不同等级男子撑竿跳高运动员助跑及起跳的生物力学特征研究

目的对不同等级男子撑竿跳高运动员质心速度、质心高度、地面反作用力和下肢关节力矩等生物力学指标的具体表现进行探讨,试图了解不同等级运动员的整体特征,并发现高水平运动员助跑及起跳过渡衔接的特点。方法使用大范围的三维动作捕捉系统以及3块测力台对优秀男子撑竿跳高运动员的运动学(200 Hz)和地面反作用力(2000 Hz)数据进行采集,分析比较了5名一级运动员、4名运动健将和3名国际级运动健将的生物力学指标。对国际级运动健将组、运动健将组和一级运动员组的同一生物力学指标两两之间采用非参数独立样本曼-惠特尼U单侧检验,对所有运动员倒2步、倒1步和起跳相应的生物力学指标两两之间采用非参数配对样本Wilcoxon符号秩单侧检验。结果不同等级撑竿跳高运动员助跑后两步和起跳的质心速度、质心高度、地面反作用力和下肢关节力矩等生物力学指标有显著性差异;倒2步、倒1步、起跳相应的生物力学指标之间有显著性差异。结论基于本研究的数据,男子撑竿跳高运动员表现出随等级而变化的生物力学特点,国际级健将运动员的质心速度、地面反作用力等指标体现了其较高的运动能力。倒2步、倒1步和起跳的质心速度、质心高度和地面反作用力等相应生物力学指标的显著差异反映了撑竿跳高技术动作的衔接特征,体现了撑竿跳高助跑向起跳过渡的运动学和动力学特点。

基于功能性近红外光谱技术的不同吞咽任务态前额叶皮质功能研究

目的:采用功能性近红外光谱技术(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)研究不同吞咽任务态前额叶皮质激活情况。方法:纳入19例健康成人受试,在fNIRS采集过程中执行经注射器小口吞咽及经吸管连续吞咽任务,分析不同吞咽任务态前额叶皮质激活模式的差异。结果:在执行小口吞咽任务态,前额叶中显著激活的亚区为双侧的腹外侧前额叶皮层(ventrolateral prefrontal,VLPFC);执行连续吞咽任务态,前额叶中显著激活的亚区为右侧腹外侧前额叶皮层、双侧的背外侧前额叶皮层(dorsolateral prefrontal cortex,DLPFC)及双侧的眶额皮层(orbitofrontal cortex,OFC),其中右侧额极区(frontopolar prefrontal cortex,FPC)激活呈边缘化显著。经配对t检验发现,连续吞咽任务在右侧背外侧前额叶皮层(DLPFC)及右侧额极区(FPC)中的激活程度明显高于小口吞咽任务(P<0.05)。结论:fNIRS可应用于吞咽相关的脑功能研究。前额叶参与吞咽过程,并且以接近自然状态下的方式吞咽时会激活更多的前额叶亚区。

长距离跑步着地模式运动生物力学特征的可视化分析

背景:近年来,随着长距离健身跑的热度持续上升,相关的科学问题也有了更多的研究进展,其中长距离跑的着地模式在跑步技术层面上是一个重要的生物力学研究热点。目的:借助CiteSpace对相关文献进行可视化分析,对近10年来足着地模式为主题的文献进行梳理,明晰足着地模式的现状、热点和趋势。在此基础上,从生物力学角度对足着地模式的主要研究热点进行进一步讨论。方法:以“Foot strike pattern,Rearfoot strike,non-Rearfoot strike,Forefoot strike,Midfoot strike”作为英文关键词,在Web of Science核心集数据库中检索,对纳入文献采用CiteSpace软件进行可视化分析。结果与结论:①最终纳入896篇相关文献。年发文量总体呈上升趋势,发文量Top 3国家依次为美国、中国和英国;Top 3机构依次为哈佛大学、上海体育大学和马萨诸塞大学;Top 3作者依次为Davis Irene S,Hamill Joseph和傅维杰教授。②研究关键词以“裸足跑、跑者、损伤、足着地模式、运动学”出现频次较高,关键词聚类以“能量成本、负载率、足着地模式、危险因素、步态分析”研究至今仍持续火热。③详细分析上述数据后发现,近年来足着地模式整体研究热度保持稳定,热点主要集中于足着地模式的生物力学研究,此类研究趋势集中于不同着地模式(前足着地和后足着地)对于长距离跑者(裸足、穿鞋、距离、速度、损伤风险、跑步经济性和能量消耗等方面)的影响和适应性。④因此,目前研究提示,并无所谓“标准化最佳着地模式”,但可能存在“个性化最佳着地模式”,建议研究者未来要根据自己习惯方式、动作模式特征、运动水平以及任务属性进行有针对性的选择最优的着地模式和跑步技术策略,切勿生搬硬套。

