基于三維運動捕捉的籃球護膝防護性能研究

劉青青 閻玉秀

摘?要：在籃球運動中，需要完成大量高速度和強對抗性的籃球技術動作，其中急停跳投與爭搶籃板球特別容易引起膝關節的損傷。本文運用三維動態捕捉系統捕捉這兩個技術動作，探討在無護膝防護和兩種護膝防護狀態下，膝關節屈曲角，外旋角與外展角的變化，并對不同狀態下的膝關節最大屈曲角，最大外旋角和最大外展角進行單因素方差分析。結果得出在急停跳投和爭搶籃板球動作下，兩種護膝裝置對膝關節屈曲和外旋均有防護效果，其中半剛性護膝對膝關節外展有一定的防護作用。

關鍵詞：籃球運動損傷;護膝;三維運動捕捉;防護性能

中圖分類號：TS941.17

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2019）02-0053-06

Abstract：In basketball game， it need to complete a large number of high-speed and strong confrontational basketball technology actions， of which stop-jump shots and rebound fighting are especially easy to cause knee injuries. 3D Dynamic Capture System was used in this paper to capture the two movements in order to investigate the change of knee flexion angle， external rotation angle and abduction angle without protection and under the protection of two kinds of kneepads. Finally， one-way ANOVA method was adopted to analyze the protective effect on the peak knee flexion angle， peak knee abduction angle and peak knee abduction angle under different conditions. The results showed that the two kinds of kneecaps had protective effects on knee flexion and external rotation， where the semi-rigid kneecap had certain protective effect on the knee abduction.

Key words：basketball sports injury; kneepads; 3D Dynamic Capture System; protective ability

籃球運動動作激烈，運動員需要頻繁的使用膝關節做急起、急停、變向、轉身、跳躍等技術動作，這很容易導致膝關節運動損傷[1]，徐小敏對江蘇十余所高?；@球運動員的調研顯示，膝關節損傷在運動員中較為普遍，約有88.57%的籃球運動員都發生過不同程度的膝關節損傷[2]。尤其是做垂直跳起、突然停步轉身等動作時，膝關節承受到很大的沖擊力，垂直跳起會使腳在落地時與地面進行劇烈沖擊，然而這些沖擊力會通過腳緩沖到膝關節[3];而突然停步轉身會使膝關節發生強烈扭轉而引起損傷。隨著人們自我保護意識的提高，逐漸意識到佩戴護膝可對膝關節起到一定的固定作用，從而防止膝關節的損傷或者減輕膝關節的損傷程度。

目前國家標準中對護膝的規定只限定了護膝材料的安全性能，但是并沒有對護膝的防護性能做出相關要求，因此造成了市面上的護膝種類各異，性能也各異[4]。通過本論文的研究可以評定不同款式的護膝在籃球運動項目中的防護效果，為籃球運動愛好者以及運動員購買護膝提供參考。

1?實驗準備

1.1 實驗對象

挑選在校男大學生籃球愛好者8名，年齡（23.25±1.20）歲，身高（176.38±1.87）cm，體重（71.33±2.32）kg，膝圍（37.23±2.03）cm，所有受試者6個月內下肢無損傷史，且能很熟練的完成各種籃球動作。實驗在浙江理工大學服裝學院人體科學實驗室進行。

1.2?實驗材料

主要通過線上電商調研，選擇了3個銷售平臺（淘寶、阿里巴巴和京東），通過搜索了“防護護膝”關鍵詞，基于銷售量、好評率和銷售信用綜合選擇了40余款不同產品進行整理分析。本文的防護性研究主要從護膝的穿戴方式進行分析，可以將護膝結構分為彈性套筒穿戴式和開口調節式和繃帶纏繞式，市面上這三種占比分布分別為 42%、51%、7%，反映出用戶對于彈性套筒穿戴式和開口調節式這兩種穿戴方式的穿脫習慣接受度接近。

