運動科學

硬舉和早安體前屈之間的動力學和運動學差異   背景介紹 肌力訓練，例如硬舉（Deadlifts，簡稱為硬舉）或早安體前屈（Goodmornings，簡稱為GM）通常用於預防計劃中，以降低前十字韌帶（Anteriorcruciateligament，簡稱為前十字韌帶）損傷風險或用於腰痛患者的康復，以及在訓練期間用於提高運動員的具體表現，其中負荷條件對被動和主動肌肉骨骼結構都起著重要作用。在這裡，運動運動學在控制舉重力學方面起著關鍵作用，因此可以調節受傷風險和表現水準[1]。1999年在瑞士，體能訓練期間最常見的傷害是肩膀24.4%、背部16.6%、大腿11.0%和膝蓋8.8%[2]。受傷原因主要歸因於超負荷（45.6%）和錯誤執行練習（21.1%）[2]。儘管有這些統計數據，但對力量訓練期間許多練習的負荷條件的完整生物力學理解仍然缺乏。   硬舉是一種多關節阻力訓練，可在多種訓練環境中進行[3]。訓練開始時，訓練者處於下蹲姿勢，雙臂伸直並指向下方，雙手交替握住槓鈴[1]。動作主要包括膝蓋和臀部的伸展，直到身體直立。隨後，舉重運動會使用以下肌肉：臀大肌、豎脊肌、膕繩肌、股四頭肌、斜方肌、菱形肌、三角肌和指屈肌[4]。由於硬舉是一種封閉鏈運動[5]，它常用於前十字韌帶重建術後的預防和康復，以提高膝關節周圍肌肉結構的力量，從而提高關節的動態穩定性[6-8]。硬舉也是力量舉重的三大分項之一。在比賽中，人們已經廣泛研究了舉重的生物力學，側重於相撲式和傳統式[1、6、9]，其中硬舉期間4個不同位置的最大等長力量被證明會導致在硬舉結束時力量有更大的增加潛力（從3380-5829N）[10]。使用這些練習進行訓練也與脊椎的功能適應有明顯的相關性，其中力量舉運動員每年舉起的重量與L3的骨礦物質含量相關[11]。然而，硬舉舉起過程中軀幹前傾增加可能會使脊椎和背部肌肉更容易受傷[11，12]。針對此問題，Cholewicki及其同事[12]證明，舉起時較直立的軀幹能夠減少腰椎L4/L5關節的前向剪切力。此外，Escamilla及其同事[1]的研究也表明，為了最大限度地降低背部受傷風險並提高運動表現，盡可能保持槓鈴靠近身體非常重要。本研究未發現高等級別和低級別舉重運動員的運動學特徵存在統計上的顯著差異，但他們確實發現了槓鈴通過膝蓋的方式存在差異：高等級健力運動員比低級別健力運動員將槓鈴更靠近身體。   早安體前屈運動是一種輔助運動，主要由健力運動員用來強化軀幹伸肌、臀大肌、膕繩肌和豎脊肌的力量[13]。從直立站立姿勢開始，槓鈴放在肩膀上，髖部逐漸屈曲，直到達到最大屈曲度，但膝蓋始終保持伸直。早安體前屈練習是專門訓練腰椎-胸椎屈曲和背部伸展的好練習[14]，但對於所有水平的運動來說，在接近最大力量時都需要良好的舉重技術，以避免急性損傷或長期損傷。此時，下背部必須帶有足夠的力量來保持身體處於正確的位置，因為已知豎脊肌力量較大，導致L5/S1水平產生較高的剪切力和壓縮力[15]。作者指出，充分訓練下背部肌肉和採用正確的運動技術對於降低背部受傷風險非常重要[15，16]。在Carpenter和Nelson[17]的綜述中，他們建議腰痛患者進行腰椎伸展修復訓練，並在骨盆穩定的情況下，以特定、漸進和強化的方式進行，因為這已被證明能最有效地改善腰部力量、肌肉橫截面積和椎體骨礦物質密度。後者建議與肌力訓練能夠緩解腰痛的普遍發現相一致[18]。   眾所周知，在硬舉訓練過程中，脊椎的軸向負荷主要來自於施加在較小內部槓桿臂上的較大肌肉和韌帶力量。