所用的時間分別為：跑疲勞方案是1 126.5±344.6 s，跑+跳疲勞方案則為257.8±59.3 s，且根據(jù)單因素方差分析的結(jié)果（P＜0.05）發(fā)現(xiàn)兩者存在顯著性差異。

2.2 垂直地面反作用力和關(guān)節(jié)活動度

兩種疲勞方案誘導(dǎo)前、后，垂直地面反作用力峰值（vGRF1，vGRF2）均無顯著差異。采用跑疲勞方案誘導(dǎo)運動員疲勞時，與疲勞前相比，疲勞后髖（P＜0.05）、膝（P＜0.01）矢狀面關(guān)節(jié)活動度顯著增加；采用跑+跳疲勞方案誘導(dǎo)運動員疲勞時，與疲勞前相比，疲勞后髖（P＜0.01）、膝（P＜0.05）、踝（P＜0.01）矢狀面關(guān)節(jié)活動度均顯著增加（表2）。

2.3 關(guān)節(jié)力矩

采用跑疲勞方案誘導(dǎo)運動員疲勞時，與疲勞前相比，疲勞后跖屈力矩峰值MA1出現(xiàn)時間顯著減?。≒＜0.01）；采用跑+跳疲勞方案誘導(dǎo)運動員疲勞時，與疲勞前相比，疲勞后伸膝力矩峰值MK1顯著增加（P＜0.05），伸膝力矩峰值MK2出現(xiàn)時間顯著增加（P＜0.05），跖屈力矩峰值MA2出現(xiàn)時間顯著增加（P＜0.01）（表3）。

表2 兩種疲勞方案誘導(dǎo)對落地時垂直地面反作用力峰值 （vGRF1和vGRF2） 及矢狀面下肢髖（RoMH）、膝 （RoMK）、踝 （RoMA） 3關(guān)節(jié)活動度的影響Table 2 The Effect of Two Fatigue Protocols on vGRF （vGRF1 and vGRF2） and Sagittal RoM（RoMH ，RoMK and RoMA） d uring Landings

表3 兩種疲勞方案誘導(dǎo)對落地時下肢髖 （MH） 、膝 （MK）、踝 （MA）3關(guān)節(jié)矢狀面力矩峰值和出現(xiàn)時間特征的影響Table 3 The effect of two fatigue protocols on sagittal lower-limb peak moment （MH，MK and MA）and occurrence time during landings

2.4 剛度

采用跑+跳疲勞方案誘導(dǎo)運動員疲勞時，與疲勞前相比，疲勞后重心下降的位移顯著增加（P＜0.01）、下肢剛度顯著減?。≒＜0.01）（圖7A）；就關(guān)節(jié)剛度而言，與疲勞前相比，疲勞后髖關(guān)節(jié)（P＜0.05）、膝關(guān)節(jié)（P＜0.01）的關(guān)節(jié)剛度顯著減?。▓D7B）。然而，跑疲勞方案對下肢剛度和關(guān)節(jié)剛度都沒有產(chǎn)生顯著性影響。

圖7 兩種疲勞方案誘導(dǎo)對落地時下肢剛度 （A） 和3關(guān)節(jié)矢狀面剛度 （B） 的影響Figure 7. The Effect of Two Fatigue Protocols on Leg Stiffness （A） and Sagittal Joint Stiffness （B） During Landings

2.5 關(guān)節(jié)能量

不論是跑疲勞方案還是跑+跳疲勞方案，伸膝肌群均為能量吸收的主要肌群，其次是伸髖肌群。其中，采用跑疲勞方案誘導(dǎo)運動員疲勞時，與疲勞前相比，疲勞后伸髖肌群能量吸收顯著增加（P＜0.05），跖屈肌群能量吸收顯著減?。≒＜0.01）；而采用跑+跳疲勞方案時，疲勞前、后3關(guān)節(jié)所對應(yīng)肌群的能量吸收均沒有顯著性差異（圖8）。