針對護膝類型的選擇對籃球愛好者進行問卷調查，主要通過網絡問卷調查的方式，共收回50份有效問卷，結果如圖1所示，選擇彈性護膝和開口式半剛性護膝的占比較大，分別是81.25%和79.20%。

根據市場調研和問卷調查，最終選取某品牌的彈性護膝和開口式半剛性護膝來研究其防護性，護膝的具體參數如表1所示。

1.3?實驗設備

實驗主要儀器為美國Qualisys Track Manager三維動態捕捉系統，三維動態捕捉系統配備動作捕捉攝相機9臺，四百萬像素，有用于動作捕捉的反光Marker球和四個剛體，其中剛體由4個Marker點組成，這樣結構就保證了Marker點的運動與剛體的運動一致，主要用于系統的坐標系設定[5-6]。數據分析軟件為三維步態體態分析軟件Visual 3D。三維動態捕捉系統可通過高速攝像頭捕捉標記在人體上的Marker點來記錄人體關節在運動過程中的軌跡，再把數據導入Visual 3D軟件中進行骨骼模型構造以及計算和分析，最后以三維坐標數據形式直接輸出到Excle表中。

2?實驗設計

2.1?實驗原理

膝關節損傷最常見的類型有膝關節骨折、交叉韌帶損傷、側副韌帶損傷以及半月板損傷。前交叉韌帶和內側副韌帶在屈膝最大時容易發生撕裂;研究認為受地面反作用力和膝關節矢狀面運動慣性的作用，再加上膝關節外旋及過度外展，容易導致前交叉韌帶損傷[7];籃球運動時，膝關節經常處于半屈位狀態，而此時在軸向負荷作用下，同時伴有內收或者外展，容易出現膝關節半月板損傷[8]。膝關節過度屈曲、外展和外旋是造成膝關節損傷的重要原因。護膝的主要作用是給予膝關節一定的固定和支撐，因此研究護膝是否能有效地減小膝關節最大屈曲角、外展角、外旋角來確定護膝的防護性能。其中膝關節最大屈曲角、外展角、外旋角指的是籃球動作中受試者膝關節屈曲、外展、外旋至最大時的角度[9]。

2.2?實驗操作

三維動態捕捉實驗按照防護狀態分為3組，然后進行不同籃球動作的實驗，具體情況如表2所示。

八位受試者統一穿著普通運動短褲以及籃球運動鞋，測試前做好熱身準備。首先在人體相應部位貼上Marker點，如圖2所示，其中四個剛體分別綁在受試者左右大腿中部外側，左右小腿中部外側。表3是各Marker點對應在下肢上的位置介紹。

首先采集受試者靜止狀態下的數據，為后期在Visual 3D中構建骨骼模型做基礎，讓受試者雙手抱于胸前保持靜止，采集30 s。在靜態點的基礎上減少左右下肢的FTC、FLE、FME、FAL、TAM這十個點，受試者先通過抽簽的方式隨機選擇護具測試順序，隨后進行急停跳投和搶籃板球的動態測試。受試者在聽到“開始”口令后做動作，動作結束站穩后要保持靜止3 s，以防捕捉不到落地時的三維數據。每次動作間休息1 min，以避免肌肉疲勞對測試結果產生影響，每種測試條件下每個動作采集3次有效數據。動態實驗過程中要關注受試者身上的Marker點，若出現Marker點被遮擋或掉落的情況，都需要重新進行測試。

3?結果與分析

動態捕捉的數據以三維坐標數據形式直接輸出到Excle表中，其中數據的正負表示方向，如圖3所示，X軸（前后方向）、Y軸（左右方向）、Z軸（垂直方向）分別代表膝關節沿著X軸正方向屈曲、沿著Y軸負方向外展、沿著Z軸正方向外旋。根據實驗數據，計算并提取膝關節最大屈曲角、最大外展角、最大外旋角。

