直线前进变换为侧向跨步切入动作时的下肢生物力学变化

背景:侧向跨步切入动作是运动领域最常见的进攻技术,这显著增加了运动员膝关节受伤的风险,但目前相关侧向跨步动作的生物力学表现策略及下肢关节负荷特征并不十分清楚。目的:选择大学女子甲组篮球、足球运动员进行侧向跨步切入下肢动作策略,进行生物力学测试,并分析下肢关节的运动学及动力学参数,从而为运动员及教练员预防下肢伤害,尤其是膝关节十字韧带损伤提供重要参考。方法:选择某高校女子甲组足球及篮球各12名运动员作为研究对象,利用三维测力台及运动图像拍摄系统同步获取其侧向跨步切入动作的相关运动学及动力学参数,并运用SPSS 21.0分析软件对相关数据进行处理分析。该试验方案经天津体育学院伦理委员会批准。结果与结论:①足球运动员有较大的着地瞬间踝关节跖屈角度及髋关节外展角度、最大踝关节外翻角度、膝关节屈曲及内旋角度、膝关节屈曲及内旋角度变化量;②足球运动员有较大的踝关节外旋与髋关节内收力矩峰值,篮球运动员则有较大的踝关节跖屈力矩峰值;③篮球运动员有较小的前后分力制动第一及第二峰值、垂直分力第一峰值及较大的前后分力推蹬力峰值;④结果表明,跨步切入动作过程中,足球运动员习惯于前足着地方式进行急停,进而产生较高的地面反作用力,并增加膝关节屈曲角度进行缓冲,同时有较大的踝关节外翻角度及膝关节内旋角度,而篮球运动员在切入过程中膝关节屈曲角度较少,不利于下肢关节对地面反作用力的缓冲,并进而增加前十字韧带损伤风险。     

负重对行军士兵下肢步态特征的影响

目的评定负重行军对下肢步态产生的影响。方法采用随机交互设计,15名健康男性受试者进行4次步行,作训着装0、7.5、27、50kg,分别采用Vicon运动捕捉系统和AMTI测力台检测髋部、膝部和踝部运动学参数的变化。结果随着负重增加,周期性步频相对增加,步幅减小,基本上维持在恒定速度;左右髋关节屈角峰值、外旋角度峰值以及左右膝关节内收峰值受到影响较为明显,但关节运动幅度能够维持。左踝关节内翻角度峰值以及右踝关节外翻角度峰值同样受到影响;下肢左右膝、踝关节的力和力矩增加。结论在既定负荷范围内,负重增加,整体上下肢关节变化较为稳定,但下肢负荷增加,可潜在增加下肢损伤的风险。     

非预期条件下前交叉韧带重建术后运动员侧切动作下肢运动生物力学特征

目的 量化非预期条件下前交叉韧带重建(anterior cruciate ligament reconstruction, ACLR)术后运动员侧切动作中膝关节生物力学特征,探讨运动员前交叉韧带(anterior cruciate ligament, ACL)损伤潜在风险。 方法 应用红外运动捕捉系统和三维测力台同步采集 30 名 ACLR 男性运动员在预期和非预期条件下侧切动作中健侧、患侧下肢运动学和动力学数据。 应用双因素方差分析对关节角度、关节力矩、地面反作用力( ground reaction force, GRF)等测试指标进行统计分析。 结果 患侧肢体的膝关节屈曲角度、外翻力矩和屈曲力矩显著低于健侧肢体,内旋力矩和胫骨前剪切力显著高于健侧肢体。 与预期条件相比,非预期条件下膝关节屈曲角度、内旋力矩、胫骨前剪切力显著增加。 患侧肢体膝关节外旋角度在预期和非预期条件下均显著高于健侧,非预期条件下健侧肢体侧向 GRF 和前后 GRF 显著小于预期条件,患侧肢体侧向 GRF 显著高于预期条件。 结论 ACLR 运动员进行侧切动作时,相比于健侧,患侧表现出较小的膝关节屈曲角度,较大的膝关节内旋力矩和胫骨前剪切力的生物力学特征,可能存在较大的 ACL 潜在损伤风险;在非预期条件下,ACLR 运动员双侧下肢均表现出膝关节内旋力矩增大,侧向 GRF 增大和胫骨前剪切力增大的生物力学特征,提示 ACL 潜在损伤风险不仅限于患侧,健侧下肢也应加强侧切动作中 ACL 损伤预防。     