3 討論

目前國內(nèi)、外實驗室針對疲勞的研究，主要集中于跑疲勞方案或跑+跳疲勞方案，而鮮有學(xué)者將這兩種疲勞進行對比研究分析其優(yōu)劣，即使有，也未更多地涉及關(guān)節(jié)剛度、能量學(xué)等更深層次的下肢生物力學(xué)表現(xiàn)，但這對于理解下肢疲勞可能更具參考價值。因此，本研究的目的在于比較不同運動疲勞方案誘導(dǎo)對人體落地時垂直地面反作用力、關(guān)節(jié)活動度、關(guān)節(jié)力矩、能量吸收和剛度表現(xiàn)的影響，從實驗學(xué)角度出發(fā)，為實驗室選擇疲勞方案提供生物力學(xué)的理論依據(jù)。本研究采用兩種不同方案（跑疲勞方案、跑+跳疲勞方案）誘導(dǎo)疲勞，從主、客觀兩方面判斷是否疲勞，即監(jiān)控心率［24］和運動表現(xiàn)［1，6］，并通過RPE量表獲得受試者主觀疲勞程度［24］。疲勞的誘導(dǎo)效果顯示，兩種方案下，最大心率和運動后即刻RPE值并無顯著性差異，說明本研究中所采用的兩種方案運動強度相似。但在持續(xù)時間上，跑＋跳疲勞方案明顯短于跑疲勞方案。因此，在模擬一般實際體育運動中的疲勞以及實驗方法學(xué)上相較可能更具優(yōu)勢。

圖8 兩種疲勞方案對下肢3關(guān)節(jié)矢狀面能量吸收的影響Figure 8. The Effect of Two Fatigue Protocols on Joint Energy of Lower Extremity during Landings

3.1 垂直地面反作用力和關(guān)節(jié)活動度

無論是采用跑疲勞方案還是跑+跳疲勞方案誘導(dǎo)運動員疲勞時，都未對垂直地面反作用力峰值（vGRF1和vGRF2）產(chǎn)生顯著影響。這與Zadpoor等［37］人對納入落地研究進行Meta分析的結(jié)果相似，即沒有發(fā)現(xiàn)疲勞會對地面反作用力第1峰值產(chǎn)生顯著性影響。但與本研究結(jié)果不同的是，他們發(fā)現(xiàn)，在雙腳落地過程中，伴隨著肌肉疲勞，地面反作用力第2峰值有顯著性變化。本研究認(rèn)為，造成這種差異可能與受試對象、所選取的疲勞方案等有關(guān)。對于可預(yù)見性運動來說，機體可以提供一種預(yù)先設(shè)計的運動策略來給予中樞神經(jīng)系統(tǒng)充足的時間，使其通過調(diào)控肌肉適當(dāng)?shù)幕顒觼矸€(wěn)定下肢［18］。本研究所選用的落地動作是一種可預(yù)見的運動，因此，對vGRF2沒有產(chǎn)生顯著性影響，這是與前人研究產(chǎn)生差異的主要原因。

另一方面，與跑疲勞方案相比，采用跑+跳疲勞方案誘導(dǎo)運動員疲勞時，疲勞后髖、膝、踝關(guān)節(jié)矢狀面活動度均顯著增加，這可能與后者能更多地誘導(dǎo)下肢矢、額狀面的運動疲勞有關(guān)。這與Kernozek等［25］的研究結(jié)果相似，即運動性疲勞會使下肢3關(guān)節(jié)的矢狀面活動度明顯增大。有研究認(rèn)為，這是由于運動造成的神經(jīng)疲勞對肌肉控制產(chǎn)生了影響。人體在進行持續(xù)運動時，人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)的興奮性下降、神經(jīng)對肌肉的控制能力下降，從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)角度的改變［23，29］。但也有研究認(rèn)為，這是下肢關(guān)節(jié)的一種自我保護機制，為了在產(chǎn)生運動性疲勞后維持或降低地面垂直反作用力。而這種保護機制雖然增大了緩沖幅度，但不利于肌肉從離心收縮過渡到向心收縮的速度，同時也增加了肌肉韌帶的承載能力［9］。

