攀岩运动员动作技术生物力学特征的测试方法构建及其应用

目的攀岩运动中,受限于测试手段,定量评估分析攀岩者的专项力量及技术水平存在局限,本研究旨在构建攀岩运动员动作技术水平的测试平台及评估方法,为提高攀岩运动科学化水平提供手段和方法。方法自主研发测量评估攀岩运动员综合技术能力的测力系统,包括攀爬架、支点-力传感器复合体和计算机;采用柱式压力传感器、分布式压力垫与木质支点组装形成手指压力测试设备,结合高速摄像机、表面肌电测试仪共同构建技术动作测试平台。并选择攀岩关键的抠、捏、抓技术,组装抠点(Crimp)、捏点(Pinch)、把手点(Jug)-力传感器复合体,招募24名优秀攀岩者进行手部技术测试,研究指标为支点牵引力、爆发力、手指压力等力学指标及上肢肌电指标。结果攀岩者抓握抠点的峰值支点牵引力为305.6~381.3 N,捏点为389.4~483.5 N,把手点为557.4~580.8 N;支点-力传感器复合体信度检验的组内相关系数(intraclass correlation coefficient,ICC)为0.917~0.977,指压设备为0.953~0.996,设备具有很高的测量一致性;不同手法、支点条件下抓握的力学及上肢肌电指标存在显著差异。结论本研究构建了攀岩专项力量和技术水平监测评估的手段方法,验证了其在评估手部力量、揭示技术规律的可行性和有效性,为攀岩运动技术分析和训练监测提供了定量数据和科学手段。

基于机器学习的跑步着地方式自动识别方法

目的跑步存在后足着地和非后足着地两种着地方式,着地方式对下肢负荷以及跑步损伤有重要影响。本文采用机器学习方法,建立基于惯性传感器(IMU)数据的着地方式自动识别方法。方法招募16名优秀跑步志愿者(男10人,女6人)在左胫骨佩戴IMU进行测力台跑步测试。利用摄像机拍摄辅助确定受试者着地方式。利用IMU采集的不同跑步周期的线性加速度、加速度、角速度、磁力计和四元组数据,分别通过机器学习中的支持向量机(SVM)和决策树方法进行训练和测试,评估不同速度下着地方式识别的准确率。结果对于SVM(高斯核函数,C=10),用线性加速度、加速度、角速度、磁力计和四元组分别作为特征数据训练时,不同速度下(10、12、14、16 km/h)着地方式划分的平均准确率分别为98.87%、98.11%、98.98%、98.86%、97.97%;对于决策树,使用线性加速度、加速度、角速度、磁力计和四元组分别作为特征数据训练时,不同速度下着地方式划分的平均准确率分别为、90.95%、89.81%、91.37%、94.55%、97.88%。结论对于跑步运动中测得的IMU数据和垂直地面反作用力数据,可以利用支持向量机和决策树模型对着地方式进行识别和预测。其中磁力计作为输入数据在预测着地方式上表现最佳,可以有效地反映跑者的足部着地特征。

肌肉状态及结构参数对腘绳肌最大离心力量的影响研究

目的分析大学生运动员肌肉状态、结构参数与腘绳肌最大离心力量的关系,探索影响离心力量表现的肌肉状态及结构参数因素。方法招募21名健康男性大学生运动员(一级或二级),专项为足球、田径等爆发性项目。使用超声成像仪测量受试者俯卧放松状态下和被动直膝抬腿时优势腿股二头肌的厚度和肌束长度等肌肉结构参数。使用Myoton PRO肌肉功能评估系统测量俯卧放松状态下股二头肌肌腹最高隆起处肌张力、肌肉硬度、肌肉弹性等肌肉状态参数;使用Nordbord北欧股后肌群力量测试仪测量受试者腘绳肌离心力量,相对体重进行标准化。分别统计腘绳肌最大离心力量与两种状态下肌束长度、两种状态肌束长度比值、俯卧静息状态下肌肉厚度、肌张力、肌肉硬度、肌肉弹性进行相关性分析,符合正态分布使用Pearson相关性分析,反之使用Spearman相关性分析。结果相对腘绳肌最大离心力量与静息放松状态下肌束长度存在显著相关性(P=0.039,r=0.453),与被动直膝抬腿时肌束长度存在显著相关性(P=0.006,r=0.577),与两种状态下肌束长度比值存在显著相关性(P<0.001,r=0.689),与肌肉厚度、肌张力、肌肉硬度及肌肉弹性不存在显著相关性。结论腘绳肌俯卧放松状态下肌束长度、被动直膝抬腿时肌束长度、两种状态下肌束长度比值与运动员腘绳肌离心力量表现相关。