跑鞋与着地方式对跑步损伤的影响

长跑是骨骼肌肉系统损伤发病率最高的运动健身项目之一,与跑鞋和着地方式有很大关系。在百链云图书馆和谷歌学术数据库中检索有关跑鞋和着地方式与跑步损伤关系的生物力学研究,最终选择42篇进行文献综述,发表时间为1981~2016年。跑鞋所宣称的缓冲和动作控制的作用并未得到证实,裸足跑作为更自然的跑步方式得到提倡。前脚掌着地的跑步方式对膝关节的损伤更小,但踝关节和跖骨的负荷较大;后跟着地则相反。因此,跑步者应根据自身情况选择适合的跑步方式。但转变跑步方法对跑步者下肢生物力学特征的影响尚未明确,这方面的研究会对跑步者转变跑步方式提出更好的建议。     

不同鞋条件对后跟着地跑者跟腱负荷特征的影响

目的 探究不同鞋条件（极简鞋和传统跑鞋）对跑步时跟腱负荷特征的影响。方法 招募16名健康男性后跟着地跑步爱好者,要求其以3.16~3.50 m/s速度在两种鞋条件下完成跑步实验。采用超声影像仪获取跟腱横截面积成像。采用运动捕捉系统和三维测力台获取踝关节矢状面运动学和地面反作用力数据,并计算踝关节和跟腱的力学参数。采用配对样本t检验比较两种鞋条件对各因变参数（踝关节角度、触地角度、跟腱力、应力、应变等）的影响。结果 与传统跑鞋相比,穿着极简鞋时的足触地角度显著降低39.9%。同时,踝关节力矩、跟腱力峰值、跟腱负载率峰值和平均负载率均显著增加,而达到跟腱力峰值的时间显著减小。穿着极简鞋时的跟腱应力峰值、跟腱应变峰值及其应力率和应变率峰值也显著增加。结论 习惯穿着传统跑鞋并采用后跟着地的跑者在穿着极简鞋后显著增加了跟腱的负荷特征,建议该类跑者循序渐进地过渡至极简鞋,以适应性地提高跟腱承受负荷的能力。     

冲击载荷作用下运动员下肢动态响应的逆向动力学仿真

目的分析冲击载荷作用下羽毛球运动员下肢关节肌肉的动态响应变化。方法基于Any Body Modeling System软件建立人体肌骨模型,采用实测表面肌电信号进行验证,以运动捕捉系统和测力台测量数据进行模型驱动,对羽毛球右前场蹬跨步上网过程中下肢肌肉肌力、关节力和关节力矩进行逆向动力学仿真与分析。结果所建人体下肢肌骨模型经肌电信号验证有效。羽毛球蹬跨步上网过程中,髋、踝关节Z方向内力峰值显著高于X和Y方向内力峰值,而膝关节X方向内力峰值显著高于Y和Z方向内力峰值;缓冲期,髋关节X、Y、Z方向依次表现为内收力矩、伸髋力矩和内旋力矩,膝关节X、Y、Z方向依次表现为外展力矩、屈膝力矩、外旋力矩,踝关节X、Y方向依次表现为内翻力矩、跖屈力矩,且髋、膝、踝关节X方向力矩峰值显著高于Y和Z方向;股外侧肌、股二头肌、胫骨前肌、腓肠肌内侧在对抗地面冲击载荷时的肌力发挥较大,股直肌、半膜肌、比目鱼肌发挥的作用相对较小。结论建立的下肢肌骨模型可为冲击载荷作用下运动员下肢生物力学特性分析提供技术平台。为避免运动损伤,类似羽毛球前场蹬跨步上网冲击动作中尤其要重视触地瞬间地面反作用力载荷对髋、膝、踝关节前后及内外侧方向生物力学性质的影响,同时在对羽毛球运动员进行专项训练时切勿忽视对股外侧肌、股二头肌、胫骨前肌的专项力量发展。     

