运动类型对跖趾、踝关节刚度及跳跃性能的影响

抽象的

虽然个体踝关节和跖趾关节刚度与训练强度和运动表现有关，但运动运动员可能在从耐力到强力运动的范围内发展出特定的被动关节刚度。本研究的目的是检验马拉松运动员、篮球运动员和其他运动运动员是否会表现出明显的被动踝关节和跖趾关节僵硬以及垂直僵硬。15名马拉松运动员、19名篮球运动员和17名其他体育运动员进行了关节刚度测量和单腿跳跃测试。我们使用计算机测力仪来控制足部的对齐和速度，进行被动踝关节和跖趾关节的刚度测量。通过在受力平台上跳跃时的体减速和体质量位移计算竖向刚度。采用单因素方差分析确定组间差异。踝关节、跖趾、垂直刚度进行双变量相关检验。篮球组的踝关节被动僵硬度比其他运动员组高13% ( )．篮球组跖骨组和站立位置的跖骨刚度比跑步者和其他运动运动员群体高出23％（ )．然而，跖趾无源刚度和垂直刚度没有显着的群体差异。确定所有刚度变量之间的显着相关性（ )．这些发现表明，踝关节和跖趾关节的被动僵硬，而不是垂直腿僵硬，与参与运动的类型有关。踝关节和脚趾加强运动可以提高篮球运动员的表现，防止受伤。

1.介绍

踝关节和跖趾关节(MTP)被动刚度在临床和运动环境中对各种运动人群进行了广泛的评估。踝关节和MTP关节被动刚度与身体平衡和运动推进有关[1，2］.踝关节通过大achilles肌腱连接内侧和横向胃肠肌，这为推进提供了强大的Plantarflexion。据信，腿部肌肉和腱子可以在肌腱伸长期间储存弹性能量，然后在运行期间释放用于推/起飞的能量[3.]和跳跃[4］.经过7周下肢肌肉偏心训练后，踝关节被动刚度增加58% [5］.增加的被动刚度会在踝关节储存更多的弹性能量，以提高运动成绩[6- - - - - -8］.

MTP接头将允许前掌通过在行走行走和运行过程中推动地面来产生力[9］.Stefanyshyn和nigg [10.[将MTP接头作为钥匙脚区域识别，以最小化运动过程中的能量损失，因为在推关阶段几乎没有在MTP联合处产生能量产生。据推测，MTP关节的能量耗散减少将导致更好的运行或跳跃性能[10.，11.］.以往的研究表明，脚趾屈肌强度(MTP被动刚度)与行走和跑步的效率呈正相关[10.]，着陆期间的影响衰减[9，12.，水平跳跃距离[6]，以及短跑和跳台[13.］.因此，MTP关节刚度的可靠测量将反映趾屈肌的力量，这对趾肌训练方案有影响。

迄今为止，大多数商用测力仪(如Biodex和Cybex)已被用于在控制速度和位移的情况下测定踝关节的强度和刚度[1]，有局限性使用，因为它们庞大，昂贵，而不是小MTP关节[14.］.据我们所知，最近仅用于测量脚趾的强度和刚度，并确定脚趾屈肌肌肉与性能相关的作用[6，15.，16.］.然而，这些测力计并没有控制脚趾屈曲的角速度和位移，也没有考虑到旋转轴对个体解剖结构的对齐，这可能导致扭矩测量的一些变化，并限制了脚趾刚度测量在个体中的使用。迄今为止，曼和他的同事[17.]介绍了一种计算机化踝关节和MTP关节刚度测量装置，该装置可靠、轻便、易于使用，可在训练治疗前后使用[14.］.