攀岩捏法动作的力学和肌电特征分析

目的为探究攀岩捏法(Pinch)动作生物力学特征,本文比较攀岩者捏握捏点和抓握抓点(Jug,最有利使用手部和肩背肌肉力量)时的有效牵引力和上肢肌肉活动特征,为有效抓取并控制捏点的动作技术规范提供理论依据。方法招募22名优秀攀岩者(男12人,女10人)在抓点和捏点上分别进行最大力量抓握测试。通过测力设备获取三维牵引力数据,采集前臂和肩背部8块肌群的肌电数据。应用配对样本t检验对抓点和捏点的总牵引力峰值、各方向牵引力峰值以及8块上肢肌群的均方根振幅(RMS)进行统计检验。结果捏点的总牵引力峰值、垂直向牵引力峰值和前后向牵引力峰值(493.2±168.1 N、458.8±151.8 N和51.4±19.2 N)显著低于抓点(578.9±157.7 N、541.5±141.0 N和64.2±35.7 N)(P<0.05);捏握捏点时桡侧腕屈肌、胸大肌锁骨部、肱二头肌、背阔肌的RMS也显著低于抓点(P<0.01),而尺侧腕屈肌的RMS显著高于抓点(P<0.01)。结论与最易抓握的抓点相比,捏点总牵引力峰值、垂直向和前后向牵引力峰值分别降低了14.8%、10.3%、19.9%,且肩背部肌肉的激活程度也更低,而前臂腕屈肌的激活程度也存在差异。本研究有助于提高对攀岩捏法动作的人与支点作用关系的认识,为攀岩中捏法动作的有效完成和科学训练提供理论依据。

惯性传感器与测力跑台同步方法滑动时间窗口比对法

目的可穿戴惯性传感器(wearable inertial sensor,IMU)便携且测量精度较高,广泛应用于生物力学数据采集。本研究使用滑动时间窗口比对法对不同数据进行处理分析,以解决IMU与其他实验设备的同步问题。方法15名大学生左腿胫骨下缘粘贴1块IMU,在专用测力跑台跑步。测力软件和IMU软件根据同一指令点击开始,记录12、14和16 km/h速度跑步时小腿三维加速度数据和v GRF值,每个速度采集1 min数据。以IMU冠状面角速度极大峰值前第1个极小值和v GRF数据曲线中v GRF≤50 N时刻为左脚离地时刻,计算各步周期。设定v GRF的连续步态的周期数据集为基准时间窗口,IMU的连续步态周期为比对时间窗口。以3步为对比窗口,逐步移动时间窗口,计算基准时间窗口与比对时间窗口群中各个对比窗口的误差,找到误差最小值(若无最小值则以4步为对比窗口),以此找到IMU与测力台步态数据的同步点。结果各个速度下,受试者同步数据中复步时间的平均绝对误差为0.003~0.027 s。平均相对误差为0.4%~4.1%。且Bland-Altman一致性结果显示,复步时间的平均误差均接近于0(-0.002~0.002 s),最大误差(-0.055~0.055 s)均在95%置信区间内。结论滑动时间窗口比对法可有效实现IMU与测力跑台之间的数据同步,也为解决可穿戴传感器与其他测量系统之间的同步问题提供了新途径。