實驗數據以均數±標準差（x±S）形式表示，采用SPSS 17.0統計學軟件進行統計學處理。采用單因素方差分析比較護膝裝置防護間各實驗參數的差異是否有統計學意義，若有統計學意義則繼續采用多重比較確定顯著性差異發生在具體哪兩個水平之間。其中樣本數據發生的概率是由統計量的觀測值概率P值間接計算得到的，顯著性水平α是指統計量的值落在某個極端區域的概率值，一般設定α=0.05，若概率P值小于顯著性水平（P<0.05），則認為差異有統計學意義[10]。

3.1?膝關節角度變化與分析

根據三維動態捕捉系統捕捉的動態影像，把數據進行運動階段的劃分，急停跳投可分為跑步急停（T1）—起跳（T2）—騰空（T3）—落地（T4）四個階段;爭搶籃板球動作分為起跳（T1）—騰空（T2）—落地（T3）三個階段。

3.1.1?急停跳投動作角度變化與分析

急停跳投情況下，三維動態捕捉測試膝關節屈曲角、外展角、外旋角隨時間變化曲線如圖4-圖6所示。

由圖4所示，膝關節屈曲角變化相對來說比較規律，在T1、T2、T4階段，膝關節屈曲都是先增大后減小，彈性護膝和半剛性護膝防護下的屈曲角小于無護膝防護下的屈曲角;在T3階段，屈曲變化比較平穩，各種狀態下的膝關節屈曲角相差不大。

由圖5所示，膝關節的外旋變化整體處于不穩定狀態，但是可以看出在T1、T2、T4階段，膝關節的外旋角有明顯的先增大后減小的過程;在T3階段，膝關節的外旋在小范圍內波動;在四個階段中，彈性護膝和半剛性護膝防護下的外旋角均小于無護膝防護下的外旋角。

由圖6所示，膝關節的外展角變化不穩定，波動比較多，但是可以看出在T1、T2階段，膝關節的外展角整體出現先增大后減小的變化趨勢，出現了兩個峰值;在T4階段前期，膝關節外展先增大后減小，變化幅度較大，后期處于波動狀態;在T1、T2、T4階段，無護膝防護和彈性護膝防護下外展角大小相差不大，半剛性護膝防護下的外展角小于無護膝防護下的外展角;在T3階段后期，膝關節外展逐漸增大，變化幅度大，彈性護膝和半剛性護膝防護下的外展角小于無護膝防護下的外展角。

急停跳投動作下，在急停、起跳和落地過程中，膝關節各個角度變化幅度比較大。主要原因是：在急停時，先是腳彎曲，然后小腿、膝蓋、大腿依序用力，膝關節屈曲轉動，身體重心降低而停止[11];在起跳過程中，膝關節通過屈曲、外展、外旋來積攢力量用力跳起來達到運動效果;在落地過程中，兩膝深屈并旋轉用力來緩沖落地帶的沖力。因此在這三個過程中膝關節矢狀面和冠狀面都處于不穩定的狀態，導致屈曲、外旋、外展的角度變化幅度較大，比較容易造成膝關節損傷。由圖4、圖5、圖6所示，在這三個階段相對于無護膝防護，半剛性護膝防護的膝關節屈曲角、外展角、外旋角的變化都是明顯減小的。

3.1.2?搶籃板球動作角度變化與分析

爭搶籃板球情況下，三維動態捕捉測試膝關節屈曲角、外展角、外旋角隨時間變化曲線如圖7-圖9所示。

由圖7所示，膝關節的屈曲角變化相對來說比較規律，T1階段膝關節屈曲先增大后減小，此時彈性護膝和半剛性護膝防護下的屈曲角小于無護膝防護下的屈曲角;T2階段時，屈曲趨于穩定狀態，各個狀態下屈曲角相差不大;T3階段，膝關節屈曲逐漸增大然后減小，整體來看彈性護膝和半剛性護膝的屈曲角小于無護膝防護下的屈曲角。

由圖8所示，膝關節的外旋變化不穩定，在T1和T3階段膝關節的外旋角明顯出現先逐漸增加到最大然后減小的趨勢;在T2階段，膝關節外旋變化在小范圍內波動;在T1、T2和T3階段，彈性護膝和半剛性護膝防護下的的外旋角均小于無護膝防護下的外旋角。

