2.3.1 研究背景
2.3.1.1 护踝在着陆运动中的使用
从1994年，美国空军将Aircast伞兵护踝作为标准防护装备。这主要归功于美国环境医学军事研究所在1993年10月的一项对照研究[33]。这项研究发现使用靴外护踝可以使踝关节内翻扭伤减少85%，并且不增加其他部位的损伤概率。但是从2000年起Aircast伞兵护踝被停止使用，其原因包括：成本太高；这种护踝妨碍双足并紧，影响正常的着陆姿势；这种护踝有可能增加其他部位损伤的概率。但是这些原因都属子虚乌有，没有任何对照实验根据。
随后，美国人对在1985—2002年之间使用护踝前后的跳伞损伤数据进行了一项系统调查。调查发现踝关节损伤概率在使用护踝前是使用护踝后的两倍，而且使用护踝并未增加踝关节以外部位损伤概率。使用护踝的费用为每年30000美元，因此而节省的治疗和康复费用为每年83.5万美元，其比值为1∶29。这项调查促使美国从2005年6月开始重新启用伞兵护踝，但这次使用直到次年末再次被中断，其原因依然是成本问题和对其他部位损伤概率提高的担心。随后，美国军队改与Dj Ortho公司合作，采用该公司的内置护踝（Don Joy A60）至今。在此过程中，美国空军还通过受试者测试和数字模拟两种方法，比较研究了Aircast、Form-fit和靴内系带式护踝与无防护在滚翻式跳伞着陆中的生物力学表现，发现使用防护装备可以减小内翻，而对背屈影响有限。
美国军队先后与Aircast和Dj Ortho公司合作，共开发了三代护踝产品（图2-16）。这三代产品大体相同，但有少许变化。第1代护踝使用气囊填补踝关节和小腿与护踝中间的区域。第2代产品将气囊被换为泡沫。第3代护踝对塑料复合板进行了改变，在后跟皮带扣一侧，使用螺钉取代了铆钉，这样就方便拆换后跟皮带。美国连续多年使用了大量人力物力进行调试护踝的研发和对损伤防护的流行病学调查，很多经验值得借鉴。1983年4月，中国研制了伞兵用充气护踝。这种装备含有气囊、气嘴和连接件部分，在着陆瞬间，使足底承受的压力和冲击力转向足背、踝关节和小腿周围，起到预防踝关节扭伤的作用。在小范围部队训练过程中发现，采用该护踝可减少21%的踝关节扭伤，这一数字相对美国大范围采用后调查取得的数据85%，明显较小。
图2-16 美国空降兵护踝
从2006年起，中国伞兵部队配备了06系列伞兵专用护踝袜。这种袜子采用高弹性纤维，袜子底部加厚，踝关节部位采用弹性织法。虽然有这些装备，但长期以来我国军队对此没有制定统一的标准和建立制度，对此类装备的设计缺乏严谨科学的人体实验，在使用过程中也缺乏对这些装备的防护效果的翔实数据记录和分析。虽然充气护踝在大范围采用前经过了试用，但这远远不能成为其常规制度化使用的充分证据。
护踝的主要作用是限制踝关节活动，而对地面冲击力的影响非常小。Di Stefano等人[34]通过实验，研究了配戴系带式护踝对跳跃落地时下肢运动学和地面反力的影响。研究发现，当配戴了护踝时，地面接触初期的踝关节跖屈、跖屈极限、背屈活动度和膝关节屈曲活动度都有所下降，但是未改变竖直方向地面反力峰值。Hopper等人[27]对15名篮网球员的研究发现，护踝对其着陆时竖直方向地面反力峰值和达到竖直方向地面反力峰值的时间影响不显著，对足冲击时后足和跟腱角度也没有影响。美国军方科研人员在着陆实验中应用了三种护踝，和无防护情况进行比较，护踝对冲击力峰值影响不明显[35]。
另外，也有学者研究了护踝对佩戴者下肢肌肉活动性的影响。在Hopper等人[27]的研究中，球员配戴护踝时腓肠肌和腓骨长肌的肌电活动明显变小，未发现其他明显的肌电活动差异。Kernozek等人[29]研究了以不同姿势（10°、20°和30°跖屈，30°内翻）在配戴护踝前后着陆时腓骨长肌、腓骨短肌和胫骨前肌的反应时间。研究结果发现，是否配戴护踝和落地姿势之间没有相互影响，这些因素对肌肉的反应时间也没有明显的影响。
半刚性护踝可以有效控制踝关节扭转，但是其舒适性很差。踝关节绷带也是踝关节防护常用的一种措施，与护踝的预防机制不同，绷带是通过提高踝关节的功能稳定程度来达到预防踝关节扭伤的。在Hopper等人[27]的研究中，未发现使用绷带对达到竖直方向地面反力峰值的时间有明显的影响。但是，关于绷带对冲击力的影响也有不同的观点。Abian-Vicen等人[36]对15名志愿者测试，研究在静态和动态平衡测试、跳跃时离地和落地时踝关节绷带的影响。研究发现，使用绷带时，跳跃落地时的第二竖直冲击力峰值高出12%。所以使用绷带虽然对平衡能力和跳跃的表现没什么影响，但是在需要频繁跳跃的运动中累积的冲击力可能使得关节更易损伤。