腘绳肌双侧肌束长度差异比与离心力量不对称性的相关性研究

目的腘绳肌拉伤(hamstring strain injury,HSI)是最为常见且危害巨大的运动损伤之一,本研究旨在探究双侧腘绳肌离心力量不对称性(HSI危险因素)及其与左右肌束长度差异之间的关系。研究结果有助于深入理解肌肉功能,为HSI的预防和康复实践提供理论支持。方法31名男性大学生田径、足球或橄榄球运动员,运动等级均为二级及以上,1年内无下肢伤病史。使用超声测试仪,测试受试者俯卧放松状态下股二头肌长头(biceps femoris long head,BFlh)肌束厚度与羽状角,计算双侧肌束长度。使用Nordbord北欧测试板测试受试者双侧腘绳肌离心力量。获得BFlh左右肌束长度差异比与双侧腘绳肌离心力量不对称性,采用SPSS 27软件对BFlh左右肌束长度差异比与双侧腘绳肌离心力量不对称性进行Spearman相关分析。结果BFlh左右肌束长度差异比与双侧腘绳肌最大离心力量不对称性呈正相关(r=0.381,P<0.05),与双侧腘绳肌平均离心力量不对称性呈正相关(r=0.452,P<0.05),与双侧腘绳肌最大离心力矩不对称性呈正相关(r=0.452,P<0.05)。结论BFlh左右肌束长度差异比与腘绳肌双侧离心力量不对称性存在显著正相关,双侧BFlh肌束长度差异比越大,腘绳肌双侧离心力量输出越不均衡。建议在训练和康复中关注双侧肌肉长度差异,减少因力量不均引发HSI的风险。

竞技体育生物力学2023年度研究进展

运动生物力学是研究人体运动力学规律的多学科交叉的应用学科,在竞技体育科学研究和科技保障中起到关键作用。本文在回顾竞技体育生物力学研究方法基础上,重点阐述2023年竞技体育生物力学在提高运动成绩、预防运动损伤和研发运动装备3个领域的研究进展,以期为进一步促进运动生物力学在竞技体育的发展研究提供新思路。

运动生物力学发展现状及挑战

狭义的运动生物力学特指人体运动中的生物力学,主要解决竞技体育领域中如何提高运动成绩和减少运动损伤的问题.随着相关学科的融合和发展,当前运动生物力学的研究已扩展到与人类运动相关的生物学、医学、力学等学科领域.近年来,智能测试、大数据分析、人工智能等技术快速发展,对运动生物力学实验、仿真方法产生了重要的影响,在不断拓展和深化着该学科的研究内容和方向的同时,也对运动生物力学发展提出了新的挑战.本文综述了近年来运动生物力学领域的研究现状,并指出了相关研究方向的关键问题及发展趋势:在理论建模和模拟仿真计算方面,肌肉本构理论及肌肉力计算准确性是重点和难点;实验测试的新技术在竞技体育运动项目中的应用研究中扮演重要角色,其中基于深度学习的人体关键点检测算法在解决竞技体育的非接触测量方面有突破性进展;对于骨、韧带、软骨、肌肉等组织的宏观损伤机制认识不断清晰,但对于其早期损伤预测以及跨尺度损伤发生机制的研究仍有待深入;智能可穿戴装备、人工智能等新技术开始应用于运动生物力学研究及实践,成为目前运动生物力学领域最具活力的研究方向之一.本文的综述表明当前运动生物力学研究越来越向智能化、个体化、定量化发展,并正在与相关学科不断交叉融合,持续推进着体育、健康、医疗等领域的科技创新发展.

“程菲跳”运动学分析

"程菲跳"是我国优秀运动员程菲在2005年创造的新动作,是目前该类动作中难度最大的动作之一,目前世界上极少运动员能完成该动作。通过三维运动学分析方法,研究了"程菲跳"运动学规律与技术特点,获得了程菲在完成"程菲跳"时主要运动学指标随时间的变化过程,包括身体重心位移和速度,各关节的位移、速度和角度,不同动作阶段的时间,以及几个关键技术阶段的运动技术特点。

下体负压暴露时心血管系统反应的计算机模拟研究

目的仿真研究心血管系统对下体负压（ＬＢＮＰ）的反应。方法建立了一个数学模型，模型包括７部分：血液重分配控制、左室灌注、左室、外周循环、心率调节控制、外周阻力调节控制、静脉紧张程度控制。其中，心率和静脉紧张度受动脉压力感受器反射控制，而外周阻力则同时受动脉压力感受器和心肺压力感受器的反射控制。结果利用所建模型，模拟了０～－１０．６４ｋＰａ（－８０ｍｍＨｇ）范围内ＬＢＮＰ暴露时心血管系统的反应，模拟ＬＢＮＰ暴露时收缩压、平均压、心率和心输出量的变化以及血压反应过程，仿真结果均与人体实验结果吻合。结论所建模型是有效的，可以模拟ＬＢＮＰ下血液动力学的短期反应。

