运动性疲劳与弓步方向对男性羽毛球运动员持拍侧下肢生物力学特征的影响

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Effects of exercise-induced fatigue and lunge direction on racket-side lower-limb biomechanics during forward lunges in male badminton athletes

　　

目的：本研究探讨了运动性疲劳与弓步方向对男性羽毛球运动员正手及反手向前弓步过程中持拍侧下肢生物力学特征的影响。 方法：24名男性运动员在标准化三步弓步测试前后，接受了结合冲刺间歇跑与最大垂直跳的疲劳干预方案。采用Vicon三维运动捕捉系统记录运动学数据，测力台同步采集地面反作用力（Ground Reaction Force, GRF）。下肢生物力学分析聚焦于持拍侧肢体。结局变量包括各时相持续时间、关节运动学与力矩、身体重心（Center of Mass, COM）速度、地面反作用力、冲量、关节准刚度（Quasi-Stiffness）及动态姿势稳定性指标。采用双因素重复测量方差分析（two-way repeated-measures ANOVA），并依据预设的生物力学领域及效应特异性进行Benjamini–Hochberg错误发现率校正。 结果：经BH校正后未检测到显著的疲劳×方向交互作用；然而，鉴于交互效应统计敏感性有限，该结果应视为不确定。疲劳缩短了制动时相持续时间，降低了恢复期身体重心速度增量、制动期冲量、恢复期前后向冲量及部分关节活动范围（Range of Motion, ROM），同时增加了恢复期髋、膝关节准刚度。反手弓步较正手弓步表现出更大的二次冲击地面反作用力、更高的动态姿势稳定性指数（DPSI）、垂直稳定性指数（VSI）及内外侧稳定性指数（MLSI），更大的踝关节背屈与内翻角度，以及更大的膝关节伸展力矩。 结论：在持拍侧肢体中，疲劳诱导了更为受限的弓步策略，并降低了恢复期冲量生成及身体重心速度增加。反手弓步较正手弓步表现出更大的冲击负荷、制动期力波动及踝关节力学需求。

论文解读

一、研究背景与问题提出

羽毛球运动包含大量高强度、多方向的重复性动作，其中弓步动作在比赛中的占比超过15%。弓步支撑阶段由制动相与恢复相构成：制动相中运动员需减速并吸收冲击以完成击球，恢复相中则需发力重新获得速度以回位。弓步过程中地面反作用力可达体重的约2.5倍，对下肢离心控制能力提出较高要求。既往研究已表明，羽毛球弓步涉及显著的膝、踝关节力学需求、快速减速及全身动量控制。弓步方向可能影响下肢负荷与运动策略，正手与反手向前弓步分别于持拍侧与非持拍侧完成，其相对持拍侧的不同朝向可能带来不同的关节负荷与稳定性需求。然而，既往关于方向性差异的研究结果并不一致，例如Nielsen等报道男性运动员反手弓步的额状面髋、膝、踝力矩低于正手弓步，而Xie等在女性业余选手中未发现方向性差异。这些矛盾可能源于受试者性别、技能水平、动作执行或实验程序的差异。此外，下肢损伤约占羽毛球相关损伤的52%，疲劳可能改变负荷分布与运动控制。既往研究多关注业余选手或单一关节层面变量，尚未系统刻画训练有素男性运动员在疲劳状态下弓步全过程中身体重心速度、制动与恢复冲量及动态姿势稳定性的阶段性变化。因此，本研究旨在检验训练有素男性羽毛球运动员在非疲劳与疲劳状态下正手与反手向前弓步中持拍侧下肢运动学与动力学特征，假设疲劳会改变持拍侧下肢运动策略并改变力学需求，同时假设反手弓步较正手弓步施加更大的持拍侧负荷与稳定性控制需求。