跑姿再训练对冲击力、下肢生物力学及刚度的影响

目的 通过建立12周跑姿再训练（gait retraining,GR）的干预模式（即通过一定的姿态目标改变跑者原有跑姿）,确定GR前后跑步时垂直地面反作用力（vertical ground reaction force, vGRF）以及髋、膝、踝三关节运动学、动力学和下肢刚度特征的变化,探究跑姿转换对冲击力和下肢生物力学的影响。方法 采用Vicon 运动捕捉系统和Kistler三维测力台同步采集30名跑步爱好者（GR组15人,对照组15人）GR前后穿着极简鞋以 12 km/h±5%速度通过测力台的GRF以及标记点轨迹。结果 共17名受试者（GR组9人,对照组8人）完成训练。训练后两组最大负载率都显著下降,GR组相比对照组最大负载率更低;GR组足部触地角度显著减小,两组跖屈角度和髋关节蹬伸角速度都显著增加;GR组踝关节力矩增加;两组下肢刚度均显著增加。结论 成功建立12周GR运动干预模型（前掌着地转化率为78%）。GR能有效避免冲击力峰值、降低最大负载率、提高下肢刚度,进而在减小甚至避免由冲击力引起的跑步损伤风险的同时,为提高跑步经济性提供可能。     

髋外展肌疲劳对不同性别人群单腿侧跳落地时神经肌肉控制的影响

目的 比较髋外展肌疲劳对不同性别人群单腿侧跳落地期间的姿势稳定性及其神经肌肉控制的影响。方法 比较20名男性和20名女性在髋外展肌疲劳干预前后进行单腿侧跳落地期间的压力中心(center of pressure, COP)、地面反作用力(ground reaction force, GRF)、下肢运动学、关节力矩、肌肉活动度等。结果 疲劳后,男性和女性COP在冠状面的最大位移和平均速度增加,髋关节外展峰值角度和踝关节外翻峰值角度增加,踝关节内翻峰值力矩增加。触地前200 ms,男性股直肌、股二头肌、胫前肌、腓骨长肌的激活小于女性;触地后200 ms,男性股二头肌激活小于女性。结论 髋外展肌疲劳导致冠状面姿势稳定性下降,髋、踝关节冠状面稳定性下降,可能增加关节损伤风险。不同性别人群的姿势调控策略存在差异,提示下肢关节损伤机制的性别差异值得进一步探究。     

老年人下楼梯下肢关节做功模式分析

目的 探究下楼梯行走过程中老龄化对老年人下肢关节做功模式的影响,丰富楼梯行走的防跌倒理论。 方法 采用 Vicon 红外运动捕捉系统和 Kistler 三维测力台同步采集青年人和老年人下楼梯行走的运动学和动力学数据,利用下肢关节角度、力矩、功率、做功贡献度指标对下肢关节做功模式进行量化评定。 结果 下楼梯过程中,青 年组和老年组下肢三关节角度、力矩、功率的变化趋势一致。 在优势腿的 1 个支撑相内,老年人的屈髋力矩峰值、伸膝力矩第 1 峰值、第 2 峰值、跖屈力矩第 1 峰值、膝负功率第 1 峰值、第 2 峰值、踝负功率峰值以及髋、膝、踝关节净功均显著降低(P<0. 05);伸髋力矩峰值、髋负功率峰值、踝关节做功贡献度显著增加(P<0. 05),髋、膝关节做功贡献度并未出现显著性差异(P>0. 05)。 结论 在下楼梯过程中,老年人下肢关节力学特征显著降低。 老年人采取不同于青年人的下肢关节做功模式。 老年人通过较大的伸髋姿势抵制躯干的过度前倾,同时采取踝关节做功的代偿模式,提高下楼梯行走的身体稳定性。 建议老年人在锻炼时应以增加膝、踝关节肌肉力量的项目为主,以维持下楼梯的姿势控制能力。     