儿童倒走足底压力的分布特征研究

为探讨倒走锻炼相对于正常向前行走在足底压力分布方面的特征,对12名健康男性小学生正、倒走足底压力分布进行采集.然后对足底10个区的最大压力和冲量进行分析.结果表明,儿童正、倒走足底压力分布差异明显.与正走相比,倒走时足弓、第4,5趾骨区的压力均变为较高压力区域,而大拇指、第1,2趾骨区变为较低压力区域.该结果提示,倒走足底压力分布特征可能是倒走所具有的锻炼、康复特殊效果主要原因之一.

左心室心肌局部缺血的生物力学模型及计算机仿真研究

目的研究心肌局部缺血的生物力学机制 ,探讨局部缺血时心室不同部位心肌纤维收缩功能变化。方法以左室外部形状、心肌纤维的空间分布方向、电信号传播和心肌力学为基础 ,建立了左室心肌局部缺血的时变数学模型。然后将该模型嵌入我们已有的多元循环系统模型 ,分别仿真研究了内、外心室壁缺血时左室收缩力变化。结果缺血区域心肌收缩力降低 ,非缺血区域收缩力显著增加 ;与心室壁外层心肌缺血相比 ,内层心肌缺血时对左室收缩功能影响更大。结论心肌局部缺血时正常心肌区域具有代偿作用 ,以维持心脏的正常功能 ;

运动员空中翻腾和转体姿态控制过程中转动惯量的变化

目的:分析运动员空中动作中转动惯量的变化特征。方法:根据跳水空中动作特点,建立人体多体系统模型,并开发相应的计算机仿真软件。对某运动员完成四个跳水动作(A:107B;B:407C;C:5136B;D:5235B)进行三维运动学分析和计算机仿真,获得人体总重心、外方位角及总转动惯量张量。最后计算对应于转体、翻腾和倾斜运动的三个中心主转动惯量I1、I2和I3。结果:总重心和外方位角的变化均符合真实运动情况。从四个动作的三个主转动惯量变化曲线看,I2和I3总比较接近,平均值约为I1的5倍。屈体或团身阶段时间约为0.2 s,而展开阶段约为0.1 s。动作A翻腾过程中I1变化较小,平均为2.12 kg·m2;翻腾阶段I2平均为3.46 kg·m2,翻腾结束时I2达最大,为12.48 kg·m2。动作B在翻腾过程中也是I1变化较小,平均为2.32 kg·m2;但I2在翻腾开始时最大,为13.62 kg·m2,翻腾阶段平均为3.30 kg·m2。动作C和D主转动惯量变化相似。动作C的转体阶段I1较小,平均为1.15 kg·m2,转体结束时可达到4.32 kg·m2;翻腾阶段I2最小,平均为3.65 kg·m2,结束时为12.95 kg·m2。结论:空中翻腾和转体过程中转动惯量呈快速、大范围变化,不同类型空中动作的惯性参量变化差异较大。本文建立了测量计算空中转动惯量变化的方法,为运动员分析空中姿态控制提供了新方法。

三米跳板跳水空中技术动作的三维运动学分析方法

旨在建立适合三米跳板跳水空中动作的三维运动学分析方法。方法:用安装于笔记本电脑的运动采集软件及其相连接的两台DV摄像机同步采集三米跳板跳水空中动作。用三维标定框架置于跳板上进行标定拍摄。用SIMIomotion运动录像分析系统解析空中动作。用前述方法考察杆状物体在3×2×7m空间范围运动时所解析获得长度的误差。结果:解析获得运动员头部、颈、腕关节、肘关节、肩关节、躯干中心点、髋关节、膝关节、踝关节、跳板等关键点的三维位移和速度。同时获得运动员质心的位移和速度,腾空时间,起跳角度等关键技术指标。误差分析表明,本方法最大误差小于3%。结论:本研究建立了三米跳板跳水三维运动学分析的有效方法。

胸腹部钝性撞击损伤的生物力学研究

胸腹部钝性撞击损伤的生物力学研究郝卫亚，罗新林，张立藩在飞行、交通、工业事故中常发生胸腹部钝性撞击损伤，造成很多重要器官，如心、肺。肝、脾、肾、胃等发生严重甚至致命损伤。因此，如何防护胸腹部撞击伤历来是工程设计人员和医学工作者的重要研究课题。胸腹部钝...

