论文来自: Biomechanics of Topspin Forehand Loop in Table Tennis

摘要

上旋球是乒乓球运动中最具攻击性的击球动作之一，上旋正手循环是一种有效的得分方式。本研究的目的是通过OpenSim肌肉骨骼建模研究不同水平之间上旋正手循环中下肢的运动学。10名精英运动员（NL1）和10名中等运动员（NL2）在没有肌肉和关节损伤的情况下进行了上旋正手循环。使用八摄像机Vicon动捕系统测量运动学数据。在上旋正手对拉(Looping)过程中，NL1的前进阶段（FP）和整个阶段（EP）明显短于NL2。在矢状(Sagittal)平面上，NL1在运动范围（ROM）时显着具有更大的髋关节和踝关节屈曲和伸展，但在FP时髋关节屈曲和膝关节屈曲较少，在BP时踝关节屈曲较少。在前(Frontal)平面，NL1在髋关节显示较少的ROM，在向后阶段（BP）显示显着较少的髋关节外展ROM。在横向(Transverse)平面，NL1在髋关节有明显较大的ROM，在BP显示显着较少的髋关节ROM。本研究提出的水平差异有助于乒乓球运动员提高成绩和教练发展技术训练。

1.介绍

乒乓球是一项球拍运动，其中技术被认为是一个重要的表现因素。有许多技术技能，如击球。乒乓球击球的类型包括正手、反手、扣杀、搓球(push)等。在比赛中，高水平乒乓球运动员在短时间内击球，并有足够的时间去打下一个球。近年来，乒乓球技术不断演进，例如乒乓球的直径从38毫米变为40+毫米。职业乒乓球运动员很难在一个回合直接得分；因此，高水平乒乓球运动员在训练和比赛中应非常重视不断提高质量和稳定性技术的练习，并加强在比赛实战中应用它的能力。因此，乒乓球运动员需要提高击球质量，以创造有利条件，并在乒乓球比赛中对对手构成更大的威胁。

上旋正手环因其力量、速度快、旋转力强而被称为最有威胁的进攻手段之一。上旋正手对拉已成为乒乓球运动员必不可少的基础能力，上旋正手对拉的特点使其成为乒乓球运动中最常见、使用频率最高的进攻技术；如果在日常训练中得到很好的练习，就能在正式比赛中表现良好。乒乓球击球技术中的生物力学已被广泛研究。Li等人发现，在较高的击球频率下，正手对拉所需要的能量降低。持续的正手对拉被证明以有氧运动为主，同时无氧能量系统也起着至关重要的作用，而无氧乳酸系统的重要性有限。Iino和Kojima发现肩关节和骨盆的内旋转扭矩对球的表现有影响，Seemiller等发现肩部、肘部、腕关节周围的小肌肉在进行正手对拉击球中的重要性，Malagoli Lanzoni比较了竞技乒乓球运动员打斜线（CC）和直线（LL）时乒乓球上旋的上肢生物力学特征，研究表明乒乓球运动员LL和CC上旋正手击球之间存在运动学差异。

对正手拉球有很多研究，不仅包括上肢，而且还有下肢。Malagoli Lanzoni发现不同地区乒乓球运动员步法的差异。亚洲选手在训练和比赛中都比欧洲选手更频繁地使用步法。Yang等发现，男性在整个运动阶段具有更大的髋和膝屈曲角度，在向前挥杆阶段具有更大的髋关节内旋角度。男性膝盖的关节僵硬度在前（Frontal)平面大于女性。女性在向前挥拍阶段表现出比男性更大的髋关节屈曲、内收和内旋力矩。Li等发现，必须避免修改上旋正手技术，要求运动员反复击球，并通过移动高质量回球，这保证了上旋正手循环在训练时是正确的，以便乒乓球运动员在比赛中获得更好的得分。下肢在上旋正手对抗时对表现起着至关重要的作用，下肢作为运动链的起源对球和球拍速度有相当大的影响。He比较了正手循环时斜线击球和直拍的差异，发现直拍具有更大的踝关节足底屈曲外旋的运动范围（ROM）。与直拍相比，斜线时膝关节伸展的ROM明显增加。此外，直拍的膝关节内旋显著增加。上述研究表明，上旋正手对抗时下肢生物力学特性的调查是必要的。这些研究表明，有必要研究生物力学，特别是乒乓球运动中的下肢特性。