3.2 關(guān)節(jié)力矩

本研究的動力學(xué)特征結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用跑+跳疲勞方案誘導(dǎo)運動員疲勞時，與疲勞前相比，疲勞后伸膝力矩峰值MK1顯著增加，伸膝力矩峰值MK2出現(xiàn)時間顯著增加，同時，跖屈力矩峰值MA2出現(xiàn)時間顯著增加。

人體下肢著地初期，地面反作用力在膝關(guān)節(jié)處產(chǎn)生屈膝力矩，在踝關(guān)節(jié)處產(chǎn)生背屈力矩。因此，此時人體需被動地產(chǎn)生伸膝力矩和跖屈力矩，用以抵抗地面反作用力產(chǎn)生的外力矩［7］。本研究中，MK1更多的表現(xiàn)為著地初期時的被動伸膝力矩峰值。結(jié)果顯示，就跑+跳疲勞方案而言，疲勞后MK1顯著增加，即人體的被動伸膝力矩顯著增加。這表明，疲勞后，人體需要運用更多的伸膝肌群來增加伸膝力矩以對抗著地時突然產(chǎn)生的地面反作用力（vGRF1），維持下肢穩(wěn)定［3］。隨后，下肢通過主動伸髖、伸膝、跖屈，為隨后的穩(wěn)定支撐提供幫助［28］。本研究中，MK2、MA2出現(xiàn)時間顯著增加，從一定程度上表明，當(dāng)人體進入疲勞狀態(tài)后，主動伸膝、跖屈狀態(tài)的出現(xiàn)時間延后［18］。上述結(jié)果表明，疲勞前、后力矩峰值及其出現(xiàn)時間的顯著性變化反映了疲勞對人體控制策略的影響，即疲勞后，為了抵抗剛觸地時的巨大沖擊力維持下肢穩(wěn)定，膝關(guān)節(jié)被動伸膝力矩增加，使得離心期主動伸膝和跖屈力矩峰值的時間延長。

與跑+跳疲勞方案相比，跑疲勞方案并沒有對關(guān)節(jié)力矩產(chǎn)生影響。提示，由于跑+跳疲勞方案是從矢狀面和額狀面等平面進行疲勞誘導(dǎo)，而跑疲勞方案僅從矢狀面這一單一平面內(nèi)進行誘導(dǎo)。不同維度的運動模式似乎是造成被動伸膝力矩差異性的原因，但其更深的力學(xué)機制還有待進一步研究。

3.3 剛度特征

本研究采用跑+跳疲勞方案誘導(dǎo)運動員疲勞時，與疲勞前相比，疲勞后下肢剛度顯著減小。根據(jù)剛度計算方法，下肢剛度大小與沖擊力峰值和身體重心的垂直位移變化相關(guān)［10］。本研究發(fā)現(xiàn)，垂直地面反作用力幅值在疲勞前、后變化不明顯，下肢剛度的顯著減小更多地與疲勞后著地時重心位移的增加相關(guān)聯(lián)。具體到各關(guān)節(jié)剛度，采用跑+跳疲勞方案誘導(dǎo)運動員疲勞時，與疲勞前相比，疲勞后髖、膝關(guān)節(jié)剛度顯著減小。關(guān)節(jié)剛度的下降影響了整體的下肢剛度，且更多地表現(xiàn)為相應(yīng)關(guān)節(jié)活動度的增加［11］，并呈現(xiàn)出髖、膝關(guān)節(jié)剛度對下肢剛度降低的貢獻度比踝關(guān)節(jié)大。我們認(rèn)為，在較好的運動表現(xiàn)和較低的損傷風(fēng)險之間應(yīng)存在某一合理的剛度范圍［36］。但由于目前對理想的剛度范圍缺乏統(tǒng)一的結(jié)論，加上個體落地姿態(tài)的差異，因此，就本研究中下肢和關(guān)節(jié)剛度的下降究竟是機體的自我保護，還是損傷風(fēng)險的增加，抑或是仍在一定合理范圍內(nèi)，有待進一步驗證。