重要的是，人們認為腰椎屈曲的程度（脊椎前凸的減少）決定了韌帶在內部負荷產生中所佔的比重[19，20]，這在重量舉起過程中可能存在，也可能不存在[21]。由於韌帶的槓桿臂比肌肉的槓桿臂小，因此在動作時保持足夠的脊椎前凸可減少椎體間骨對骨的負荷，這是由於後韌帶張力降低造成的[21]。然而，保持與完全腰椎屈曲1-3°的裕度似乎足以避免超負荷，這與在高技能健力運動員身上觀察到的運動學現像一致[21]。   在所有運動類型中，早安體前屈硬舉訓練敏捷性、速度和力量的能力不相上下[22]，包括用於前十字韌帶復健的典型肌力練習[23]，但運動過程中的潛在傷害風險也相當[24]。儘管早安體前屈和硬舉被廣泛使用，但在早安體前屈和硬舉期間，下肢和軀幹運動的關鍵差異，更重要的是由此產生的關節負荷條件仍然未知。因此，本研究旨在比較整個舉重動作過程中以及在矢狀面上早安體前屈和硬舉期間最深屈曲點的下肢和脊柱的節段運動學和關節矩。   方法 9名有肌力訓練經驗的男性和4名女性受試者（平均年齡24.5±4.3歲，體重74±11公斤，身高180±7公分）在進行深蹲（硬舉s）和中蹲（早安體前屈s）練習時進行了分析。本研究經瑞士蘇黎世聯邦理工學院倫理委員會批准（EK2012-N-57）。其中一名受試者簽署了書面知情同意書，同意發表其圖像，所有受試者均簽署了書面知情同意書，同意參與本研究。   為分析身體運動，採用了配備12個相機（MX40）且取樣頻率為100Hz的光電系統（Vicon，OxfordMetricsGroup，英國）。使用兩個400×600毫米測力台（9281B型Kistler，瑞士溫特圖爾）測量地面反作用力，每隻腳下放置一個，頻率為2kHz。使用了IfB標記物組[25]，該組包括腿部、骨盆、肩部和手臂上的55個標記物、背部上的22個標記物和連接在槓鈴上的2個標記物（圖1）。靠近脊椎以及後腳和前腳的標記物直徑為9毫米，而其他所有節段使用的標記物直徑為14毫米。每個標記物均由經過訓練的人員在觸診後用雙面皮膚膠帶粘貼。 圖1 測量設定包括以下內容：a)帶有IfB標記組的受試者，b)槓鈴，c)雙腳下的力板和d)12個Vicon相機中的其中1個。   受試者穿著平常的健身訓練鞋和短褲，女性則額外穿著比基尼上衣。在跑步機上跑步或舉起空載槓鈴進行溫和的熱身後，受試者進行基本動作任務[25]。受試者接受了這兩項練習的標準化指導（請參閱硬舉和早安體前屈的標準化指導部分）。兩項練習均以直立姿勢開始。對於早安體前屈，建議受試者不要彎曲膝蓋。然後進行一組早安體前屈，每組重複8次，槓鈴上額外負重25%的體重(BW)，將槓鈴置於上斜方肌。之後，受試者另外進行硬舉，每組重複8次，槓鈴上負重25%和50%的體重，額外負重代表健康非力量舉運動員的典型負重，並以體重百分比標準化。 硬舉和早安體前屈的標準化指令 一般說明： 1.直立站立，雙腳分開與肩同寬。 2.將雙腳稍微向外伸直，順著雙腳的自然分叉。 3.將胸腔抬起至自然的脊椎位置。 4.進行練習時保持核心肌肉的緊張。 5.上升過程中呼氣。 6.在向下和向上移動時以相同的正常速度進行練習。 7.轉向前的最低點：腰椎不屈曲。 硬舉具體說明： 1.用舒適的握法握住槓鈴，一隻手旋後，另一隻手旋前。 2.保持頭部處於水平視線。 早安體前屈具體說明： 1.將槓鈴放在三角肌後部，並以舒適的手部位置握住。 2.保持頭部處於脊椎的延伸處。   