基于局部欧拉角的下肢关节运动仿真模拟

目的 探讨局部欧拉角在下肢关节运动仿真模拟中的参数及效果.方法 下肢CT数据1套,分割并重建出髋骨、股骨、髌骨、胫骨、腓骨及足骨.将重建骨骼导入3DSMax中进行平滑、优化、轴转置等处理.将处理好的模型导入Unity3D中,结合局部欧拉角对髋、膝、踝和跖趾关节进行仿真模拟,对脚本进行测试并对相关参数进行调整.发布调整后的文件形成可执行文件.结果 髋关节、膝关节、踝关节和跖趾关节运动符合实际情况并且不超出真实运动的范围(髋关节屈伸-170°～170°,展收-30°～80°,旋内外-40°～60°,膝关节屈伸0°～140°,踝关节屈伸-60°～ 55°,内外翻-30° ～ 20°,跖趾关节屈伸-40～30度).结论 Unity3D中局部欧拉角及"父子关系"继承可适应下肢关节真实运动幅度和关系.     

基于一维统计参数映射分析跑者跑步地面反作用力差异

目的通过一维统计参数映射(statistical parametric mapping,SPM)对比分析男、女性跑者及左右侧地面反作用力(ground reaction force,GRF)差异。方法 30名男、女性跑者在测力跑台上以12 km/h速度进行跑步测试,记录连续5个支撑期GRF,采用一维统计参数映射独立样本t检验与配对样本t检验分别对比男、女性跑者及左右侧GRF差异。结果男、女性跑者的垂直平均负荷加载率(vertical average loading rate,VALR)左右侧均存在不对称,且男性跑者左侧VALR显著高于女性,而右侧无显著差异;男女性跑者右侧垂直GRF在蹬离期及横向GRF在落地期存在差异,男、女性跑者左侧横向GRF在落地期及支撑中期存在差异;男性跑者左右侧前后GRF在蹬离期、垂直GRF在落地和蹬离期及横向GRF在落地期均在存在差异;女性跑者左右侧GRF仅在垂直方向的落地期和蹬离期存在差异。结论介绍SPM在GRF数据分析中的应用,阐释相关步骤及原理,对比SPM连续值检验与特征值检验的差异,并讨论参数性SPM与非参数性SPM的差异与特征,为该方法在运动生物力学研究中的应用提供参考。通过对男、女性跑者间及左右侧GRF对比分析发现在落地期、支撑中期及蹬离期等阶段的性别差异及左右侧对称性差异,相关结果为后续进一步探究跑步相关损伤原理及防治措施铺垫基础。     

Lower extremity mechanical work during stance phase of running partially explains interindividual variability of metabolic power

Recent attention given to the mechanical work of the lower extremity joints, the emerging importance of the stance phase of running, and the lack of consensus regarding the biomechanical correlates to economical running were primary justifications for this study. The purpose of this experiment was to identify the correlations between metabolic power and the positive and negative mechanical work at lower extremity joints during stance. Recreational runners (n = 16) ran on a treadmill at 3.35 m s⁻¹ for physiological measures and overground for biomechanical measures. Inverse dynamics were used to calculate net joint moments and powers at the ankle, knee, and hip. Joint powers were then integrated over the stance phase so that positive and negative joint mechanical work were correlated with metabolic power (r = 0.60–0.69). Positive work at the hip and ankle during stance was positively correlated to metabolic power. In addition to these results, more economical runners (lower metabolic power) exhibited greater negative work at the hip, greater positive work at the knee, and less negative work at the ankle. Between the most and least economical runners, different mechanical strategies were present at the hip and knee, whereas the kinetics of the ankle joint differed only in magnitude.     