二、研究设计与主要技术方法

本研究招募24名广州体育学院男性羽毛球运动员，均持有中国国家二级运动员及以上证书，每周专项训练不少于6小时，右利手，近6个月无下肢损伤，依据参与者分类框架属于第三层级（高度训练）运动员。研究经广州体育学院伦理委员会批准。实验采用Vicon八摄像头三维运动捕捉系统（200 Hz）与两块AMTI测力台（1000 Hz）同步采集运动学与地面反作用力数据。疲劳干预采用重复垂直跳与30米冲刺组合方案，以跳高降至最大值的70%以下、RPE≥17及心率≥80%最大心率作为疲劳判定标准。弓步任务为标准化三步正手与反手向前弓步，弓步距离设定为个体腿长的1.5倍。数据分析在Visual3D中完成，运动学与动力学数据分别采用四阶Butterworth滤波器以12 Hz与100 Hz截止频率滤波。支撑相划分为制动相（初始触地至最大膝屈曲）与恢复相（最大膝屈曲至足尖离地）。结局指标涵盖时相持续时间、身体重心前后向速度、峰值关节角度、关节活动范围、地面反作用力与冲量、峰值净内力矩、分相矢状面关节准刚度及前后向、内外侧、垂直与动态姿势稳定性指数。统计采用2×2重复测量方差分析，按五个生物力学领域与三种效应预设15个推断族，分别进行Benjamini–Hochberg错误发现率校正，并以Benjamini–Yekutieli程序进行敏感性分析。

三、研究结果

疲劳干预持续14.38 ± 2.82分钟，结束时心率达183.56 ± 8.04次/分，RPE为19.04 ± 0.98。疲劳后弓步测试期间心率与RPE仍维持较高水平。经BH校正后，所有疲劳×方向交互作用均未达显著，敏感性分析显示n=24时80%统计功效对应标准化组内效应量dz约0.60。

疲劳主效应方面：疲劳显著缩短制动相持续时间，降低足尖离地时前后向速度绝对值、制动相与恢复相身体重心速度变化量，减少初始垂直冲击峰值、制动相与恢复相前后向及垂直冲量，同时增加承重期垂直地面反作用力。运动学上，疲劳降低髋、膝、踝多平面峰值角度及关节活动范围，包括髋屈曲与外展、膝屈曲与内翻、踝背屈、髋矢状面与横断面活动范围、膝矢状面与额状面活动范围，但增加髋外旋峰值。动力学上，疲劳降低髋伸展力矩峰值，增加恢复相髋与膝关节准刚度。

方向主效应方面：反手弓步较正手弓步表现出更低的初始触地身体重心速度与更小的恢复相速度变化量，更大的二次冲击与缓冲期垂直地面反作用力，更小的制动相前后向冲量，更高的动态姿势稳定性指数、内外侧稳定性指数与垂直稳定性指数，更低的前后向稳定性指数。运动学上，反手弓步表现为更小的髋外展与外旋、更大的膝屈曲、更小的膝内翻、更大的踝背屈与内翻、更小的膝横断面活动范围及更大的踝矢状面活动范围。动力学上，反手弓步具有更大的膝伸展力矩与踝背屈力矩。

四、讨论与结论

讨论部分指出，疲劳诱导的制动相缩短及多平面关节活动范围减少表明运动员采用更受限的弓步策略，可能反映神经肌肉控制能力下降后为维持稳定性而采取的代偿性调整。恢复相身体重心速度增量与冲量降低提示疲劳损害了弓步后快速回位的能力，而恢复相髋、膝准刚度增加可能反映关节在疲劳状态下趋于刚性化以补偿肌肉力量下降。方向性差异方面，反手弓步更大的二次冲击负荷与更高的稳定性指数提示其较正手弓步具有更高的冲击吸收与姿势控制需求，更大的踝关节活动范围与力矩则表明踝关节在反手弓步中承担更高的力学要求。研究结论为：在持拍侧肢体中，疲劳诱导了更受限的弓步策略并降低了恢复期冲量生成与身体重心速度增加；反手弓步较正手弓步表现出更大的冲击负荷、制动期力波动及踝关节力学需求。