运动型的对跖趾，踝关节僵硬和跳频性能的影响

摘要

虽然个别踝关节和跖趾关节僵硬与训练强度和运动表现有关，但运动运动员可能会在从耐力到力量类型的运动中产生特定的被动关节僵硬。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名其他运动运动员同时进行了关节硬度测量和单腿跳跃测试。我们使用计算机化的测力计来控制被动踝和跖趾关节刚度测量的足部对齐和速度。我们通过在力平台上跳跃时的体减速和体质量位移来计算垂直刚度。采用单因素方差分析确定组间差异。踝关节、跖趾和垂直刚度之间也进行了双变量相关试验。篮球组的踝关节被动僵硬程度比其他运动组( )。篮球组坐立位跖趾关节被动僵硬度比跑步组和其他运动组高23%( )。跖趾关节被动刚度和垂直刚度组间无显著性差异。各刚度变量之间确定显著相关( )。这些结果表明，踝关节和跖趾关节被动刚度，而不是垂直腿刚度，将与运动参与的类型有关。脚踝和脚趾的强化训练可以提高篮球运动员的表现，防止受伤。

1.简介

踝关节和跖趾关节被动刚度在临床和运动环境中广泛用于各种运动人群的评估。踝关节和MTP关节被动刚度与身体平衡和运动推进力有关[1,2]。踝关节通过大跟腱连接腓肠肌内侧和外侧，提供强大的足跖屈肌推进力。认为腿部肌肉和跟腱在肌腱伸长期储存弹性能量，在跑步时释放能量推动/起飞[3.和跳跃[4]。后下肢肌肉的七周离心训练，踝关节的被动刚度提高了58％[5]。增加的被动刚度会在踝关节处储存更多的弹性能量，以提高运动表现[6- - - - - -8]。

在行走和跑步的推进过程中，MTP关节允许前脚靠着地面产生力量[9]。Stefanyshyn和Nigg [10个]确定了MTP关节是最大限度地减少运动能量损失的关键足部区域，因为在推离阶段，MTP关节几乎没有能量产生。据推测，减少MTP关节处的能量耗散将导致更好的跑步或跳跃性能[10个,11个]。已有研究表明，足趾屈肌强度(MTP被动刚度)与步行和跑步效率呈正相关[10个]，着陆时的冲击衰减[9,德意志北方银行]，以及水平跳跃距离[6]，以及短跑和立板跳[13个]。因此，MTP关节僵硬的可靠的测量将反映趾屈肌的力量，其具有到脚趾肌肉训练制度的影响。

到目前为止，大多数商用测力仪(如Biodex和Cybex)已被用来测定踝关节在受控速度和位移下的强度和刚度[1，由于它们体积庞大、价格昂贵，而且不适用于小型MTP接头，因此使用也有局限性[14个]. 据我们所知，最近只有手动测力计设备被用来测量脚趾的强度和刚度，并确定脚趾屈肌与性能的关系[6,15个,16个]。然而，这些测力计没有控制脚趾屈曲的角速度和位移，并考虑该旋转轴到解剖个体，这可能在扭矩测量引起一些变型的对齐和限制使用跨越个体趾刚度测量的。迄今为止，男人和他的同事们[17岁]介绍了一种计算机化的踝关节和MTP关节刚度测量装置，由于其可靠、便携、易于管理，在训练前和训练后均有应用[14个]。

由于被动刚度与培训可以增加[18岁]及运动特征[16个]运动员在运动参与过程中，还可以根据不同的运动特点和强度要求，发展出明显的被动关节刚度。与跑步等自定步调的运动相比，大多数其他运动（如篮球、足球、网球、羽毛球和乒乓球）都涉及更随机的动态和间歇运动模式，因为它们在整个比赛中以不同的动态和随机强度以及不同持续时间的步法进行[19个]。为了适应这些高适应性和快速决策型的运动，必须开发出更强壮的足部和踝部肌肉骨骼结构[2,18岁]。此外，篮球运动员在各种运动方向上进行大量的有力的跳跃、加减速、上篮、切入等动作[20个]。高频度、高强度的垂直跳跃动作可能需要较强的足趾和踝关节力量，因此篮球运动员的被动关节僵硬程度高于非篮球运动员。相反，跑步者需要最佳的脚趾和踝关节力量，以获得更好的经济效益[21岁,22个]。研究马拉松运动员、篮球运动员和其他运动员的踝足刚度，有助于理解运动参与的性质如何改变人类足的机械特性以适应。

迄今为止，垂直刚度（Kvert）主要用于描述下肢的整体机械性能/效率[23个,24个]，因为Kvert与下肢位置的变化有关[25个因此，运行经济[7]。由于Kvert受下肢关节位置的影响[8]踝关节和MTPJ的被动刚度可能与Kvert相关。因此，本研究的主要目的是研究跑步者、篮球运动员和其他运动运动员是否会表现出明显的踝关节和MTPJ被动僵硬和Kvert。第二个目的是确定Kvert与踝关节/MTPJ被动刚度之间的相关性。假设（1）篮球运动员在跳远和削球时的关节被动刚度可能高于其他运动员，且（2）Kvert可能与踝关节/MTP关节被动刚度有很好的相关性。

