刚度调节压缩服装对反向跳跃中下肢角运动学与力-时间特征的影响

《Journal of Exercise Science & Fitness》：Effects of stiffness-altered compression garments on lower-limb angular kinematics and force-time characteristics in countermovement jumps

　　

摘要

背景/目的：具有局部刚度调节的压缩服装（CGs）被市场推广用于提升运动表现，然而其对于跳跃运动益处的证据仍然有限。本研究旨在评估刚度调节压缩服装对反向跳跃（CMJs）中下肢角运动学与力-时间特征的影响。

方法：62名身体活跃的成年人（31名女性，31名男性）在四种条件下完成反向跳跃：对照组（仅穿短裤）、带刚度组件的护膝套、无刚度调节的压缩紧身裤、以及刚度调节压缩紧身裤。通过动作捕捉系统记录矢状面关节角度，通过测力台采集垂直地面反作用力。研究人员对导出变量进行双因素（性别×条件）方差分析，同时采用离散分析和一维统计参数映射（SPM）分析。

结果：相对于非紧身裤条件，两种紧身裤条件均显著限制了髋关节活动范围（81-82? vs. 非紧身裤85?，p=0.001）和峰值伸展速度（455-461?/s vs. 非紧身裤512?/s，p<0.001）。SPM进一步揭示了时相特异性效应，例如刚度调节紧身裤在早期卸载阶段髋关节屈曲速度较慢（p<0.001）。膝关节和踝关节运动学未受影响。此外，刚度调节紧身裤降低了反向运动速度（1.37 m/s vs. 对照组1.43 m/s，p=0.018）和制动冲量（1.37 N·s/kg vs. 对照组1.43 N·s/kg，p=0.017），但未损害跳跃高度（～0.3 m）和推进冲量（～2.5 N·s/kg）。未观察到性别与条件之间的交互作用。两种非紧身裤条件之间以及两种紧身裤条件之间均未发现显著差异。

结论：尽管未检测到运动表现的明显下降，压缩紧身裤主要限制了髋关节运动并改变了反向跳跃中的离心时相特征，可能削弱了拉长-缩短周期效率。为促进刚度调节压缩服装的有益效果，未来研究设计应通过压缩力和刚度测量来控制服装合身度，并通过更具特异性和代表性的抽样来控制个体技能水平差异。

论文解读：刚度调节压缩服装对反向跳跃下肢生物力学特征的影响——基于离散分析与SPM的综合评估

一、研究背景与目的

压缩服装（compression garments, CGs）通过对覆盖组织施加机械压力，在体育科学领域受到广泛关注。调查显示，超过半数的非耐力项目运动员将提升运动表现作为使用压缩服装的主要原因，其中超过70%的运动员感知到了实际表现收益。然而，近期综述研究报道压缩服装对跳跃、冲刺和变向等非耐力型运动任务的表现提升作用极为有限甚至无显著效果，这种预期与现实之间的差距促使研究者和制造商不断探索新型压缩服装设计。

在此背景下，部分制造商尝试通过改变针织和编织方法对压缩服装进行局部刚度调节。具体而言，纱线的编织图案和线圈密度决定了特定区域的组织刚度，另有研究通过在指定区域（如大腿后侧或膝关节周围）附加张力带实现刚度改变。已有研究表明，这些刚度调节压缩服装在步行、跳跃和快速变向等不同运动任务中一致地限制了髋关节活动范围（range of motion, ROM）。尽管刚度调节在被动条件下可显著增加髋关节力矩，但在动态任务中未被检测到显著差异。值得注意的是，当髋关节和膝关节同时屈曲时，臀部和股部区域（而非膝部区域）承受最大的压力变化，这支持了髋关节运动比膝关节更容易受到局部刚度调节影响的观点。

反向跳跃（countermovement jump, CMJ）测试在应用和研究领域日益普及，是评估下肢爆发力最可靠有效的指标。不同于次最大强度下进行的周期性位移任务（如步行和跑步），反向跳跃是要求有效利用双腿拉长-缩短周期（stretch-shortening cycle, SSC）以最大化垂直方向发力率的离散任务。借助测力台，反向跳跃可提供下肢协调性、不对称性、神经肌肉疲劳和训练适应监测等额外信息。近期一篇综述综合了41项关于压缩服装对跳跃表现影响的研究，报告了不一致的结果，大多数研究显示无益或仅有少数有益效应。许多研究仅关注跳跃高度，少数采用了测力台测量的力-时间特征指标。对于刚度调节压缩服装，仅Wannop等人报告了在"最佳"刚度和压缩条件下跳跃高度有所提高，因此有必要进一步研究反向跳跃的力-时间特征如何解释这种表现提升。