篮球鞋对主动与被动落地时冲击力特征和肌肉活化的影响

目的探讨人体在主动和被动落地过程中,穿着篮球鞋对落地冲击力特征和下肢相关肌群活化程度的影响。方法选取具备强缓冲性能的篮球鞋作为测试用鞋,并辅以对照鞋。12名球类专项男运动员作为受试者,在翻板器上完成包括由低到高3种下落高度和2种下落方式(主动落地反跳和被动着地)在内的着地动作。利用测力台和肌电分析系统同步采集冲击力和下肢5块主要肌群的EMG信号。结果主动落地反跳时,穿着篮球鞋并没有对冲击力的振幅和频率以及下肢肌群的激活程度产生影响;但被动着地时,穿着篮球鞋却能够显著降低冲击力和负载率的峰值,减小冲击频率(P<0.05),同时显著降低下肢各主要肌群的后激活程度(P<0.05)。结论在主动控制完成动作的情况下,运动鞋影响冲击力和肌肉活化的效果并不明显;然而当人体未完全控制着地状态时,篮球鞋能够改变输入于下肢的冲击力信号,达到缓冲避震并适当减小肌肉活化的效果,为避免落地时运动损伤的发生及机能节省化起到了积极的作用。     

不同跑步着地习惯对跟腱形态学及其负荷特征的影响

目的 探究不同着地模式对跟腱形态学和负荷特征的影响。方法 招募习惯后跟着地跑者和习惯前掌着地跑者各14人,利用超声医学影像仪采集受试者的跟腱形态学特征（跟腱长度、横截面积、厚度）;利用三维测力跑台采集并计算受试者穿着缓冲跑鞋以10 km/h速度跑步时的跟腱负荷特征（跖屈力矩、跟腱力、负载率、冲量、应力等）。结果 与习惯后跟着地跑者相比,习惯前掌着地跑者踝关节跖屈力矩峰值、跟腱力峰值、平均负载率、峰值负载率均显著增加（P＜0.05）,但两组跑者跟腱长度、跟腱横截面积和跟腱厚度差异无统计学意义（P＞0.05）。结论 长期的前掌着地模式可以适应性地提高跟腱在重复性的“拉长-收缩”循环刺激中的力学特性。深入理解跟腱在不同着地方式下的响应,对于跑步爱好者以及运动医学领域中预防跟腱相关损伤具有重要的临床意义。     

Asymmetric knee loading at heel contact during walking in patients with unilateral knee replacement

Increased load on the knee joint by excessive levels of impact forces during initial contact has been suggested to lead to knee osteoarthritis (OA). Asymmetric loading after knee replacement may also relate to the development of OA in the contralateral limb, therefore this study investigated the heel strike transient vertical force and subsequent lower extremity kinematic, kinetic and spatio-temporal parameters during level walking between the operated and the contralateral limbs in patients 12 months following unilateral knee replacement. A six camera motion analysis system with a force plate was used to investigate the differences between limbs in the heel strike transient vertical GRF and its relative timing, and hip, knee and ankle angles and moments at initial contact, as well as spatio-temporal parameters during the stance phase of walking in 19 subjects with unilateral knee replacement. Paired t tests showed a significant difference in the contralateral limb relative to the operated limb in the heel strike transient magnitude (p=0.03), hip moment (p=0.01), knee moment (p=0.02) and ankle moment (p=0.03). No significant differences were found for the joint angles at heel contact or the spatio-temporal parameters (p>0.05). The heel strike transient magnitude was lower for the operated limb with no differences in the spatio-temporal parameters or the joint angles at initial contact between the limbs. Differences in the hip, knee and ankle moments were also found indicating an asymmetric loading of the impact force at initial contact on the lower extremity. The current findings may indicate an asymmetric loading on the knee joint and therefore may be clinically relevant in patients undergoing unilateral knee replacement.     