2.材料和方法

根据参加体育运动的情况，将51名男大学生代表队运动员分为长跑运动员、篮球运动员和其他体育运动员。有15名跑步运动员，19名篮球运动员和17名其他运动运动员参与了这项研究。据报道，其他体育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-测试显示，在年龄、身高、体重及运动经验方面，运动员组别( ,表格1)。为了获得每个组合适的参与者数量，本研究纳入了美国尺码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。测试获得了参与者的书面同意，测试程序也得到了香港理工大学人类学科伦理小组委员会的批准。

2.1条。被动关节刚度评估

用计算机测功机测量踝关节和MTP关节的被动刚度（发明专利ZL 201410299533.4，图1). 简言之，参与者坐在一个高度可调的长凳上，使得两条腿的踝关节、膝关节和髋关节在90°内弯曲，作为踝关节和MTP关节在坐姿下被动刚度测量的起始位置（图1(一), [14个,17岁])。通过调节横向平面和高度的对准，使踝关节和MTP关节轴在激光直线投影的引导下对准测功机的旋转轴。在每次测量中，测功器的支架以40°/s的角速度摆动了20个周期。MTP关节测量时，将脚固定在脚平台上，脚趾踏出弯曲的前缘，脚趾踏在脚趾平台上测量扭矩阻力(图)2 (b))。脚趾由趾板从中立位(0°，水平)延伸至40°背屈(图)1 (c))。完成坐位MTP关节被动刚度测量后，参与者在测功机上站立，以相同的足部对姿测量站立位MTP关节被动刚度。测量踝关节时，整只脚用尼龙搭扣固定在踏板上。整个足部被支架周期性地弯曲和伸展，从20°前屈到20°后屈(图2)1 (d))。结果表明，该方法对踝关节和MTP关节僵硬具有高的日内和日间重复性[17岁]。踝关节及MTP在日内刚度高(踝关节:ICC = 0.96;MTP: ICC = 0.91)和日间重复性(踝关节:ICC = 0.96;MTP: ICC = 0.91)，分别[14个]。

采用数字巴特沃斯零滞后低通滤波器对转矩信号进行四阶平滑，截止频率为30 Hz[14个,17岁]。计算实际踝关节和MTP关节的无源扭矩，分别用背景扭矩减去扭矩阻力，即空踏板以相同运动摆动时的扭矩阻力(图2)2(一个)). 在每次试验中，中间10个周期（即第6至15个周期）的平均峰值扭矩被视为总扭矩值（图2 (b))。关节刚度整体扭矩值由最大角位移除以[14个,17岁]。

2.2。跳频性能评估

Participants performed two 20-second single leg hopping on the force platform (Advanced Mechanical Technology Inc., Watertown, MA, USA) at a sampling frequency of 1,000 Hz for the left and right feet, respectively (Figure3.)。The participants were required to hop with their hand placing on the hip with a frequency of 2.2 Hz using in accordance with a metronome [26个]。试验之间的三分钟休息被允许减少疲劳。The vertical reaction force was smoothened by low-pass 4th-order digital zero-lag Butterworth filter with a cutoff frequency of 10 Hz to remove the noise signal. The acceleration of center of mass (CoM) was estimated by subtracting the ground reaction force with the body weight and then divided by the body mass [3.]。CoM的位移由加速度曲线的二重积分确定[3.,17岁]. 物理结果用垂直刚度（Kvert）表示，Kvert计算为最大反作用力除以每个跳跃循环中CoM的最大位移。每条腿的Kvert是中间20个跳跃周期的平均Kvert（即，第11至30个周期，图3 (b))。

2.3。数据分析

一个定制的MATLAB（MathWorks，Inc.，Natick，MA，USA）代码被应用于处理所有踝关节刚度、MTP刚度和垂直刚度（Kvert）变量。对每个参与者的左右数据进行平均，以便进一步分析。对每个变量进行单向方差分析，以检查运动员组之间是否存在显著差异。附加独立样本t-如果在方差分析中确定了显著的运动员群体效应，则进行测试。Pearson积相关分析踝关节僵硬、MTP僵硬（坐立）和垂直腿僵硬之间的相关性。相关性(r²)分为小/无(>0.0至≤0.25)、一般(>0.25至≤0.50)、中等至良好(>0.50至≤0.75)、良好至优良(>0.75至≤1.0)。所有统计分析均采用SPSS 19.0版(SPSS Inc.， Chicago, IL)，显著性水平设置为0.05。

3.结果

方差分析结果显示，坐立位对踝关节被动刚度和MTP关节被动刚度有显著的组效应(所有比较)，但Kvert ( )。事后测试表明，篮球组坐立MTP关节被动刚度均高于跑步者( )和其他体育健将组（ )（图4（甲）和4（b）). 与其他运动组相比，篮球组的踝关节被动僵硬程度更高( )(图4（c）)。