由圖9所示，膝關節的外展變化整體處于不穩定狀態，波動較多。在T1、T3階段膝關節的外展角均有逐漸增加到最大然后減小的過程，變化幅度比較大。在T2階段后期，膝關節外展變化幅度較大;在T1、T2和T3階段，無護膝防護和彈性護膝防護下外展角大小相差不大，半剛性護膝防護下的外展角小于無護膝防護下的外展角。

在爭搶籃板球動作的起跳和落地過程中，膝關節的三個角度變化幅度都比較大。因為搶籃板球需要運動員看準來球方向后跳起搶球，在起跳過程中，主要通過膝關節的屈曲轉動來積攢力量，然后用力跳起;搶球后的落地過程中，地面會產生很強的反作用力，需要兩膝深屈并旋轉用力來緩沖。在起跳和落地過程中，膝關節屈曲伸直和不斷的旋轉用力，所以屈曲、外旋、外展的角度變化幅度較大，容易造成膝關節的損傷。從圖7、圖8、圖9可以看出，在這兩個階段相對于無護膝防護，半剛性護膝防護的膝關節屈曲角、外展角、外旋角的變化都是明顯減小的。

3.2?護膝對各角度防護性能分析

首先將不同籃球動作下，無護膝防護狀態下、佩戴彈性護膝和半剛性護膝所得到的膝關節最大屈曲角、最大外展角和最大外旋角進行比較分析，然后進行單因素方差分析，確定與無防護狀態相比，兩種防護狀態下各個角度的變化是否有顯著性差異，并采用多重比較確定不同護膝間的各個角度是否有顯著性差異。結果如圖10、圖11、表4所示。

由圖10、圖11、表4可以得出以下結果：

膝關節最大屈曲角，無論是急停跳投還是爭搶籃板球，相對于無護膝防護，彈性護膝和半剛性護膝防護下均有明顯的減小，其中半剛性護膝防護下的減小非常顯著;半剛性護膝與彈性護膝防護下相比無統計學意義。

膝關節最大外旋角，在急停跳投和爭搶籃板球時，彈性護膝和半剛性護膝防護下與無護膝防護相比均有明顯的減小，其中半剛性護膝防護下的減小最為顯著;半剛性護膝與彈性護膝防護下相比明顯減小。

膝關節最大外展角，在急停跳投和爭搶籃板球動作中，相對于無護膝防護，半剛性護膝防護下明顯減小;彈性護膝防護下角度減小不顯著;半剛性護膝與彈性護膝防護下相比明顯減小。

4?結?論

本文通過三維動態捕捉系統測量了無護膝防護和佩戴兩款不同護膝狀態下人體進行急停跳投和搶籃板球的三維坐標數據，并通過單因素方差分析和多重比較對數據進行分析，得到以下結論：

a）在急停跳投和搶籃板球動作的起跳和落地階段中，相對于無護膝防護，彈性護膝和半剛性護膝防護下的膝關節屈曲角、外展角、外旋角都有所減小，與彈性護膝防護相比，半剛性護膝防護下各個角度的減小幅度更為明顯。

b）無論是在急停跳投動作還是爭搶籃板球動作，相對于無護膝防護，半剛性護膝均能顯著的減小膝關節的最大屈曲角、最大外展角和最大外旋角，具有良好的防護效果;和無護膝防護相比，彈性護膝不能有效地減小膝關節最大外展角;半剛性護膝對膝關節最大外展角和最大外旋角的減小幅度明顯大于彈性護膝防護。

c）綜合考慮，防護性能較好的護膝為半剛性護膝，它可以加強膝關節在冠狀面和矢狀面的穩定性，因為它采用EVA墊片，有效加強保護膝蓋，承受髕骨壓力，避免移位，護膝兩側有可彎曲的彈簧，能支撐膝關節的屈曲，加強膝關節的穩定性。

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