與跑+跳疲勞方案相比，跑疲勞方案雖然使疲勞后的重心位移顯著性增加，但對整體下肢剛度并沒有顯著性影響，同時也未對關(guān)節(jié)剛度產(chǎn)生顯著性影響。這可能是兩種疲勞方案動作模式的差異造成的。跑+跳疲勞方案是由折返跑和垂直縱跳兩種運動任務(wù)構(gòu)成，受試者在進行折返跑時，側(cè)切動作更多地誘導(dǎo)了內(nèi)收、外展肌疲勞；受試者在進行“垂直縱跳”這一動作時，更多地誘導(dǎo)了屈伸肌疲勞。而上述多維度上的疲勞誘導(dǎo)正是跑疲勞方案的局限所在［16］。

3.4 能量吸收

本研究發(fā)現(xiàn)，無論哪種疲勞誘導(dǎo)前、后，伸膝肌群均為雙腿落地時吸收能量的主要肌群，占總吸收能量的55%左右，其次是伸髖肌群。足跖屈肌群在能量吸收方面的能力最弱，僅占約17%。上述結(jié)果支持前人的研究，如，Yeow等［36］研究表明，與單腿落地相比，雙腿落地時膝關(guān)節(jié)表現(xiàn)出更顯著的能量吸收；Decker等［16］同樣發(fā)現(xiàn)，伸膝肌群是男性和女性落地階段吸收能量的主要肌群，且男性的次能量吸收來源為伸髖肌群，并得出造成各關(guān)節(jié)能量吸收差異的原因，可能是由于近端肌群的體積要大于遠端肌群，主要表現(xiàn)在肌肉橫斷面積、肌纖維長度、肌腱長度等方面［15］，這直接導(dǎo)致近端肌群能量吸收的能力要大于遠端肌群，表現(xiàn)為伸髖、伸膝肌群做功大于足跖屈肌群。另外，也有研究認(rèn)為，解剖和力學(xué)結(jié)構(gòu)的限制使踝關(guān)節(jié)活動范圍比髖、膝關(guān)節(jié)小，導(dǎo)致其能量吸收的能力不如髖、膝關(guān)節(jié)等大關(guān)節(jié)。McNitt-Gray［26］也證實了這一點，他發(fā)現(xiàn)從60～72 cm高度自然落地，伸髖、伸膝肌群能量吸收均大于足跖屈肌群，并認(rèn)為能量吸收的提高得益于髖、膝關(guān)節(jié)活動度的增加，同時，能夠?qū)σ资軗p傷的軟組織（如韌帶等）產(chǎn)生較大的緩震作用［5］。

此外，從機械能守恒的角度出發(fā)，由于受試者的下落高度一致，且盡量確保其無垂直初速下落，因此，不論選用哪種疲勞方案，疲勞前后落地時下肢吸收的總能量應(yīng)無明顯差別，而本研究結(jié)果則進一步提示了疲勞前后不同關(guān)節(jié)對于能量吸收貢獻的差異：采用跑疲勞方案時，與疲勞前相比，伸髖肌群能量吸收顯著增加（+25.1%），而足跖肌群能量吸收則相應(yīng)顯著減?。ǎ?9.1%）。上述結(jié)果支持DeVita等［17］的發(fā)現(xiàn)，即與關(guān)節(jié)活動度較小的硬著陸相比，在關(guān)節(jié)活動度較大的軟著陸時伸髖、伸膝肌群能量吸收增加，足跖屈肌群能量吸收減小，并進一步表明在疲勞后，人體下肢更多地采用大關(guān)節(jié)（如本研究中的髖關(guān)節(jié)）對雙腿落地時的能量進行吸收，并抵抗沖擊負荷。因此，在下肢的落地過程中，神經(jīng)對這些肌群的適當(dāng)控制以及這些肌群本身的離心收縮能力是至關(guān)重要的。