血容量减少对立位应激反应影响的仿真研究

目的研究不同程度的血容量减少对心血管系统立位应激反应的影响 ,探讨血容量降低在航天失重后心血管失调和立位耐力降低机理中的意义。方法在仿真下体负压 (LBNP)暴露时心血管系统反应模型的血液重新分配子模型中引入血容量减少因素 ,仿真血容量减少 0～ 2 5%后LBNP时心率 (HR)和血压 (BP)变化。结果血容量减少低于总血量的 5%条件下 ,心血管系统可以通过压力反射调节作用维持LBNP时正常的HR和BP ;血容量减少超过约 1 5% ,在安静仰卧位时 ,HR和BP正常 ,但LBNP时BP迅速降低 ,系统可能失去稳定性。结论血容量减少将导致心血管系统对立位应激反应的改变。

羊和人颏部受钝物撞击时动载变化特征及颞颌关节的缓冲作用

目的研究钝物撞击下颏时，下颌骨—颞下颌关节—颅骨复合体动载荷的变化特征。方法１２具羊头颅随机分为两组，进行交叉对照实验；第一组先以ｖ１＝１．１ｍ／ｓ速度撞击３次，然后ｖ２＝１．６ｍ／ｓ速度撞击３次；第二组的实验顺序则相反。２具人头颅先后分别以ｖ１，ｖ２被撞击３次。所有实验均由同一撞击物沿下颏至两颞颌关节连线的垂直方向撞击。结果在本实验条件下，（１）羊头颅交叉撞击实验表明，重复撞击对实验结果无影响（Ｐ＞０．０５）。（２）人头颅ｖ１撞击时间ｔ（４４．１４±３．３３ｍｓ）大于ｖ２（３９．２３±１．６０ｍｓ），但无显著差异（Ｐ＞０．０５）；但ｖ１撞击力ＦＰ（１６９．２０±２３．５８Ｎ）和撞击力ＦＳ（１０５．３７±２０．９６Ｎ）均显著小于ｖ２（３１９．４２±３５．７Ｎ，１５５．６７±２５．６７Ｎ）（Ｐ＜０．０１）。（３）若撞击速度相同，人头颅ｔ显著大于羊头颅（Ｐ＜０．０１），但是ＦＰ小于羊头颅（Ｐ＜０．０１）；二者撞击力变化曲线明显不同。结论（１）实验获得人下颏受钝物撞击的动载荷。（２）人类的颞颌关节的解剖结构使其能较好地缓冲外界冲击。（３）对于同一撞击对象，当撞击速度增加时，撞击持续时间减小。

失重后血量减少致立位应激时心血管反应改变的仿真研究

我们将计算机仿真的实验方法引入重力生理学研究领域。以 Melchior(1994)工作为基础 ,建立一个仿真立位应激 (下体负压 )时心血管反应的数学模型 ,模型包括血液重新分配、左室充盈、左室工作、外周循环、心率调节调节、外周阻力调节、静脉紧张程度调节等七个子模型。然后仿真了人体在下体负压时血压和心率变化 ,结果与同步进行的人体下体负压实验结果吻合。基于此模型 ,仿真研究了血量减少对立位应激时血压、心率和休克指数的影响。结果表明 ,超过总血量 15 %的血量减少将导致立位应激时心血管反应的明显改变 ;但是当血容量减少低于总血量的 5 %条件下 ,心血管系统可以通过压力反射调节作用维持 L BNP时正常的 HR和 BP。本结果证明血量减少是失重后人体立位耐力不良的主要因素之一。

人体运动的生物力学建模与计算机仿真进展

人体运动的生物力学建模与仿真,广泛应用于阐明不同运动的生理机理、探讨运动损伤机制、提高运动员运动成绩和降低损伤等诸多研究领域。他涉及人体骨骼、关节、肌肉和神经等组织的生理、解剖和力学特征的数学建模。利用数学模型,可以采用相关算法求解运动过程中不同肌肉的收缩力,同时还可通过计算机软件进行仿真实验并将仿真结果可视化。本文对人体运动的生物力学建模与仿真及其应用进行了综述。