即刻改变触地方式对着鞋跑时内侧纵弓在体运动学的影响

目的 探究即刻转换触地方式对着鞋跑步时内侧纵弓在体运动学的影响。 方法 采用高速双平面荧光透视成像系统采集 15 名健康男性跑者即刻改变触地方式前后右足在跑步支撑阶段[跑速:(3±0. 15) m/ s]的荧光图像。根据 CT 图像重建第 1 跖骨和跟骨三维骨骼模型及其局部坐标系,并通过 3D-2D 配准获取内侧纵弓在跑步支撑期的 6 自由度(six degree of freedom,6 DOF) 数据(简化为第 1 跖骨相对跟骨的运动)。 采用一维统计参数映射(statistical parametric mapping,SPM)比较即刻改变触地方式前后内侧纵弓的 6 DOF 运动趋势,并对其特征值进行配对样本 t 检验。 结果 相比后跟跑,即刻前掌跑时,在支撑期的 15% ~ 21% 第 1 跖骨相对跟骨的外移、支撑期 17% ~45% 第 1 跖骨的前移和支撑期的 18% ~ 39% 第 1 跖骨的背屈均显著增加(P<0. 05)。 即刻前掌跑时,第 1 跖骨相对跟骨的前移最大值、背屈最大值、前后平移活动范围及内侧纵弓压缩变化量均显著增加(P<0. 05)。 结论 由习惯后跟跑即刻转换为前掌跑后,内侧纵弓矢状面的形变显著增加,尤其是内侧纵弓的压缩变化量增加约 10% ,可能有助于其弹性能量的储存与释放。     

得分状态下竞技跆拳道运动员双飞踢动作下肢生物力学特征分析

目的 探索竞技跆拳道运动员在使用电子护具时双飞踢动作的下肢运动生物力学特征。 方法 利用电子护具计分系统、表面肌电测试设备、三维运动捕捉设备和三维力台,采集 14 名竞技跆拳道运动员双飞踢动作有效得分时下肢关节运动学、动力学和表面肌电数据,使用 Visual 3D 软件计算动作时间、重心位移、下肢关节活动范围和 速度、地面反作用力等参数。 结果 两次击打总用时为 0. 583 s,优势侧和非优势侧的进攻时长一致。 重心偏移较小,优势侧和非优势侧均具有较好的击打平衡控制能力。 两侧下肢关节运动角度和角速度变化的趋势一致;在击打前膝关节屈曲阶段,进攻腿膝关节屈曲角度的不足可以在伸展阶段加大伸展角速度而获得有效击打;在击打前膝关节屈曲和伸展阶段,下肢两侧腓肠肌内侧头募集程度最大。 结论 双飞踢技术具有较好的连续性和左右对称性,在第 2 次击打时减小进攻时间有助于得分。 在双飞踢动作的训练中应加强踝关节灵活性以及腓肠肌、臀大肌的力量训练,避免不必要的运动损伤,以适应穿戴电子护具的比赛模式。     

下肢不等长对步态影响的实验分析

目的采用正常人体单侧增高模拟下肢不等长,分析下肢不等长步态特征,研究下肢不等长对步态的影响,为下肢假肢穿戴者因下肢不等长引起的慢性疾病提供理论依据。方法通过单侧穿鞋增高人为制造下肢不等长,利用三维动态捕捉系统和地面反力采集设备采集受试者在正常步态和下肢不等长步态下的时空参数、地面反力和关节角度,并进行对比分析。结果下肢不等长步态与正常步态在步长、步长时间和单侧支撑期存在显著差异。下肢不等长步态左右腿足跟着地期垂直方向地面反力均大于正常步态,髋、膝、踝角度存在明显变化。结论下肢不等长是造成行走步态异常的重要原因,可能是下肢假肢穿戴者产生腿部关节疾病的原因。