另一方面，本研究發(fā)現(xiàn)，與跑疲勞方案相比，跑+跳疲勞方案并沒有對能量吸收產(chǎn)生顯著性影響。這可能是由于不同疲勞方案所誘導(dǎo)的肌肉不同。在跑疲勞方案中，單一的運動模式更多地誘導(dǎo)大關(guān)節(jié)（如髖）肌肉疲勞［5］，而在跑+跳疲勞方案中，相比跑疲勞方案，需要更多維度的運動模式，在引起大關(guān)節(jié)疲勞的同時更多地誘導(dǎo)了膝、踝關(guān)節(jié)肌肉的疲勞［9］。

4 結(jié)論

運動性疲勞誘導(dǎo)后，人體下肢采用與疲勞前不同的落地控制策略，包括增加重心下降的位移和各關(guān)節(jié)活動度，提高剛觸地時的伸膝力矩，降低髖/膝關(guān)節(jié)的剛度從而減小下肢整體剛度，并在一定程度上改變髖/踝關(guān)節(jié)能量吸收的貢獻。此外，不同疲勞誘導(dǎo)方案存在一定差異，其中，跑疲勞方案主要體現(xiàn)在運動學(xué)和關(guān)節(jié)能量的改變，而跑+跳疲勞誘導(dǎo)則更多地影響了落地時的關(guān)節(jié)力矩和剛度。這提示，可能與上述疲勞方案的運動模式有關(guān)，包括跑+跳疲勞方案從矢狀面和額狀面甚至水平面運動進行疲勞誘導(dǎo)，且誘導(dǎo)時間顯著短于跑疲勞方案，從實驗方法學(xué)上更具有參考價值。因此，在建立人體運動疲勞模型時，需要考慮不同疲勞方案的差異性對疲勞后下肢控制策略的影響，這在未來研究中需要進一步的探究。

［1］ 蔡斌，戴尅戎. 評估肌肉疲勞的中樞和外周起源［J］. 醫(yī)用生物力學(xué)，2015，30（2）：192-196.

［2］ 傅維杰，劉宇，李路. 運動鞋對人體落地沖擊和下肢軟組織振動的影響［J］. 體育科學(xué)，2013，33（7）：45-52.

［3］ 金磊，劉宇，魏書濤，等. 短跑運動控制的生物力學(xué)分析［J］.醫(yī)用生物力學(xué)，2008，23（3）：193-201.

［4］ 劉宇，魏勇. 運動科學(xué)領(lǐng)域的下肢剛度研究［J］. 上海體育學(xué)院學(xué)報，2008，32（5）：31-35.

［5］ 陸阿明，王國棟，王芳. 運動性疲勞對跑運動學(xué)與下肢肌電的影響［J］. 體育科學(xué)，2012，32（6）：44-49.

［6］ 上官若男，蘇全生，尚畫雨. 運動負荷強度與運動疲勞程度量化分級研究進展［J］. 中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2013，28（2）：188-192.

［7］ 魏書濤，劉宇，傅維杰，等. 短跑運動控制的生物力學(xué)分析［J］.體育科學(xué)，2010，30（9）：37-43.

［8］ 張燊，傅維杰，劉宇. 不同著地沖擊模式的下肢生物力學(xué)研究［J］. 體育科學(xué)，2016，36（1）：59-66.

［9］ 鄒曉峰，陳民盛. 運動性疲勞對跳深動作結(jié)構(gòu)影響的生物力學(xué)分析［J］. 體育學(xué)刊，2009，16（7）：89-92.

［10］ ARAMPATZIS A，BRUGGEMANN G P，METZLER V. The effect of speed on leg stiffness and joint kinetics in human running［J］.J Biomech，1999，32（12）：1349-1353.

［11］ BUTLER R J，CROWELL H P 3RD，DAVIS I M. Lower extremity stiffness：implications for performance and injury［J］. Clin Biomech，2003，18（6）：511-517.

［12］ CAVANAGH P R，LAFORTUNE M A. Ground reaction forces in distance running［J］. J Biomech，1980，13（5）：397-406.