運動數據在ViconNexus（版本1.7.1，OxfordMetricsGroup，英國）中重建。這兩個練習的重複定義皆基於起點和終點，使用槓鈴上兩個標記物的垂直速度（v槓鈴 >0.04公尺/秒）。重複次數按時間歸一化並取平均值。此外，也取每次反覆最大值的平均值。此外，對力板進行了專門校準，以便校正壓力中心(COP)[26]，從而在逆向方法中保持準確性。膝關節和髖關節的中心是根據基本運動任務[25]在功能上確定的，L4/L5的關節中心是根據人體測量數據在解剖學上定義的[27]。以準靜態解的逆方法計算矢狀面的外部關節矩[28]，同時考慮地面反作用力與運動學資料[29]，並標準化為體重[30]。膝關節和髖關節的屈曲/伸展矩取雙肢的平均值。逆方法包括關節位置、作用於每隻腳的力、節段的重力[30]。由於在這些練習中節段的加速度較慢，慣性力被忽略。所有計算均在Matlab（版本8，TheMathWorksInc.，美國馬薩諸塞州內蒂克）中完成。 使用對應標記點雲的最小平方法擬合[25]，確定每個節段相對於站立試驗中定義為中立位（0°旋轉）的參考節段的位置和方向。關節旋轉以螺旋軸方法描述，對於臨床可解釋的旋轉分量，將姿態向量沿著節段固定、正交、解剖定義的關節座標系的軸分解[25]。關節角度、曲率和力矩均在矢狀面上進行分析。 以多重重複測量變異數分析（顯著性定義為p<0.05）分析了額外槓鈴負荷（25%體重和50%體重）和舉重類型（硬舉和早安體前屈）對膝關節和髖關節最大節段角度、骨盆相對於腰椎和腰椎相對於胸椎的最大和最小節段角度、關節、髖關節最大節段角度、骨盆相對於腰椎和腰椎相對於胸椎的最大和最小節段角度、膝關節、髖關節活動標準化最大力矩的影響。然後對三組以及參數數量進行Bonferroni調整，以確定顯著差異，顯著性定義為p<0.0033。對每位受試者的所有八次重複均取平均值以進行統計分析。使用IBMSPSS軟體（版本21，SPSSAG，瑞士）進行統計計算。   結果與討論 膝蓋和髖 運動學 在早安體前屈期間觀察到的矢狀面上膝關節和髖關節的最大旋轉及其關節運動範圍明顯小於在硬舉期間（表1）。在8次反覆中觀察到的膝關節和髖關節最大關節角度及其關節運動範圍的典型受試者內標準差<2.5°。由於早安體前屈期間的舉重執行類型，膝關節幾乎保持伸直，因此膝關節會出現這些結果是可以預料的。由於伸展膝關節位置時雙關節膕繩肌的長度有限，早安體前屈期間髖關節的屈曲運動較小可能是一種限制。在硬舉期間獲得的最大膝關節角度略大於Brown和Abani[31]觀察到的角度，而髖關節角度保持不變。在硬舉期間，在25%和50%BW的負荷條件之間，最大膝關節和髖關節角度或其相應的關節運動範圍沒有變化。在膝關節和髖關節硬舉過程中觀察到的關節運動範圍與McGuigan和Wilson[9]研究中觀察到的關節運動範圍一致。 表1 本研究和其他研究[1, 6, 9, 31]中的最大節段屈曲角度，膝關節、髖關節、骨盆-腰椎和腰椎-胸椎在矢狀面上的旋轉範圍（關節活動範圍）（以度為單位），以及腰椎和胸椎曲度的關節活動範圍（1/m）   動力學 在硬舉訓練期間，在槓鈴的兩種負荷條件（25%及50%體重）之間，未發現膝關節在矢狀面上的最大力矩發生變化。這似乎相當令人驚訝；由於槓鈴上有額外的負荷，人們可能會預期負荷會更高（表2）。然而，似乎軀幹位置的輕微變化能夠顯著改變膝關節的矢狀面力矩，從而抵消額外負荷的影響。透過這樣做，受試者設法避免了膝關節的額外負荷。另一方面，如預期般，髖關節屈曲力矩在硬舉訓練期間隨著槓鈴上額外的重量而顯著增加（表2）。 