下肢惯性质量对短跑后续跑时生物力学的影响

下肢惯性质量对短跑后续跑时生物力学的影响

研究内容与意义在大多数短期高速公路和专项速度训练中，抗阻跑训练直接将公斤的负荷用于下肢的训练方法，深受运动员和教练的喜爱。查阅相关文献可以发现,抗阻跑训练研究多集中在牵拉“降落伞”跑、牵拉重物跑、以及“负重背心”跑等方面,而对于下肢负重跑的研究凤毛麟角综上所述,为了探究下肢负重对于运动员短跑时技术动作以及下肢动力学的改变,本研究从运动学与动力学两个角度对小腿惯性质量增加时短跑途中跑阶段下肢的生物力学变化进行分析,评价下肢负重抗阻跑训练的利弊,最终为指导运动训练,预防运动损伤提供理论建议。1研究对象和方法1.1阿斯塔纳的5人自我调节时间6人本实验选取18名男子短跑运动员作为研究对象,12人为上海体育学院短跑专项大学生,6人为清华大学短跑队队员。其中,健将级运动员4人,国家一级运动员3人,国家二级运动员11人。所有受试者于实验前接受问卷调查,确认之前24h内未从事剧烈运动,且下肢半年内无明显损伤,解剖结构及机能正常,身体状况以及运动能力良好。1.2实验方法1.2.1单次使用营造单轴区域,使用载压场及几何模型Vicon红外高速摄影系统(英国,Vicon公司),12台MXT40摄像头,采样频率为200Hz,软件版本为ViconNexus1.7.1,所用反光Marker球直径为14mm。Kistler三维测力台(瑞士,Kistler公司),型号9287B,面积600×900mm1.2.2实际样品拍摄正式实验前,校准Vicon系统及测力台,确保3块测力台之间保持5mm的空隙,测力台表面塑胶垫不相互依靠,不会导致水平方向力变化。之后进行拍摄范围三维空间的标定。同时根据受试者体重,基于郑秀媛2007年发表的中国成年人人体测量学数据,确定小腿质量与转动中心位置,根据小腿质量确定个性化的沙袋质量,将沙袋系于小腿矢状面内转动中心高度运动员起跑位置大约距离测力台40m。运动员听从实验人员的口令,全力奔跑,通过Vicon三维拍摄区域,同时使用实验设备采集实验数据。要求受试者首先进行0%小腿质量负荷的最大速度跑,之后依次进行10%质量负荷与15%质量负荷的最大速度跑测试。每两次采集间隔足够长时间使得受试者充分恢复,每名受试者每种负荷测试采集一个有效数据。1.2.3参数计算方法的确定根据Visual3D软件建立骨架模型的要求,身体分为15个环节。身体重心根据每个环节的相对近端与远端的环节重心及环节测量学参数计算获得对各参数按步态周期时间进行百分比标准化,关节力矩以人体质量进行标准化,本研究采用标准逆动力学方法计算下肢净关节力矩(netjointmoment,NJM),使用DarrenJStefanyshyn等人的方法NJM与关节角速度之积为关节功率P1.2.4生长影响因素的分析指标结果用ue003±SD表示。本研究采用单因素重复测量方差分析(onewayANOVAwithrepeatedmeasure)对比不同下肢负荷下各因变参数的影响,事后检验采用LSD检验。所有数据资料用Excel2013和SPSS21软件进行统计学分析,显著性水平设为α=0.05,非常显著性水平为α=0.01。2研究结果2.1运动学的结果2.1.1两组质心水平方向的平均速度比较受试者在3种负荷条件下的基础时空参数结果见表2。结果表明,增加负重后质心水平方向的平均速度出现了显著下降。10%负重条件下,受试者步长,步频均出现显著性下降,而15%条件下该差异不显著。支撑期时间出现上升,并且15%小腿质量负重条件下,该差异具有统计学意义。2.1.2最大踝蝽屈角度和活动度变化3种负荷条件下运动员途中跑的下肢运动学情况见表3。最大屈髋角度由于负重增加出现了显著下降,并且0%负重与10%、15%负重皆出现了显著性差异。最大踝跖屈角度由于负重增加也出现了下降,并且15%负重下与0%负重出现了显著性差异。活动度方面,髋关节屈伸范围由于负重增加出现了下降,并且无负重与10%、15%负重皆出现显著性差异。踝关节屈伸范围也出现了下降,15%条件下与无负重、10%负重出现显著性差异。2.2动力学结果2.2.1力及功率变化力矩方面:负重增加之后,着地时刻的踝关节力矩出现了显著下降。