［13］ CHALLIS J H，PAIN M T. Soft tissue motion in fl uences skeletal loads during impacts［J］. Exerc Sport Sci Rev，2008，36（2）：71-75.

［14］ CHAPPELL J D，HERMAN D C，KNIGHT B S，et al. Effect of fatigue on knee kinetics and kinematics in stop-jump tasks［J］.Am J Sports Med，2005，33（7）：1022-1029.

［15］ CORTES N，GRESKA E，KOLLOCK R，et al. Changes in lower extremity biomechanics due to a short-term fatigue protocol［J］.J Athletic Training，2013，48（3）：306-313.

［16］ DECKER M J，TORRY M R，WYLAND D J，et al. Gender differences in lower extremity kinematics，kinetics and energy absorption during landing［J］. Clin Biomech，2003，18（7）：662-669.

［17］ DEVITA P，SKELLY W A. Effect of landing stiffness on joint kinetics and energetics in the lower extremity［J］. Med Sci Sports Exerc，1992，24（1）：108-115.

［18］ DUFEK J S，BATES B T. Biomechanical factors associated with injury during landing in jump sports［J］. Sports Med，1991，12（5）：326-337.

［19］ ENOKA R M. Muscle fatigue--from motor units to clinical symptoms［J］. J Biomech，2012，45（3）：427-433.

［20］ FARLEY C T，HOUDIJK H H，VAN STRIEN C，et al. Mechanism of leg stiffness adjustment for hopping on surfaces of different stiffnesses［J］. J Appl Physiol，1998，85（3）：1044-1055.

［21］ GEHRING D，GOLLHOFER A，MELNYK M. Gender and fatigue have in fl uence on knee joint control strategies during landing［J］. Clin Biomech，2009，24（1）：82-87.

［22］ GRANATA K P，PADUA D A，WILSON S E. Gender differences in active musculoskeletal stiffness. Part II. Quanti fi cation of leg stiffness during functional hopping tasks［J］. J Electromyogr Kines，2002，12（2）：127-135.

［23］ HEWETT T E，MYER G D，F(xiàn)ORD K R，et al. Biomechanical measures of neuromuscular control and valgus loading of the knee predict anterior cruciate ligament injury risk in female athletes：a prospective study［J］. Am J Sports Med，2005，33（4）：492-501.

［24］ JANSSEN P. Lactate Threshold Training［M］. Human Kinetics，2001：53.

［25］ KERNOZEK T W，TORRY M R，IWASAKI M. Gender differences in lower extremity landing mechanics caused by neuromuscular fatigue［J］. Am J Sports Med，2008，36（3）：554-565.

［26］ MCNITT-GRAY J L. Kinetics of the lower extremities during drop landings from three heights［J］. J Biomech，1993，26（9）：1037-1046.

［27］ METSIOS G S，F(xiàn)LOURIS A D，KOUTEDAKIS Y，et al. The effect of performance feedback on cardiorespiratory fitness field tests［J］.J Sci Med Sport，2006，9（3）：263-266.

［28］ MIZRAHI J，SUSAK Z. Analysis of parameters affecting impact force attenuation during landing in human vertical free fall［J］.Eng Med，1982，11（3）：141-147.

［29］ MURDOCK G H，HUBLEY-KOZEY C L. Effect of a high intensity quadriceps fatigue protocol on knee joint mechanics and muscle activation during gait in young adults［J］. Eur J Appl Physiol，2012，112（2）：439-449.

［30］ PATREK M F，KERNOZEK T W，WILLSON J D，et al. Hip-abductor fatigue and single-leg landing mechanics in women athletes［J］.J Athl Training，2011，46（1）：31-42.

［31］ QUAMMEN D，CORTES N，VAN LUNEN B L，et al. Two different fatigue protocols and lower extremity motion patterns during a stop-jump task［J］. J Athl Training，2012，47（1）：32-41.

［32］ SANNA G，O’CONNOR K M. Fatigue-related changes in stance leg mechanics during sidestep cutting maneuvers［J］. Clin Biomech，2008，23（7）：946-954.