相关结果显示所有刚度变量之间存在显著的相关性(对于所有的比较，表2)。

4。讨论

测量踝关节和MTP关节的被动刚度对于临床和运动环境中的各种运动人群都非常有用。根据不同运动项目所需的特定运动特点和强度，运动员可能会产生不同的关节被动刚度和Kvert。本研究旨在探讨跑步者、篮球运动员和其他体育运动员是否会表现出不同的踝关节和MTP被动僵硬和Kvert。结果表明，篮球运动员的踝关节被动刚度比其他运动运动员高13%，与运动员（坐24%对站23%）和其他运动运动员（坐25%对站24%）相比，篮球运动员的MTP关节被动刚度更高。一个似是而非的解释是，篮球运动员需要更强的脚趾和脚踝的力量，这是由被动关节僵硬来表示的，以适应各种强有力的跳跃[11个]和剧烈降落更好的冲击衰减[9，而另外两组则在参与运动时并不需要经常跳跃。

另一种可能的解释可能与表演的力量和耐力类型有关。然而，长跑运动员可能需要最佳的脚趾和踝关节强度/硬度来达到长距离跑步的中等速度[6- - - - - -8]. 先前的一项研究表明，短跑运动员（经过强力训练）与长跑运动员（经过耐力训练）相比，腓肠三头肌肌腱和腱膜更硬[2，这表明关节刚度的机械性能与运动强度有关(力量训练的运动员与耐力训练的运动员)。从训练的角度来看，偏心运动可以增加有效肌肉长度和被动肌肉刚度(即)，与较大的力发展有关[22个]及较佳的跑跳表现[22个,23个]。由于篮球运动员需要更强壮的足趾屈肌来适应身体平衡、快速移动和频繁跳跃，进一步的研究应该确定是否更多的跳跃/落地动作或更高的运动强度导致更高的关节僵硬。

的垂直刚度（KVERT）已被常用于描述不同群体的运动性能，因为它可以描述下肢的整体机械性能/效率[23个]。然而，在目前的研究中，Kvert并没有显示出与踝关节和MTP被动刚度测量的良好相关性。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。这与以前的发现相矛盾[8]，这表明强大，训练有素的运动员有较高的腿刚度比耐力训练的运动员。在矛盾的结果将通过相关的各个关节运动和肌肉性能的补偿来解释。在未来，比较脚踝和MTP关节僵硬可能具有识别人才，为篮球运动员，尤其是在疲劳的情况下[更好的辨别能力27个]。

之前的踝关节和MTP被动刚度测量在很大程度上仍然依赖于人工技能，因为之前的设备在扭矩测量过程中没有很好地控制对准、角速度和位移[15个]。在本研究中，我们测量了踝和MTP关节被动的刚度的测量与测力计的计算机化，这将提供对准的良好控制，角关节速度和位移[14个,17岁]. 虽然坐姿和站姿的MTP刚度研究结果显示，运动员组之间的趋势相似，但与坐姿相比，站姿的MTP刚度值更高。站立时，足底腱膜被收紧，导致较高的MTP硬度值。这表明MTP的被动刚度与承载力和节点位置有关。在实际应用中，由于MTP具有相似的分辨能力（图4（甲）和4（b），与踝关节僵硬程度关系较好(表1)2），以及易于姿势控制[16个,17岁]。我们的研究结果将有助于体育表演的理解和治疗和康复方案在脚踝和脚掌受伤的发展。在鞋类应用中，优化前脚弯曲刚度（在MTP区域）可以提高跳跃，短跑，和敏捷性的性能[11个,28个]。此外，关节接触力可运动期间为膝关节装载更好的估计提供附加信息[29个]。在训练中的应用，优化踝关节和MTP关节僵硬，也可以提高运行模式，并尽量减少受伤的风险[30个]。监测MTP关节僵硬可能是一个均值来评价手术和康复（强度和持续时间）成果前脚相关的伤害[7,25个]。

在解释我们的结果时有一些实验限制。首先，本研究招募了一个单一的男性大学运动员群体，这并不能推广到其他群体。在比赛中，不同性别、不同级别和不同位置的运动员在跳跃强度和频率上可能有显著差异[20个]。其次，在本研究中检测只有关节僵硬数据，因此，与运动性能的调查结果的解释必须是审慎的。未来的研究可以考虑更全面的评估，包括国家体育性能（例如，跳跃，奔跑，和敏捷性）和肌肉活动的测量。

5个。结论

篮球运动员的踝关节和MTP关节被动刚度均高于长跑运动员和其他运动运动员，说明关节刚度的力学性质与耐力训练运动员的运动强度有关。踝关节和脚趾的力量练习可以发展足够的踝关节和MTP关节被动僵硬，这是篮球所需要的。

数据可用性

支持本研究结果的数据可根据要求从通信作者处获得。

利益冲突

作者声明本论文的发表不存在利益冲突。

致谢

作者表示，这项研究得到了国家体育总局体育医学重点实验室和四川省的支持。

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