在关节运动学方面，局部刚度调节可能增加随身体姿势变化的压力变化，从而增加对特定覆盖关节运动的整体阻力。本研究仅关注矢状面运动学，原因在于：(i) 反向跳跃中矢状面的活动范围明显大于非矢状面；(ii) 矢状面运动学可解释跳跃高度变异的更大比例，而非矢状面运动学则不能。显然，尽管运动压缩服装力学性质（即刚度）局部调节的趋势日益增长，当前生物力学文献仍缺乏关于这种新兴压缩服装类型如何影响反向跳跃模式的全面记录。

因此，本研究旨在使用传统零维（离散）和一维统计参数映射（statistical parametric mapping, SPM）方法，评估刚度调节压缩服装对反向跳跃中下肢角运动学和力-时间特征的影响。传统零维方法可简化统计分析并提供清晰、具有实际意义的结果指标，但仅依赖离散点可能遗漏峰值之间的细微变化。为补充这些指标，统计参数映射作为替代的一维方法，可分析整个跳跃运动中时间序列数据的差异。与传统零维变量结合使用，一维连续分析能对逐时相变化提供更高敏感性，从而丰富对运动模式变化的整体解释。

研究人员假设刚度调节压缩服装将：(i) 在关节活动末端限制髋关节运动；(ii) 膝关节和踝关节运动学无差异；(iii) 在最低蹲位附近改善与表现相关的力-时间特征。前两项假设基于多种运动模式的一致观察结果以及髋关节屈曲时更大的压力变化；第三项假设基于Wannop等人报告的反向跳跃表现提升以及力-时间特征与反向跳跃表现之间极强的关联性（高达90%）。

考虑到跳跃生物力学中的性别差异已被广泛记录，为确保研究结果对女性服装使用者的适用性并减少运动相关压缩服装研究中队列的性别偏倚，本研究采用了1：1混合队列设计。次要目标是识别潜在的性别-条件交互作用。鉴于缺乏类似设计且基于先前研究结果，研究人员保守地提出了无交互作用假设，即刚度调节应在操作层面对参与者施加相似的物理约束，而不论其生物学性别。

二、研究方法概述

本研究招募了62名身体活跃的成年人（31名男性和31名女性，年龄=21.9±2.2岁；身高=170.1±7.1 cm；体重=62.2±9.2 kg），采用1：1性别比例混合队列设计。纳入标准包括：年龄18-30岁、身体质量指数（BMI）18.5-24.9 kg/m2、每周至少120分钟运动参与；排除标准包括：过去六个月内有下肢手术史或导致运动参与超过三周中断的损伤史，以及影响任务表现的任何神经肌肉或骨骼肌肉疾病。样本量基于先前研究中峰值髋关节伸展速度的效应量（0.26），采用G*Power计算得出n=36，并考虑到一维SPM分析可能需要额外20名参与者以达到相同统计功效，故保留完整队列62名参与者。所有参与者均提供了书面知情同意，研究经机构研究伦理委员会批准（参考号：SBRE-21-0681）。

实验采用四种条件：(i) 仅穿短裤的对照组（CON）；(ii) 带刚度组件的护膝套（KS）；(iii) 无刚度调节的压缩紧身裤作为安慰剂组（PB）；(iv) 刚度调节压缩紧身裤（CL）。各服装的线性刚度依据ASTM标准测试方法（ASTM D4964-96(2020)）在髌骨水平横向方向测定。参与者完成标准化热身，随后按照Plug-in Gait下肢模型粘贴16个反光标记，使用11摄像头光电系统（Vicon Bonita 10）以100 Hz采集下肢关节屈曲/伸展角度，使用两块AMTI力台（BMS400600）以1000 Hz采集垂直地面反作用力（GRF）。反向跳跃采用标准指令"尽快下蹲，尽量跳高，落地后恢复站立"，双臂交叉于胸前。每位参与者在每种条件下完成三次成功试次，试次间休息至少30秒。

数据处理方面，标记轨迹和垂直GRF数据分别以10 Hz和50 Hz截止频率的低通四阶Butterworth滤波器进行滤波。关节角度在Vicon Nexus软件中基于Plug-in Gait下肢模型计算，角速度-时间曲线由角度-时间曲线的一阶导数得出。跳跃起始定义为垂直GRF降至体重97.5%以下时，起跳和落地分别定义为垂直GRF降至和超过20 N时。质心（COM）加速度-时间曲线由垂直GRF-时间曲线推导，积分得到速度-时间曲线。跳跃高度采用冲量-动量法估算，反向运动深度采用双重积分法估算。力和冲量分别以体重和身体质量进行标准化。时间序列从跳跃起始到起跳进行裁剪，并使用简单三次样条插值归一化到最长试次。离散变量采用混合双因素方差分析（条件为组内因素，性别为组间因素），连续时间序列数据采用一维SPM混合双因素方差分析，显著性水平设为α=0.05，事后比较采用Bonferroni校正。