［33］ TSAI L C，SIGWARD S M，POLLARD C D，et al. Effects of fatigue and recovery on knee mechanics during side-step cutting［J］.Med Sci Sports Exerc，2009，41（10）：1952-1957.

［34］ YEOW C H，LEE P V，GOH J C. Effect of landing height on frontal plane kinematics，kinetics and energy dissipation at lower extremity joints［J］. J Biomech，2009，42（12）：1967-1973.

［35］ YEOW C H，LEE P V，GOH J C. Sagittal knee joint kinematics and energetics in response to different landing heights and techniques［J］. Knee，2010，17（2）：127-1231.

［36］ YEOW C H，LEE P V，GOH J C. An investigation of lower extremity energy dissipation strategies during single-leg and double-leg landing based on sagittal and frontal plane biomechanics［J］.Hum Movement Sci，2011，30（3）：624-635.

［37］ ZADPOOR A A，NIKOOYAN A A. The effects of lower extremity muscle fatigue on the vertical ground reaction force：a meta-analysis［J］. P I Mech Eng H，2012，226（8）：579-588.

［38］ ZHANG S N，BATES B T，DUFEK J S. Contributions of lower extremity joints to energy dissipation during landings［J］. Med Sci Sports Exerc，2000，32（4）：812-819.

Effects of Exercise-Induced Fatigue on Joint Mechanics，Stiffness，and Energy Absorption in Lower Extremity during Landings

ZHANG Xi-ni，F(xiàn)U Wei-jie，Xia Rui，LIU Yu

Objective：To investigate the effects of two exercise-induced fatigue protocols，namely，constant speed running （running） and shuttle running+maximal vertical jumping （running+jumping）fatigue protocols separately on sagittal joint mechanics，stiffness，and energy absorption of lower extremity during landing activities. Methods: Fifteen trained male athletes were required to execute fi ve successful trials of drop landings from a 60-cm platform within the above-mentioned two fatigue protocols. The variables included vGRF，range of motion，joint mechanics，stiffness，and energy absorption in the sagittal plane movement. Results: Induced fatigue can increase COG displacement and each joint range of motion during landings （P＜0.05）. Post-tests using running + jumping fatigue protocol showed a signi fi cant increase in the MK1 （P＜0.05） and a signi fi cant decrease in the vertical stiffness （P＜0.05） compared to pre-tests. The greater eccentric work was observed at hip joint （P＜0.05） within the running fatigue protocol，which correspondingly decreased the eccentric work at ankle joint （P＜0.01）. Conclusion：The control strategies of human lower extremity in post-fatigue were different compared with pre-fatigue. Additionally，due to different fatigue protocols，the control strategies of lower limbs were different in terms of kinetics，stiffness，and energy absorption of joints during landing activities. Kinematics and joint powers were mainly re fl ected in running protocol; while altered joint moments and stiffness were shown primarily in running + jumping protocol. Thus，there is a considerable biomechanical change in motor control of lower extremity during landings due to various exercise-induced fatigue protocols applied in human movement.

landing；exercise-induced fatigue；joint mechanics；stiffness；energy absorption

G804.6

A

1000-677X（2017）11-0048-08

10. 16469/j. css. 201711006

2016-08-09；

2017-11-15

國家自然科學(xué)基金資助項目（11772201，11302131）；上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目（14YZ125）。

張希妮，女，在讀碩士研究生，主要研究方向為運動 生 物 力 學(xué)，Tel：（021）51253239，E-mail：zhangxini1129@163.com；傅維杰，男，副教授，博士，主要研究方向為人體肌-骨系統(tǒng)力學(xué)和運動鞋及裝備研發(fā)，Tel：（021）51253239，E-mail：fuweijie@sus.edu.cn；劉宇，男，教授，博士，主要研究方向為運動控制與協(xié)調(diào)的生物力學(xué)等，Tel：（021）50253571，E-mail：yuliu@sus.edu.cn。

上海體育學(xué)院 運動健身科技省部共建教育部重點實驗室，上海 200438

Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China.