四周专项训练对排球扣球表现与膝关节损伤预防的生物力学改善作用

《Scientific Reports》：Biomechanical improvements in performance and injury prevention in volleyball spikes: effects of a 4-week training program

本研究针对排球运动员扣球动作中膝关节高负荷与损伤风险问题，开发了一项为期四周的排球专项训练方案。通过对比训练前后运动学与动力学数据，发现该方案显著提升了起跳高度（COM峰值增加）、膝关节伸展角速度与地面反作用力（GRF），同时降低了着陆阶段膝关节伸展力矩与关节负荷（AP与垂直力减少）。结果表明，该训练能同步优化扣球表现并改善落地生物力学，为提升运动效率与预防下肢损伤提供了科学依据。

　　

在排球运动中，扣球（Spike）是决定比赛胜负的关键技术动作，但其高强度的起跳与单腿落地模式也给运动员的膝关节带来了巨大的负荷。据统计，精英排球运动员每个赛季要完成约4万次扣球，而超过90%的慢性损伤发生在下肢，其中膝关节损伤占比高达61%。每一次扣球后的单腿落地，膝关节承受的冲击力可达体重的7倍。如此反复的冲击，极易导致髌腱病（Patellar Tendinopathy）、前十字韧带（ACL）损伤、软骨软化症（Chondromalacia）等一系列运动损伤，严重影响运动员的职业生涯。以往的研究虽然尝试通过增强式训练（Plyometric Training）、核心稳定性训练等常规手段来降低损伤风险，但这些方案往往并非专门针对排球扣球的独特生物力学特征而设计，难以直接、高效地提升扣球技能并预防损伤。因此，开发一种能在较短时间内显著改善扣球表现并降低膝关节损伤风险的专项训练方案，成为了运动科学领域亟待解决的问题。

为此，发表在《Scientific Reports》上的一项研究，由Sungmin Kim、Dohoon Koo和Jeheon Moon等人完成，旨在开发并验证一个为期四周的排球专项训练方案，探究其对成年男性排球运动员扣球动作中膝关节运动学（Kinematics）和动力学（Kinetics）的影响。研究人员假设，该训练能增强起跳阶段的动力学表现，从而提高腾空高度，并通过改善膝关节功能来降低着陆时的关节负荷。

为了开展研究，团队招募了16名右利手、司职主攻（左翼位置）的大学男性排球运动员（年龄19.56±1.55岁，排球经验10.25±0.58年）。研究采用自身前后对照设计，分为前测、为期四周的专项训练（每周3次，共20次）和后测三个阶段。在前测和后测中，参与者需完成标准的排球扣球动作：从球网左侧后方5米处启动助跑，踏在测力台上起跳击球。研究使用12台红外高速运动捕捉系统和2块测力台，同步采集运动员身体关键部位标记点的三维坐标和地面反作用力（GRF）数据。数据处理在Visual3D软件中完成，通过逆向动力学（Inverse Dynamics）计算膝关节的关节角度、角速度、关节力矩和三维关节力等生物力学指标。统计分析不仅采用了传统的配对t检验来比较训练前后各指标峰值的变化，还运用了统计参数映射（Statistical Parametric Mapping, SPM）这一先进技术，对起跳和着陆阶段的整个时间序列数据进行分析，以捕捉传统方法可能忽略的瞬时差异。

研究结果

1. 运动学与动力学变量

训练后，运动员的跳跃表现显著提升。在起跳阶段，膝关节伸展角速度和峰值垂直地面反作用力（GRF）均显著增加。同时，膝关节屈曲力矩以及膝关节前后向（AP）和垂直方向的关节力也显著增大。在腾空阶段，身体重心（COM）达到的峰值高度显著增加。在着陆阶段，身体重心的最低位置显著降低，而膝关节的屈曲角速度显著增加。更重要的是，着陆时膝关节的伸展力矩以及前后向和垂直方向的关节力均显著减小。这些变化表明，训练不仅增强了起跳的爆发力，还改善了着陆时对冲击力的吸收能力。

2. 统计参数映射（SPM）分析

SPM时间序列分析提供了更细致的洞察。在起跳阶段，训练后膝关节屈曲力矩在40%-80%的时间段内显著更高，垂直关节力在29%-84%的时间段内显著增大，垂直GRF在35%左右的时间点后持续处于较高水平。在着陆阶段，训练后的垂直GRF在0-55%的时间段内显著低于训练前，前后向关节力在刚着地后即刻显著降低，垂直关节力在30%-78%的时间段内也显著减小。这表明训练效果体现在动作的关键时间点上，优化了发力与缓冲的时序。

讨论与结论

本研究证实，为期四周的排球专项训练方案能够有效优化排球扣球动作的生物力学特征，实现表现提升与损伤预防的双重目标。

在跳跃表现方面，膝关节伸展角速度、峰值垂直GRF和屈曲力矩的增加，反映了下肢肌肉力量和协调性的增强。特别是SPM分析揭示的，在起跳中期至后期膝关节屈曲力矩和垂直关节力的持续增高，是产生更大垂直爆发力的关键。这使得运动员能够跳得更高，为空中完成有效的扣球动作创造了条件。与以往使用抱膝跳（Tuck Jumps）或下落着陆（Drop Landings）等通用增强式训练的研究相比，本研究采用的针对性的单脚跳系列（Hop Jump Series）等练习，在提升力量生成和躯干与下肢协调方面显示出更优的效果。

在着陆表现方面，观察到的变化更具保护意义。身体重心位置的降低和膝关节屈曲角速度的增加，是有效的冲击力缓冲策略。更值得注意的是，尽管跳跃高度增加，但着陆时膝关节的伸展力矩、前后向和垂直关节力均显著下降。这强烈表明，运动员通过训练获得了更强的离心控制能力和神经肌肉协调性，能够更“主动”且“柔和”地完成着陆动作，而非依靠关节结构的被动承重。这种能力的提升，与训练方案中包含的弓步（Reverse Lunge）、下斜蹲（Decline Squat）等闭链运动（Close-Chain Exercises）密切相关，这些练习有助于提高股四头肌的离心力量和膝关节的动态稳定性。

综上所述，该专项训练方案通过改善下肢的发力模式和落地缓冲技术，不仅提升了排球扣球的竞技表现（更高的击球点），更重要的是显著降低了膝关节在着陆时所承受的负荷，这对于预防髌腱病、ACL损伤等常见排球运动损伤具有重要的实践意义。未来研究可进一步纳入球速等攻击效能定量指标，并探索该方案在不同性别、不同水平运动员以及排球其他技术动作中的长期预防效果。