乒乓球上旋正手对抗的下肢生物力学吸引了许多研究人员的研究。Iino等人发现，高级运动员在触球时表现出更低的躯干轴向旋转对球拍速度的贡献，最大值也明显更大。高级运动员比中级运动员需要更少的球拍加速时间；在上旋正手对下旋球的比赛中，在更短的时间内加速球拍的能力可能是影响成绩水平的重要因素。Qian将中级运动员与优秀运动员进行了比较，正手有统计学差异；优秀运动员的完成速度更快。优秀运动员表现出明显更大的膝关节外旋以及后端髋关节屈曲。向前端的髋关节内旋和伸展明显更大。运动员的技术变得更加准确，然后得到提高。优秀乒乓球运动员在正手过程中比中等水平乒乓球运动员下肢更擅长驱动正手回旋。通过分析乒乓球技术的生物力学，他们不仅了解上旋正手回旋的技术，还可以分析不同水平的特征。Visual-3D是一款主要用于运动分析和生物力学研究的商业软件。它可以通过处理和分析动捕数据来评估运动员的表现和运动技能。He用Visual-3D分析了不同水平的上旋正手回旋的技术。优秀运动员在后摆中表现出明显较少的膝盖和臀部屈曲。此外，在向后引拍和向前挥拍阶段，精英运动员的踝关节足底屈曲和背屈曲明显大于中等运动员。

以前基于Visual 3D的研究，特别是关于乒乓球的研究，仅限于关节角度、关节力矩和肢体重心指标，但我们需要更精确更多的指标。Visual 3D能够接受来自3D动捕系统的数据，这些数据可用于创建人体骨骼模型，以进行运动分析。这些数据可以导入到软件中，其内置算法和工具可用于运动学分析。使用Visual3D，用户可以创建3D骨骼模型，分析关节运动，计算生物力学参数，并生成报告。为了验证Visual 3D的结果，Teoh等人使用Matlab处理了两个运动文件，使用Visual 3D生成了一个虚拟髋关节，并比较了每个反射点的运动路径的误差水平。然而，Visual 3D无法移动反射点位置；因此，我们计算了运动路径的坐标系。Delp等人使用OpenSim通过缩放模型来调整参数，并优化h的值以最小化模拟误差。我们研究中反射点的平均误差小于0.02 m，最大误差小于0.03 m。我们的目标是确定最佳输入参数以产生精确跟踪实验数据的模拟。OpenSim中乒乓球正手对抗期间不同水平下肢的生物力学尚未详细研究。OpenSim是一个免费的开源平台，用于生成和执行动态模拟和分析，它提供了求解逆运动学的工具。OpenSim可以将捕动系统中收集的标记轨迹与模型中的虚拟制造商相匹配，从而实现真实可靠的肌肉骨骼模型。该程序允许用户操纵涉及肌肉骨骼系统的复杂运动和力，因此，有必要研究不同水平乒乓球运动员上旋正手环的生物力学，并以新的方式根据乒乓球运动员的各种个人需求调整训练计划。

本研究的假设假设NL1和NL2在正手拉球时下肢运动学会有显著差异。具体来说，NL1在上旋正手拉球时有望表现出更大的下肢角度和运动范围。该研究旨在通过OpenSim肌肉骨骼模型确定不同水平的上旋正手拉球之间下肢关节角度和运动范围是否不同。在本研究中，OpenSim肌肉骨骼模型用于分析下肢关节角度和ROM，并处理整个运动时间来分析不同水平。该研究的目的是为乒乓球运动提供有效的理论参考，并为教练上旋正手训练提供实践指导。此外，运动员可以根据研究结果制定个性化的训练计划，以提高他们的表现。

2.材料和方法

2.1.参与者

本研究涉及20名乒乓球运动员；样本量使用G*Power 3.1计算。我们研究的估计效应大小设置为0.7。alpha水平设置为0.05，幂设置为0.8。使用ANCOVA检验和效应大小0.7，计算出我们研究总共需要18名参与者。10名平均年龄为20±1.20和22±1.50岁，平均身高为174±4.22和173±4.59 cm的精英运动员（国家一级运动员）和10名中等运动员（国家二级运动员），平均体重分别为68±12.50和74±6.25 kg。所有参与者都是宁波大学乒乓球队的成员，他们在研究前至少六个月是右撇子，没有下肢受伤或手术。所有参与者都被要求进行带有跨步的上旋正手对拉。参与者在研究前被告知测试程序和要求，并完成了实验协议。该研究方案获得了宁波大学大健康研究院伦理委员会的批准（RAGH20210910）。