表2 膝關節、髖關節和 L4/L5 區域矢狀面上早安體前屈承受25%額外負荷、硬舉承受25%和 50% 額外負荷的平均歸一化矩和標準差 (SD) (N*m/BW)，以及其他研究的相應結果[1, 6, 12, 15, 31]   在早安體前屈運動期間，膝關節受到外部伸展力矩的作用；而在硬舉運動期間，當膝關節屈曲角度達到25°及以上時，產生的力矩為屈曲力矩（圖2）。硬舉運動期間的最大膝關節外部力矩（表2）與Escamilla等人[1，6]研究中的膝關節力矩相當，儘管他們使用的槓鈴負荷要大得多。與此結果相反，CholewickiJ、McGillSM和NormanRW[12]以及BrownEW和AbaniK[31]的研究表明，與本研究相比，膝關節力矩略低（表2）。 圖2 所有受試者在進行早安體前屈和硬舉運動時，對所有重複次數取平均值的矢狀面上的標準化膝關節力矩[N*m/BW]（外部膝關節屈曲力矩為正值），併計算相應的膝關節屈曲角度（[°]，零代表直腿，根據站立試驗定義），與深蹲運動相比（數據取自[30]）。*：直立位置離心階段的起點；藍色：硬舉帶有25%額外負荷；紅色：硬舉帶有50%額外負荷；綠色：早安體前屈帶有25%額外負荷；藍色虛線：深蹲帶有25%額外負荷；紅色虛線：深蹲帶有50%額外負荷。 在相同額外負荷（25%體重）下，早安體前屈動作時髖部矢狀力矩明顯大於硬舉動作（表2）。然而，本研究計算出的髖部矢狀力矩比上述研究[1，6，12，31]（表2）小2至6倍，但這與減少的槓鈴負荷相符，因此完全在意料之中。 事實上，在早安體前屈期間觀察到膝蓋處最大的伸展力矩（表2）。值得注意的是，早安體前屈對膝屈肌來說是一種相當等長的運動，但由於髖部的運動，腿筋會發生離心和向心收縮（圖2）。在相同的額外重量下，與硬舉相比，整個運動過程中髖部的關節運動範圍明顯較小，但髖部矢狀力矩在早安體前屈期間明顯較大（圖3）。在額外負荷50%的硬舉期間觀察到髖部最大的關節運動範圍和最高的矢狀力矩（圖3）。 圖3 在所有重複次數和所有受試者（外部髖屈曲力矩為正值）中平均的矢狀面標準化髖關節力矩[N*m/BW]，帶有相應的髖屈曲角度（[°]，零代表直髖，根據站立試驗定義），與深蹲練習相比（數據取自[30]）。*：直立位置離心階段的起點；藍色：硬舉帶有25%額外負荷；紅色：硬舉帶有50%額外負荷；綠色：早安體前屈帶有25%額外負荷；藍色虛線：深蹲帶有25%額外負荷；紅色虛線：深蹲帶有50%額外負荷。   觀察到深蹲（硬舉）的運動和負荷模式與深蹲相似[30]。此時，最大膝關節屈曲角度在百分之幾以內（<4%），而當深蹲時，50%額外負荷時膝關節的最大屈曲力矩更大（圖2）。然而，在髖部觀察到了更大的差異，硬舉期間的最大屈曲力矩至少要大50%（圖3）。   前十字韌帶損傷預防的相關結果 許多研究已經將股四頭肌與腿後肌的力量比(H:Q)確定為前十字韌帶斷裂的一個危險因子[32]，尤其是在女性[33]。Holcomb及其同事[33]在其他練習中，透過6週內的訓練，使用了早安體前屈和直腿硬舉來調整H:Q比。對於多關節肌肉（如半膜肌和半腱肌）的訓練，應考慮髖關節和膝關節的關節角度及其對應的力矩。基於在早安體前屈期間觀察到膝關節最大外部伸展力矩（圖2）和髖關節屈曲力矩的發現（圖3），可以推斷早安體前屈可能是集中強化腿後的有效策略。這項發現與EbbenW[32]的研究一致，他證明了腿筋訓練對於減少前十字韌帶損傷的重要性，並進一步建議早安體前屈訓練作為預防措施。 