因为被动刚度可以通过训练来增加[18.[运动特性[16.[运动员还可以根据运动参与的各种运动特性和强度要求，展开独特的被动关节僵硬。与跑步如跑步，大多数其他运动（如篮球，足球，网球，羽毛球和乒乓球）相比，涉及更随机的动态和间歇运动模式，因为它们是在各种动态和随机的强度和步法中进行的在整个比赛中的不同持续时间播放[19.］.必须为这些高适应性和快速决策型运动开发较强的脚和踝肌肉骨骼结构[2，18.］.此外，篮球运动员在各种运动方向上执行大量强大的跳跃，加速度和减速，铺设和切割[20.］.篮球运动员垂直跳跃动作的频繁和有力可能需要强大的足趾和踝关节力量，从而表现出比非篮球运动员更高的被动关节刚度。相反，跑步者需要最佳的脚趾和脚踝力量，以获得更好的跑步经济性[21.，22.］.研究马拉松运动员，篮球运动员和其他运动员的脚踝足僵硬度将有助于了解体育参与的性质如何改变了人脚的机械性能进行适应。

迄今为止，垂直刚度（kvert）主要应用于描述下肢的整体机械行为/效率[23.，24.]，因为Kvert与下肢体位的变化有关[25.]，从而运行经济[7］.kvert受到肢体关节位置的影响[8[可以将踝关节和MTPJ的被动刚度与kvert相关。因此，本研究的主要目标是检查跑步者，篮球运动员和其他体育运动员是否会展示不同的脚踝关节和MTPJ被动僵硬和克弗尔。第二个目的是确定kvert和脚踝/ mtpj被动刚度之间的相关性。假设（1）篮球运动员可能具有更高的联合被动僵硬，用于强大的跳跃和切割性能，而不是其他运动员和（2）克弗尔可能与脚踝/ MTP联合被动刚度有良好的相关性。

2.材料和方法

将51名大学男队运动员按运动参与情况分为长跑运动员、篮球运动员和其他运动员。参与这项研究的有15名跑步运动员、19名篮球运动员和17名其他体育运动员。据报道，其他体育项目的运动员定期参加不同种类的非篮球场运动，如乒乓球、羽毛球和足球。独立的t-测试结果显示，各运动员组别在年龄、身高、体重及运动经验方面无显著差异( ，桌子1)．为了为每组获得适当的参与者数量，本研究纳入了脚码从美国尺码7.0到10.0的参与者。在研究开始前的六个月里，所有的参与者都没有任何下肢损伤。获得参与者的书面同意，测试程序得到香港理工大学人类受试者伦理小组委员会的批准。

2.1。被动联合僵硬评估

用电脑测功机测量脚踝和MTP联合被动刚度（发明专利ZL 201410299533.4，图1)．简而言之，参与者坐在可调高度的工作台上，使得两条腿的脚踝，膝关节和臀部接头在90°中弯曲为脚踝和MTP联合被动刚度测量的起始位置（图1(一)，[14.，17.])。调整横平面和高度的对中，使踝关节和MTP关节的轴线在激光投影的引导下与测功仪的旋转轴对齐。在每次测量过程中，测功机的底座以40°/s的角速度摆动20次。对于MTP关节测量，脚固定在一个足台上，脚趾从弯曲的前端边缘伸出，以便脚趾踩在脚趾平台上测量扭矩阻力(图)2 (b))．趾板将脚趾从中性位置(0°，水平)伸展到背屈40°(图)1 (c))．在完成坐位MTP关节被动刚度测量后，被试站在测力仪上，用相同的足部对齐方式测量站位MTP关节被动刚度。测量踝关节时，用尼龙搭扣带将整只脚固定在踏板上。整个足部通过摇篮周期性地屈曲和伸展，从跖屈20°到背屈20°(图)1 (d))．该手术对踝关节和MTP关节僵硬有较高的日内和日间重复性[17.］.踝关节和MTP僵硬程度在一天内较高(踝关节:ICC = 0.96;MTP: ICC = 0.91)和日间重复性(脚踝:ICC = 0.96;MTP: ICC = 0.91)，分别为[14.］.