2.2.实验方式

在正式实验之前，所有参与者的身高和体重值都被用校准的体重秤和静态计记录下来。运动学信息由一个八摄像头的Vicon动捕系统（牛津计量有限公司，英国牛津）在测试过程中以200赫兹的频率收集。共有52个反射标记（直径：14毫米），包括左右肩膀、肱骨远端关节、桡骨和尺骨、第二和第五指骨近端关节、髂棘、髁突、踝、第一和第五髌骨头、第一和第二脚趾远端关节以及附着在肘部、手腕、大腿、小腿和脚跟上的跟踪簇。Vicon系统中的红外摄像机捕捉到标记的红外信号的反射或发射。

为确保捕捉整个运动过程的能力，摄像机定位满足以下标准。首先，摄像机应尽可能覆盖被跟踪物体的所有关键点，并应避免相互遮挡。实验摄像机的位置与乒乓球桌2 m。其次，摄像机角度应尽可能垂直于被跟踪物体的运动轨迹，以尽量减少视觉遮挡和投影失真的影响。摄像机焦点应设置在被测物体的轨迹范围内。最后，摄像机的高度应根据被跟踪物体的高度和运动范围来确定，以确保摄像机能够捕捉到整个运动轨迹。对于这个实验，实验摄像机的高度被设置为1.5 m。

在数据采集之前，所有参与者都熟悉实验环境。他们被要求做一个特定的20分钟热身，包括在专业跑步机上慢跑和用上旋正手循环进行10分钟的多球训练。如图1所示，测试在宁波大学乒乓球训练中心进行。实验过程包括一个目标区和两个冲击区（0.25 m×0.25 m）追踪专业乒乓球桌（彩虹，双喜体育公司，上海，中国）。运动员被要求在第一个冲击区（A）击球，用跨步快速移动到第二个冲击区（B），然后参与者以最大的力量打向目标区。只有在第二个冲击区（B）进行正手上旋时才收集数据。所有测试球均从发球机发球，发球机具有相同的角度、速度和频率设置。所有参与者都被告知了实验要求和程序。在测试过程中，所有参与者都穿着相同的乒乓球比赛鞋，使用相同的乒乓球拍。参与者被要求像在正式比赛中一样，用最大的努力将球（D40+，双喜体育公司，中国上海）击向目标区域（对角线击球）。如果球被击出界或入网，则不考虑试验。每个参与者成功完成至少十次试验，每次试验的运动学都被同步记录。

2.3.运动阶段的定义

本研究上旋正手的站位间隔如图2所示，图2A被定义为自然位置（NP），图2B，C被定义为上旋正手循环的引拍阶段（BP），在本研究中，C被定义为上旋正手整个相位的关键事件，即引拍阶段（BE）的结束，图2D，E被定义为上旋正手循环期间的向前挥拍阶段（FP），E被定义为向前挥拍阶段（FE）的结束。

2.4.数据处理

在这项研究中，球被击到第二撞击区域（B），整个上旋球正手运动阶段分为向前挥拍阶段和向后引拍阶段。摆动阶段指的是两个特定事件之间的时间间隔。自然位（NP）和向后引拍阶段（BE，最大屈膝）结束之间的阶段叫后摆阶段，前摆阶段是BE和向前挥拍（FE，最大髋关节旋转）结束之间。下肢关节角度和范围在整个运动周期中记录运动（ROM）数据以供进一步处理和分析。之后，运动被归一化为101个数据点。在优势侧选择变量，如关节角度和运动范围（ROM），以供进一步分析。

2.5.统计分析

本研究使用MATLAB脚本提取关节角度和ROM并启用差异计算。将生成的数据导入MATLAB R2019A（MathWorks，Natick，MA，USA）并使用为特定数据集编写的脚本进行处理。使用MATLAB获取后，将格式良好的文件放入OpenSim中。通过将一般肌肉骨骼模型（gait2392model）缩放到每个参与者的人体测量尺寸来创建特定的肌肉骨骼模型。对于每个上旋正手，使用OpenSim的逆运动学算法生成关节角度轨迹。使用SPSS（Version 26.0，芝加哥，IL，USA）对数据进行分析，统计显著性水平设置为0.05。进行独立t检验，以确定每个感兴趣变量中不同水平乒乓球运动员上旋正手之间的运动学差异。分析包括髋关节、膝关节和踝关节的关节角度和运动范围（ROM）。