相对于护踝，绷带有它明显的弱点，绷带使用起来比较繁琐，使用效果会依赖于缠绕方式的不同而有所不同，而且其效果会随运动迅速降低。但是，关于绷带和护踝的防护作用，不同研究者持不同的观点，缺乏统一的认识。有人认为，虽然绷带的使用可以降低踝关节扭伤率，但实际上仅起到一种安慰剂效用。虽然多数研究认为护踝比绷带更能有效预防扭伤，但是这些结论基本都是基于护踝能更有效地对关节活动进行限制，而关节运动学并不是评价预防措施的唯一指标。对护踝还是踝关节绷带在损伤预防中哪一种起的正面作用更大，还是一个颇有争议的问题。
2.3.1.2 地面硬度或缓冲垫
在跳伞着陆中，地形情况已被确定为一个影响因素。有研究证实，在飞机起落的泥土跑道和机场着陆，比在野外或水面着陆风险更大，在坚硬地面比在沙地上着陆风险更大。对于这种现象，一种解释是不同地形的地面硬度不同，而较软的地面会延长着陆冲击持续的时间，形成缓冲，因此会比硬地面更加安全。但是，这种直觉上认为理所当然的解释，并未在实验中被验证过，也可能仅仅是一个想当然的假象而已。
未经实验验证，来自流行病学调查的结果与可靠的结论之间往往有一层模糊的面纱。英国温彻斯特皇家新罕布什尔郡医院进行了一项民用跳伞着陆的前瞻性研究[37]，在33例受伤患者中发现41处损伤发生，其中一处比较严重的踝关节骨折脱位损伤为着陆于柏油马路上，属于非常坚硬的地面。但是，即使不考虑这是极为偶然的个例，也很难将这种骨性损伤归咎于地面的硬度，因为在民用跳伞中，着陆者的损伤可能更多是由于年龄较大、缺乏经验或地面状态。例如，在同一项研究中，一例62岁患者，在他人生的第一次跳伞中，着陆于柏油路面，左侧膝关节发生后脱位。在这种情况下，很难将损伤原因归咎于地面硬度、年龄或经验中的任意一种[37]。
在有限元分析中，美国军方研究人员通过改变地面弹性模量的设置，研究地面硬度在着陆中的影响[38]。计算结果显示，随着地面硬度的提高，竖直方向的地面反力和踝关节最大角速度都有所提高。但是，该研究并未考虑肌肉活动在其中的影响。从前面几节内容可以发现，肌肉的活动对着陆动作的发挥和损伤发生有着非常重要的影响。另外，地面反力和关节速度与损伤风险的关系，学界还存在争议。因此，对于美国军方研究的结论，还有待进一步验证。
Mc Nitt-Gray等人[39]研究了在体操着陆中，由于地面硬度不同，高水平的体操运动员的着陆策略是如何改变的。他们在实验中采用了三种地面：软垫子、硬垫子、没垫子，让10名女性体操运动员和4名男性体操运动员着陆其上。研究发现，采用垫子和不采用垫子，最大竖直方向地面反力、冲击时间、膝关节和髋关节屈曲角度都有明显不同。相对于着陆于软垫子，着陆于硬垫子时膝关节屈曲角度和最大速度都显著较大。结果表明，运动员会采用多关节解决方案调整身体刚度来应对着陆表面的硬度改变，添加垫子有可能会降低对关节屈曲的需要，从而改变整体的生物力学表现。
英国拉夫堡大学研究者建立了一个弹簧 阻尼计算机分析模型，来再现体操运动员着陆冲击时垫子与地面关键特征[40]。他们研究了在体操着陆中，垫子的材料性能如何改变可以使得地面反力和内部载荷最小[41]。研究发现，当前比赛中使用的着陆垫硬度并不是最佳的，对其阻尼改变20%，仅能很小程度上减小着陆时体内载荷。但是，对其阻尼提高272%，会更加有利，有可能降低与跳马着陆相关的损伤风险。需要注意的是，提高垫子的阻尼，有可能提高前足的载荷，因此需要进一步的研究来了解对局部改变地面情况对局部损伤的影响。
还有学者研究了垫子结构对着陆时能量吸收和稳定能力的影响，分析不同垫子如何影响体操运动员足底压力分布和主观感觉[42]。他们采用6种不同垫子，15名高水平体操运动员来进行着陆测试，研究发现：内侧跖骨和外侧跖骨的足底压力分布与不同垫子的缓冲性能有着显著的相关性。但是，主观知觉测试却不能很好地甄别6种垫子的功能性，也就是说，着陆垫的力学性质与主观感知没有显著的相关性。
Arampatzis等人[43]开展一项实验研究，采用6名女性体操运动员作为受试者，从不同高度赤足跳落，分别着陆于3种不同硬度的垫子上。研究发现，垫子的结构变化对踝关节的运动学不会造成影响。前足与后足之间的运动受到不同硬度的垫子的影响，当采用软垫子时，前足内侧和外侧的最大外翻角度显著较大。因此，垫子的结构对前足的运动影响较大，这个结果与Mills等人[41]的研究有相似之处。继而，对垫子施加稳定界面后，有可能减弱垫子形变对前足关节内侧和外侧最大外翻的影响，形变特征也未受稳定界面的负面影响。这表明，有可能在不改变垫子形变的条件下，减小着陆时前足和后足之间的相对运动[43]。