三、研究结果

3.1 离散角运动学变量

未检测到显著的交互作用（p>0.089）。条件效应仅对髋关节运动显著，包括髋关节活动范围（p=0.001，η2p=0.126）、峰值屈曲速度（p=0.011，η2p=0.079）和峰值伸展速度（p<0.001，η2p=0.338）。事后比较显示，在活动范围和峰值伸展速度方面，紧身裤条件与非紧身裤条件相比存在髋关节运动限制（p<0.044），但髋关节活动范围在CL与CON之间的比较除外（p=0.128）。PB条件下的峰值髋关节屈曲速度降低（vs. KS，p=0.047）。性别差异在踝关节活动范围（p=0.005，η2p=0.152）、膝关节活动范围（p=0.036，η2p=0.086）和峰值膝关节伸展速度（p=0.038，η2p=0.085）方面显著。

3.2 一维SPM角运动学分析

SPM分析仅显示髋关节角度和角速度-时间曲线存在显著条件效应（p<0.05）。事后比较显示，刚度调节压缩紧身裤（CL）在早期卸载阶段（0.0%-3.85%，p=0.048）比护膝套（KS）引起更大的髋关节屈曲，而安慰剂紧身裤（PB）在中期推进阶段（80.0%-93.1%，p=0.030）比KS表现出更少的髋关节屈曲。在早期卸载阶段（0.0%-23.9%，p<0.001），CL条件下的髋关节屈曲速度比两种非紧身裤条件更慢。在中期推进阶段的一小部分时间（77.7%-80.8%，p=0.041）存在显著条件效应，但未发现显著的事后两两比较。相对于非紧身裤条件，两种紧身裤条件在推进后期（88.5%-100.0%，p=0.005）均表现出较慢的髋关节伸展。女性参与者在推进后期（90.0%-100.0%，p=0.034）表现出更大的踝关节跖屈角度和较小的髋关节伸展角度（76.9%-100.0%，p=0.012），以及在推进早期（64.5%-86.15%，p=0.006）较小的膝关节屈曲角度。所有角速度-时间曲线均无显著性别效应（p>0.05）。

3.3 离散GRF衍生变量

跳跃高度无显著差异（p=0.339，η2p=0.021），未检测到显著交互作用（p>0.188）。运动学变量中，仅峰值质心向下速度显示出显著的条件效应（p=0.013，η2p=0.075），事后检验显示CL条件下速度降低（vs. CON，p=0.018）。动力学变量中，平均制动力（p=0.007，η2p=0.085）、峰值制动力（p=0.001，η2p=0.120）、制动冲量（p=0.012，η2p=0.077）和峰值推进力（p=0.024，η2p=0.076）均存在显著条件效应。事后比较显示紧身裤条件下的力和制动冲量降低（vs. CON，p=0.002-0.032）。除起跳时间（p=0.869）和推进时相时间（p=0.726）外，所有GRF衍生变量均存在显著性别差异（p<0.047，η2p=0.078-0.484）。

3.4 一维SPM GRF分析

SPM分析显示力、质心速度和位移-时间曲线均无显著条件效应（p>0.05）。质心速度在制动早期（40.6%-52.4%，p<0.001）和推进后期（76.1%-100.0%，p<0.001）以及质心位移在制动后期至推进早期（59.2%-85.1%，p<0.001）存在显著性别效应。

四、讨论与结论

本研究探讨了刚度调节压缩服装对反向跳跃力-时间特征和下肢运动学的影响。研究结果显示，刚度调节和安慰剂紧身裤均限制了髋关节活动范围和伸展速度，SPM分析揭示了时相特异性效应（如中期推进阶段髋关节屈曲减少）。虽然本研究旨在理解压缩和刚度调节的联合效应，但研究结果本身未检测到超越单纯压缩效应之外的额外变化，这与研究团队先前的发现一致。离散力变量在紧身裤条件下降低，尽管对跳跃高度没有整体影响。未检测到性别交互作用。

与Wannop等人的研究一致，刚度调节压缩紧身裤限制了髋关节矢状面活动范围并降低了峰值髋关节伸展速度。本研究的限制程度较不显著，因为刚度调节并非通过附加固定刚度带来实现。SPM分析进一步揭示了刚度调节压缩紧身裤在早期卸载阶段（0.0%-3.85%）的一致活动范围限制，这可能表明站立期骨盆方向存在不理想的服装适配，部分支持假设(i)。在另一末端（最大屈曲）的活动范围限制不太一致，反映在结果中较大的变异性。