3.结果

3.1.运动时间

如表2所示，NL1和NL2在上旋正手时的运动时间分别为1.45±0.04s和1.65±0.06s，NL1和NL2之间在整个运动时间上存在显著差异（p<0.001），而且在FP中NL1的时间明显短于NL2（p=0.028），但在BP中没有显著差异。

3.2.关节角度

对髋关节、膝关节和踝关节NL1和NL2之间的BE和FE关节角度进行统计分析，结果如表3所示。矢状平面上，与NL2相比，NL1在BE时髋关节屈曲（p=0.001）和膝关节屈曲（p=0.007）显著增加。此外，NL1在FE时髋关节伸展（p<0.001）、膝关节屈曲（p<0.001）和踝关节屈曲（p=0.008）显著增加。在正面平面上，NL1的髋关节内收和外展均小于NL2。在横向平面上，NL1的髋关节内外旋转大于NL2。

图3显示了NL1和NL2之间上旋正手循环EP的运动学差异。NL1显示在上旋正手循环期间，到达整个阶段的关键事件的时间更长，完成FP的时间更短。在矢状平面上，NL1在EP时臀部弯曲更大，NL2在EP时膝部弯曲更大。NL1在BP时显示较少的脚踝伸展，在BP时显示较大的脚踝弯曲。在正面平面上，NL1在FP处有较大的外展，在EP处有较少的臀部内收。在横向平面上，NL1在BP处的臀部内旋小于NL2，在FP处的外旋更大。

3.3.运动范围

上旋正手循环期间NL1和NL2的ROM如表4所示上旋正手循环期间NL1和NL2的ROM如表4和图4。NL1和NL2的下肢ROM在不同程度有着显著不同。在矢状平面，NL1明显在髋关节（p=0.019）和踝关节（p<0.001）有更大的屈伸，但膝关节屈曲没有显著差异，在前平面，NL1的髋关节内收和外展ROM比NL2（p<0.001）显著减少。在横向平面上，与NL2相比，NL1在髋关节的内外旋明显减少（p<0.001）。

BP和FP期间NL1和NL2的ROM如表5所示。在BP和FP中，NL1和NL2的下肢ROM值显着不同。在矢状面，NL1在FP处显示较少的髋关节伸展（p=0.042）和膝关节伸展（p=0.042），在BP处显示较少的踝关节屈曲（p=0.015）。在前平面，NL1在BP处显示更大的髋关节内收（p=0.003）。在横向平面，NL1在BP处显示较少的髋关节内旋转。

4.讨论

本研究旨在通过 OpenSim 肌肉骨骼建模分析 NL1 和 NL2 之间乒乓球运动员正手弧圈球时下肢的运动学。本研究的主要发现如下：NL1 和 NL2 在整个阶段所花费的时间方面存在显著差异。在 FP 和 EP 阶段，NL1 的时间明显短于 NL2。此外，中水平和精英乒乓球运动员在 BP 和 FP 阶段的关节角度和运动范围（ROM）存在显著差异。

在时间方面，NL1 在向前和向后阶段均短于 NL2。然而，NL1 和 NL2 在向前阶段和整个阶段存在显著差异，表明 NL1 的整个阶段更短，这可能证明 NL1 能够在有限时间内比 NL2 完成更有效的正手弧圈球。NL1 在 FP 阶段花费的时间更少；因此，可以表明 NL1 具有更强的快速加速球拍的能力。这与之前的研究一致。钱等人报道称，与中级运动员相比，优秀运动员的乒乓球正手弧圈球时间更短。乒乓球运动员击球的时间有限；因此，在短时间内提高挥拍速度对他们有利。高级运动员具有更好的身体控制能力。这表明精英乒乓球运动员调整球拍的相对和绝对速度及时间，这需要在乒乓球训练或比赛中表现更好。因此，中级乒乓球运动员需要减少向前挥拍时间，以提高球拍速度并增强正手弧圈球能力。