在第4阶的数字Butterworth零滞低通滤波器中通过截止频率为30 Hz [14.，17.］.通过将扭矩阻力减去背景力矩，分别计算出实际踝关节和MTP关节的被动力矩，背景力矩为空踏板在相同运动下摆动时的扭矩阻力(图)2(一个))．中间10个循环的平均峰值扭矩（即，第6至第15个循环）被认为是每次试验中的总扭矩值（图2 (b))．关节刚度为总扭矩值除以最大角位移[14.，17.］.

2.2。跳跃绩效评估

参与者在力平台(Advanced Mechanical Technology Inc.， Watertown, MA, USA)上分别以1000 Hz的采样频率进行两次20秒单腿跳跃(图)3.)．参与者被要求在2.2 Hz的频率下，按照节拍器的节奏，将手放在臀部上跳跃[26.］.试验之间允许休息三分钟，以减少疲劳。采用截止频率为10hz的低通四阶数字零滞后巴特沃斯滤波器对垂直反力进行平滑处理，去除噪声信号。质心加速度(CoM)的计算方法为:地面反作用力与体重相减，再除以体重[3.］.然后通过加速曲线的双重集成来确定COM的位移[3.，17.］.物理结果由垂直刚度（kVert）表示，其计算为最大反作用力除以每个跳跃周期中COM的最大位移。每条腿的kvert是中间20个跳跃循环的平均kvert（即，11至第30次循环，图3 (b))．

２.３.数据分析

应用了定制的MATLAB（MathWorks，Inc。，Natick，MA，USA）代码来处理所有脚踝刚度，MTP刚度和垂直刚度（kvert）变量。平均每个参与者的左和右数据进行进一步分析。在每个变量上执行单向ANOVA，以检查运动员组之间是否存在任何显着差异。额外的独立样本t然后，如果在ANOVA中确定了显着的运动员组效应，则进行最低。Pearson产品相关性也进行了分析脚踝刚度，MTP刚度（坐姿）和垂直腿刚度的相关性。相关性（r²）被分类为少/否（> 0.0至≤0.25），公平（> 0.25至≤0.50），中等至良好（> 0.50至≤0.75），良好至优异（> 0.75至≤1.0）。所有统计分析都是使用SPSS版本19.0（SPSS Inc.，Chicago，IL）进行的，重要性水平设定为0.05。

3.结果

单因素方差分析结果显示，无论是坐姿还是站姿，踝关节被动刚度和MTP关节被动刚度均存在显著的组效应(对于所有比较而言)，但对于Kvert ( )．后HOC测试表明篮球组的坐姿和站立的MTP联合被动刚度高于跑步者（ ）和其他运动运动员团体( ）(数据4（a）和4（b）)．与其他体育群体相比，篮球组中发现了更高的脚踝被动僵硬（ ）(图4（c）)．

相关结果揭示了所有刚度变量之间的显着相关性（对于所有的比较，表2)．

4.讨论

测量脚踝和MTP联合被动刚度广泛用于各种临床和运动环境中的各种运动群体。基于不同运动所需的特定运动特性和强度，运动员可能会培养不同的关节被动僵硬和克vert。本研究试图检查跑步者，篮球运动员和其他体育运动员是否会展示不同的脚踝和MTP被动僵硬和克vert。目前的研究结果表明，篮球运动员比其他运动运动员呈现出13％的脚踝被动僵硬，而篮球运动员与跑步者相比表现出更高的MTP联合被动僵硬（坐在24％的23％）和其他运动运动员（坐在25％与24％​​的相比）。合理的解释是篮球运动员需要更强的脚趾和脚踝力量，如被动联合僵硬的各种强大的跳跃所示[11.]及奋力着陆以减低冲击[9]，与其他两个测试的群体相比，他们在运动参与期间不需要经常跳跃。