直觉上，完整的关节覆盖会抵抗相关关节运动，尤其是需要大活动范围的运动。紧身裤条件下膝关节和髋关节均被覆盖，然而膝关节活动范围在各条件间无显著差异，尽管其活动范围更大。踝关节运动学未改变也不足为奇，因为踝关节在任何条件下均未被覆盖。显然，服装覆盖对关节运动的影响受多种因素制约。Wang等人绘制了瑜伽姿势下的下肢皮肤变形图谱，报告了下臀部周围和髌骨周围最大的皮肤拉伸。髌骨周围的大曲率可能导致服装与皮肤之间的不合身，从而限制了压缩服装对膝关节运动学的影响。相反，圆形的臀部区域提供了较大的接触面积，因此随着服装拉伸，该区域更容易受到压缩和刚度调节的影响。

近期一项研究也报告了压缩短裤在中期推进阶段减少髋关节屈曲角度。紧身裤条件下较慢的髋关节屈曲和伸展可能源于离心阶段肌肉收缩速度和幅度的降低，从而削弱了拉长-缩短周期机制，如弹性储能和牵张反射。虽然压缩可刺激机械感受器并通过增强感觉反馈提升表现，但较快的伸展不太可能解释本研究中推进阶段髋关节屈曲的减少。显然，施加于髋关节伸展上的压力效应仍不一致，可能呈现增强感觉运动反馈与削弱拉长-缩短周期之间的相互作用。

峰值反向运动速度和其他制动阶段力变量的降低表明，所研究的紧身裤阻碍了反向跳跃的离心成分，随后导致较小的峰值推进力。因此，假设(iii)（改善与表现相关的力-时间特征）未得到支持。与冲量-动量法一致，跳跃高度、推进冲量和起跳速度一致地未显示显著差异。峰值推进力的降低可能受到反向运动速度降低的混淆影响，因为这类峰值通常在推进阶段早期形成。这些观察结果与先前关于髋关节运动的解释一致，因为髋关节力矩对反向跳跃表现有显著贡献。

尽管如此，较慢的髋关节伸展并未转化为表现下降。这可能归因于需要不同关节输出的不同协调策略，尽管跳跃高度不变。本研究参与者的跳跃技能水平和训练负荷未受控制，其表现比先前队列低10厘米以上。相对较低的技能水平和训练负荷可能呈现较高的协调变异性，掩盖了缓慢髋关节伸展可能造成的表现下降。与Wang等人的研究一致，本研究在GRF衍生时间序列方面未显示显著差异。这可解释为：(i) 个体时序变异和时间归一化导致的峰值错位阻碍了直接比较；以及(ii) 相同样本量下一维SPM的统计功效低于离散分析。因此，仅检测到效应量较大（η2p=0.338）的峰值髋关节伸展速度变化。

与假设一致，未观察到性别-条件交互作用，表明条件效应不依赖于性别差异，反之亦然。与先前研究一致，女性参与者的力变量值较小。SPM分析还识别了质心位移在其最低位置附近（59.2%-85.1%）和制动早期速度（40.6%-52.4%）的额外性别差异，而先前SPM研究仅报告了推进阶段的差异。这些发现需谨慎解读，因为压缩服装和研究参与者更保守的跳跃方式可能混淆结果。

本研究存在若干局限性：第一，身体活跃参与者具有多样化的运动训练背景，引入了跳跃表现的异质性。第二，尽管进行了充分热身，一些发现（如站立期骨盆方向改变）可能反映压缩服装的急性效应，长期效应仍不明确。第三，序数服装尺码引入了参与者之间不同程度的压缩和刚度。缺乏体内压缩和刚度测量限制了对结果的解释力，并阻碍了阐明刚度调节对参与者运动模式的任何额外效应。

综合而言，离散分析表明压缩紧身裤（无论是否有刚度调节）限制了髋关节矢状面运动，并降低了离心阶段的速度和力。除较慢的髋关节伸展外，SPM还识别出早期卸载阶段的时相特异性变化（如较慢的髋关节屈曲），提示压缩紧身裤可能通过降低拉长-缩短周期效率来影响运动策略。膝关节和踝关节运动学未受影响，可能归因于髌骨周围的大曲率和未被覆盖的踝关节限制了随关节运动的刚度变化。有和无刚度调节的压缩紧身裤之间缺乏可检测差异，表明压缩本身而非局部刚度调节驱动了所观察到的运动学和力-时间特征变化。服装合身度的变异和个体跳跃协调性也可能混淆结果。未发现性别与条件间的交互作用，暗示不同性别对压缩服装的生物力学响应相似。未来研究应纳入直接压缩和刚度测量，探索长期适应效应，并考察更具特异性的运动员群体，以更好地阐明刚度调节设计对运动表现的潜在益处。本论文发表于《Journal of Exercise Science》。