在整个阶段，NL1 的髋关节屈伸和旋转明显大于 NL2。球拍运动中最关键的因素之一是躯干轴的旋转。在运动过程中，髋关节运动是不可或缺的核心。躯干的参与，尤其是髋关节的旋转，极大地影响了挥拍，这也是判断运动员水平的一个标准。精英运动员具有更好的躯干能力。髋关节的旋转增加了正手的挥拍动作，髋关节的旋转增加了手臂的初始速度，从而提高了击球速度。根据公式：线速度（V）=角速度（ω）×半径（r）；在没有髋关节加速的情况下，上臂击球。击球的旋转半径是从肩关节中心到球拍触球点的线。在一定角速度下，半径越大，线速度越大。因此，髋关节运动在乒乓球中起着能量产生和传递的重要作用。此外，核心由腰椎骨盆-髋关节复合体和周围的肌肉组织组成。在正手弧圈球的训练中，加强核心肌群的训练并提高球速很重要。因此，精英运动员具有更大的核心和髋关节肌肉力量。同时，这些因素有利于高水平运动员提高成绩和职业发展。在训练中，运动员可以有效地利用外部阻力（上下坡、跑台阶）进行短距离全力冲刺跑、双摇跳绳、杠铃高翻、臀桥等训练方法，锻炼臀大肌、股二头肌和股四头肌的快速收缩能力，提高正手弧圈球时髋关节的转动能力。

此外，NL1 的膝关节屈伸明显更大。膝关节在快速变化的负荷下的稳定性很重要，这影响了膝关节的动态稳定性。Kasai 等人发现，精英运动员在正手弧圈球时倾向于使用全身、转动上半身并更有效地使用膝盖。此外，先前的研究指出，高水平乒乓球运动员正手弧圈球时膝关节受伤的风险更高；因此，高水平乒乓球运动员在正手弧圈球时膝关节受伤的威胁更大。乒乓球运动员应注意保护膝关节，提高膝关节的力量，增强膝关节的稳定性，减少膝关节受伤的可能性。此外，与整个运动阶段的运动范围相比，NL1 的踝关节运动范围明显大于 NL2。强壮的踝关节有助于运动员支撑体重并保持身体稳定，以获得更好的击球表现。Kondric 等人提供了斯洛文尼亚顶级球拍运动运动员（乒乓球、网球和羽毛球）受伤部位的流行病学数据，发现踝关节是精英乒乓球运动员受伤的部位（约 13%）。Zhang 等人发现 NL1 表现出明显更大的踝关节关节运动灵活性和力量。这可以推断 NL1 的踝关节正手弧圈球表现更好，这可能使精英运动员有更高的踝关节扭伤潜在风险。因此，乒乓球运动员需要注意增强膝、踝关节肌肉的力量，避免运动损伤，以提升到更高水平。

然而，本研究存在一些局限性。首先，本研究仅比较了优势下肢的生物力学差异，但非优势肢体也起着关键作用。其次，本研究仅获取了正手弧圈球的运动学数据；还需要收集其他动力学数据。在未来的研究中，可以考虑上下肢之间的关系。

5.结论

本研究使用 OpenSim 肌肉骨骼模型系统地分析了乒乓球运动员正手弧圈球时下肢的运动学。该研究介绍了不同水平乒乓球运动员下肢关节的运动情况。研究结果表明：（1）精英运动员和中级运动员在向前阶段和整个阶段存在显著差异。精英运动员在正手弧圈球时速度更快，NL2 需要提高击球速度。（2）精英运动员在 EP 阶段髋关节和膝关节运动充分，在正手弧圈球时下肢驱动能力优于中级运动员。乒乓球运动员需要通过锻炼提高核心和髋关节肌肉躯干的驱动能力，尤其是核心和髋关节肌肉，以实现对重心的稳定控制，提高快速制动和启动的速度，有效传递力量，并预防损伤。（3）精英运动员的力量更充分地集中在正手弧圈球上，这表明教练在制定体能训练计划时，可以选择训练方法来发展运动员膝踝关节的柔韧性和力量训练。乒乓球通常被认为是一种反应性运动，因为球速快且球员距离近。实际上，乒乓球运动员击球回球的时间很短（不到一秒）。在有限的时间内，乒乓球运动员必须决定如何击球，然后调整到适当的准备姿势。正如之前的研究结果所示，与技能水平较低的运动员相比，精英乒乓球运动员在更短的时间内表现出更大的运动范围。这表明乒乓球精英运动员具有更快的运动能力，因此球速相应地比技能水平较低的运动员更快。