离地时刻的髋关节力矩出现了显著下降。此外,伸膝力矩的第2峰值在负荷增加之后出现了下降。功率方面:只有髋关节最大向心功率在负重增加至15%小腿质量之后出现显著下降。踝关节最大向心功率在10%与15%负重条件下出现差异,负重增加至15%出现显著下降。2.2.2能量产生的变化支撑期内,随着负重增加,髋关节吸收能量贡献度减小,踝关节吸收能量贡献度增大;而负重带来的能量产生改变主要在膝关节处,支撑期内膝关节释放能量的贡献度随负荷增加,先大幅减小后小幅度回升,总体来看,还是比无负重减小。而在摆动期内,髋、膝关节的能量释放的贡献度由于负重增加发生了显著改变。随着小腿负重的增加,髋、膝关节释放能量贡献度都显著增多。3负压与能量贡献度众多短跑速度训练方法中,抗阻跑训练作为最广泛被教练员与运动员接受与采取的训练方法,一直以来都是体育科学与训练科学领域里的研究热点。相比拖雪橇以及降落伞抗阻跑训练会给运动员带来的躯干前倾角增大本研究的结果显示,当小腿负重增加后,受试者步长、步频、步速均降低,并且10%负重条件下的步长与步频相较于无负重时具有显著性差异(表2)。添加负重之后,质心水平方向上的移动速度显著下降。速度的下降是由步长的下降与支撑期时间的延长造成的。从下肢运动学的角度来看(表3),小腿负重对矢状面内3关节角度变化影响较大的是踝关节与髋关节。踝关节跖屈峰值角度在负重后减小,并且负重之后踝关节运动范围变小。然而,我们通过观察发现,该峰值跖屈角度出现在摆动期内,并且该角度变化较小,因此,相比踝关节,负重对于关节运动学更大的影响为髋关节角度。在髋关节处,脚尖离地之后髋关节伸展进行后摆。髋关节后摆达到伸髋角度峰值后,开始屈髋进行前摆,当屈髋角度达到峰值时,前摆结束。结果显示,由于负重增加了小腿质量,前摆结束时刻屈髋幅度显著减小。总体来说,负重对于关节角度的影响降低了摆动期内踝关节跖屈峰值角度与髋关节的屈髋峰值角度。由于这些峰值角度的变化,使得踝关节与髋关节的活动范围都有所降低。这样的结果与Bennett2009年的结果出现了差异,这有可能是由于两个研究负重方式与质量不同造成的本研究使用关节力矩、关节功率来描述特殊时刻的下肢各关节动力学情况,填补了下肢负重抗阻跑时下肢关节动力学的空白。除此之外,还选择了能量贡献度来探讨在一个步态周期之内负重对于下肢动力学的“合效应”以及能量分布的改变,以期更加准确地揭示该训练方法的生物力学机制。动力学结果显示,负重之后着地时刻的踝关节力矩、支撑期伸膝力矩第2峰值、离地时刻髋关节力矩以及髋关节向心功率峰值等全部出现显著性下降(表4)。髋、踝关节的变化可能与这两个关节的转动速度下降有关。在负重之后,复步时间变长,髋、踝关节运动范围变小,大致可以推断,关节转动速度会有所下降。与此同时,负重之后质心水平速度下降,这应该也是导致髋、踝关节力矩与功率下降的原因。2014年李晓霖对于拖拉阻力抗阻跑的研究中发现,负重之后质心水平速度下降会导致下肢3关节力矩与功率的下降在本研究中,通过对3关节能量贡献度的分析,可以发现,支撑期最重要的能量吸收关节———踝关节,在负重之后吸收能量的贡献度上升,与此同时,髋关节吸收能量贡献度下降(图4)。说明了小腿的负重导致下肢3关节能量吸收分配发生变化,小腿处的负重使得踝关节在支撑期的缓冲阶段需要多吸收大约下肢4%的能量。而摆动期最重要的能量释放关节———髋关节,在负重之后释放能量的贡献度下降,然而,膝关节则需要释放更多能量来进行小腿负重之后的摆动(图5)。使用能量贡献度的方法能够让我们清楚分辨能量吸收与释放的位置与幅值4负压位置与质量通过上述分析发现,小腿惯性质量的增加会引起短跑途中跑髋、踝关节屈伸运动范围的减小,提示这种负重训练方法有可能影响短跑运动员的途中跑技术动作。小腿质量15%的负重引起了髋、膝、踝3关节力矩与功率下降,然而,离地时刻膝关节力矩升高,并且使得支撑期内踝关节吸收更多能量,摆动期内膝关节释放更多能量。这样的结果与负重位置有关,不同负重位置会导致不同关节力矩与功率的改变,从而改变所训练的肌肉力量。优秀短跑运动员一般拥有较为固定的适合该运动员自身的技术动作。如若发生改变,有可能会对运动表现造成不利影响。本研究对于运动学的研究结果显示,小腿负