另一种可能的解释与强大和耐力类型的性能之间的频谱有关。然而，遥远的跑步者可能需要最佳的脚趾和脚踝强度/刚度来获得长时间距离的中等速度[6- - - - - -8］.先前的研究表明，与长远的跑步者（耐久训练）相比，短跑运动员（强大训练）具有更硬的肌腱和肱三头肌的腱膜腱膜，[2]这表明关节刚度的机械性能与运动强度有关（强大的训练与耐久训练的运动员）。从训练的角度来看，偏心运动会增加与较大力发育相关的有效肌肉长度和被动肌刚度（即，三角形灯丝）[22.]以及更好的跑步和跳跃表演[22.，23.］.由于篮球运动员需要更强的足底屈肌来适应身体平衡、快速移动和频繁的跳跃，进一步的研究应该确定是否更多的跳跃/着地运动或更高的运动强度是导致关节刚度更高的原因。

垂直刚度(Kvert)通常用于描述不同人群的运动表现，因为它可以描述下肢的整体力学行为/效率[23.］.然而，在目前的研究中，Kvert与踝关节和MTP被动刚度测量没有显示出良好的相关性。这可以简单地解释为Kvert受肌肉组织特性和下肢位置的影响[9］.然而，Kvert在不同运动类型中没有显著差异。这与先前的发现相矛盾[8结果显示，经过强力训练的运动员比经过耐力训练的运动员有更高的腿部僵硬度。这个矛盾的结果可以用与个体关节运动和肌肉特性相关的补偿来解释。在未来，比较踝关节和MTP关节僵硬程度可能会更好地识别篮球运动员的天赋，特别是在疲劳情况下[27.］.

之前的踝关节和MTP被动刚度测量仍然主要依赖于手工技能，因为之前的设备在扭矩测量时没有很好地控制对准、角速度和位移[15.］.在目前的研究中，我们用计算机测力仪测量了踝关节和MTP关节的被动刚度测量，这将提供对对齐、角关节速度和位移的良好控制[14.，17.］.虽然坐着和常设的MTP僵硬调查结果表明了运动员群体中的类似趋势，但与坐姿相比，在立式姿势中观察到更高的MTP刚度值。在静置期间，突破跖脉瘤，为更高的MTP刚度值贡献。这表明MTP被动刚度将与负重轴承和关节位置有关。在实际应用中，建议在坐姿进行MTP刚度测量，因为它具有相似的辨别能力（图4（a）和4（b）），具有脚踝僵硬的更好的关系水平（表2)，易于姿态控制[16.，17.］.我们的研究结果将有助于了解运动表现和发展治疗和康复方案的踝关节和前足损伤。在鞋的应用中，优化前足弯曲刚度(在MTP区域)可以提高跳跃、短跑和敏捷性能[11.，28.］.此外，关节接触力可以提供更多的信息，以便更好地估计运动时膝关节的负荷[29.］.在训练应用中，优化踝关节和MTP关节刚度也可以改善跑步模式，最大限度地降低受伤风险[30.］.监测MTP关节刚度可作为评估前脚相关损伤的手术和康复(强度和持续时间)结果的一种方法[7，25.］.

在解释我们的结果时，存在一些实验局限性。首先，本研究只招募了一组男性大学生运动员，并不适用于其他群体。不同性别、不同竞技水平和不同体位在比赛中跳跃强度和频率上可能存在显著差异[20.］.其次，本研究仅检查了关节刚度数据，因此，用运动表现来解释这些发现必须谨慎。未来的研究可以考虑更全面的评估，包括运动表现(如跳跃、跑步和敏捷性)和肌肉活动的测量。

5。结论

与遥远的跑步者和其他运动运动员相比，篮球运动员展示了更高的脚踝和MTP联合被动僵硬，这表明关节僵硬的力学性能与强大训练有素的运动员之间的运动强度有关。可以实施脚踝和脚趾强度练习，以发展篮球中所需的足够的脚踝和MTP联合被动僵硬。

数据可用性

用于支持本研究发现的数据可由通讯作者要求提供。

的利益冲突

提交人声明有关本文的出版物没有利益冲突。

致谢

作者指出，该研究得到了国家体育文化管理和四川省的体育医学重点实验室。

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