本研究一個顯著的嶄新結果是，在深蹲（硬舉）過程中，槓鈴上施加更大的額外負荷並未觀察到更大的膝關節外部力矩（表2）。與深蹲[30]相比，硬舉的優點在於，在相同額外負荷下，膝關節屈曲力矩較小（圖2），但髖關節屈曲力矩較大（圖3）。因此，根據觀察到的肌力練習動力學和運動學特徵，建議進行以下排序，以便將H:Q比率調整為H:早安體前屈、硬舉50%、硬舉25%和深蹲。     背 運動學 腰椎和胸椎曲度的關節運動範圍以及骨盆腰椎和腰胸椎節段的最大和最小屈曲和伸展角度均不受執行或槓鈴上額外重量的影響（表1）。 背部訓練 令人驚訝的是，在舉重向心和離心階段，L4/L5力矩和腰椎在矢狀面上的曲率之間的關係是不同的；尤其是在使用50%額外重量的硬舉期間（圖4）。在離心階段，與相同矢狀力矩的向心階段相比，腰椎背部保持較高曲率的時間更長（圖4）。由於在25%BW額外負荷的兩種練習中，L4/L5處的屈曲力矩相似（表2），並且沒有觀察到曲率關節運動範圍或背部節段運動學的差異（表1），從生物力學的角度來看，這兩種執行類型對於軀幹是可比的。因此，下肢運動學和力學練習之間的差異應被視為更相關。 圖4 矢狀面上的標準化L4/L5力矩[N*m/BW]在所有重複和所有受試者（外部L4/L5屈曲力矩為正）中取平均值，並帶有相應的腰椎曲度[1/m]。*：直立位置離心階段的起點；藍色：硬舉帶有25%額外負荷；紅色：硬舉帶有50%額外負荷；綠色：早安體前屈帶有25%額外負荷。   實際應用 為了優化股四頭肌的訓練效果，需要較大的膝關節活動範圍（關節運動範圍）[34]和膝關節的外屈曲力矩。因此，儘管額外的負荷不會影響膝關節的矢狀面力矩，但硬舉是股四頭肌訓練的首選動作。在下蹲過程中，我們觀察到膝關節的關節運動範圍相似，但矢狀面的力矩較高，且力矩具有負荷依賴性[30]。 為了訓練臀大肌，早安體前屈產生的矢狀力矩比硬舉更大，但關節運動範圍更小。因此，如果需要更大的關節運動範圍，硬舉被認為是更好的選擇。由於膝關節關節運動範圍較小，對於既往膝關節損傷的患者，在復健早期應選擇早安體前屈，而不是硬舉。此外，早安體前屈能夠避免膝關節的外部屈曲力矩。早安體前屈產生的伸展力矩大小與硬舉產生的屈曲力矩大小相似。   結論 硬舉和早安體前屈表現出不同的下肢運動和負荷模式，其中早安體前屈期間膝蓋幾乎保持伸直，因此產生較大的伸展力矩。早安體前屈期間的最大膝關節和髖關節角度以及膝關節和髖關節的關節運動範圍均小於硬舉。從運動學上講，硬舉通常不受槓鈴額外重量的影響。硬舉期間膝關節的屈曲力矩也不受額外25%負荷的影響，然而，在使用50%BW額外負荷的硬舉期間髖關節的矢狀力矩較大。由於槓鈴負荷較大時髖關節和L4/L5區域的矢狀力矩較大，因此在舉起過程中應格外小心，確保軀幹的核心穩定性，因為脊椎負荷較大，尤其是在進行更高額外負荷訓練時。最後，為預防前十字韌帶損傷，建議使用早安體前屈來訓練膕繩肌與股四頭肌的比例。   原文及內文文獻出處: Schellenberg, F., Lindorfer, J., List, R. et al. Kinetic and kinematic differences between deadlifts and goodmornings. BMC Sports Sci Med Rehabil 5, 27 (2013). https://doi.org/10.1186/2052-1847-5-27