基于单目视频的跳台滑雪飞行阶段数据提取方法

针对跳台滑雪运动难度系数高,穿戴式传感器等入侵式设备易发生危险且价格昂贵而导致该运动数据提取困难的问题,提出了一种基于单目视频的跳台滑雪飞行阶段的数据提取方法。针对单目视频存在畸变和画面背景杂乱的问题进行预处理,通过标定相机参数对拍摄画面进行畸变矫正,并使用帧间差分法去除背景;利用OpenPose人体姿态识别库对运动员的关节位置进行初步识别,得到每一帧各个关节点的二维像素坐标;结合跳台滑雪运动员的姿态特性,针对识别出现误差的关节点,提出一种迭代拟合算法对其进行修正;根据修正后的关节点对运动员的运动特征进行提取与计算,并应用生成的人体模型与视频中运动员姿态进行动作比对。实验结果表明,迭代拟合算法提高了关节点识别准确率和识别精度,且修正关节点后生成的SMPL(skinned multiperson linear)三维人体模型更加贴合实际,证明了该算法对关节点修正的有效性。

背包负重步行的生理学和生物力学研究进展

背包是常用的负重工具,然而人体在背包步行中可能出现一系列的生理学和运动学变化,对其姿势和健康产生影响。本文通过文献整理的方法系统综述了有关背包负重步行下人体生理学和生物力学的研究进展。探讨了背包结构与设计,长时间负重步行下的生理学和生物力学表现,以及特殊人群的背包健康问题。研究发现,背包设计需符合人体工效学,同时重点应放在对背包舒适性、功能性以及适用性进行差异化设计。在生理学方面,背包重量和步行速度显著影响能量成本和心肺活动,引起健康成人呼吸肌疲劳的背包重量阈值在20~25 kg。在生物力学方面,背包重量、背负方式和上下坡地形会对躯干姿势、躯干和下肢肌肉活动、步态参数以及稳定性造成不同的影响。学生、老年和职业人群有不同的背包健康问题,对背包舒适性、便携性、可调性和减重性的需求也不完全相同。

下肢肌肉功能模型应用软件的开发与应用

目的建立人体下肢肌肉功能的数学模型并编写相应的计算机软件,为人体运动过程中的下肢各肌肉力学描述及评估提供快速可靠的数据支持。方法利用现有的国人下肢肌肉附着点的三维坐标数据及其与体表骨性形态学参数的回归方程等相关研究成果,利用VisualC++6.0平台,编写下肢肌肉功能评定软件。结果软件系统可输出任意模拟姿态或实际运动过程中的下肢肌肉功能参数。结论本研究成果可从肌肉动力学层面来指导运动员的专项力量训练,提高运动成绩,也可应用于相关医学领域。

跳台滑雪技术生物力学智能分析与反馈系统的研发与应用

科技冬奥的一项重要任务就是利用高科技手段为运动员的科学训练提供帮助。在冰雪项目中,跳台滑雪运动具有运动范围大、运动速度快、飞行距离远的特点,对其进行三维生物力学运动分析存在一定的难度。研发团队融合数字视频识别的人工智能技术,基于超宽带(ultra wideband,UWB)的精准定位技术和加速度传感技术等多项高科技手段,开发了一套跳台滑雪动作技术分析与反馈生物力学系统,并在国家跳台滑雪队的日常训练中得到了应用。研究就该系统的构建原理和技术路线、模块功能及实际应用等方面进行分析。

跳远起跳技术的生物力学综述

跳远运动是传统的田径项目,有关对跳远起跳技术的生物力学机制及其专项评价指标一直是众多学者所关注的问题。在总结前人研究的基础上,对起跳动作的阶段划分及及主要的争论焦点——腾起速度与腾起叫的匹配关系等问题作一评述。

应用计算机仿真技术探讨肢体开放链快速运动的力学机制

研究采用计算机仿真的方法对肢体两环节开放链快速运动进行了分析。结果表明,对于两环节在同一屈伸平面内的开放链运动,相邻环节相继发力的必要性取决于环节初始方位角;远侧关节肌肉的发力时机对远侧环节末端速度的输出存在较大影响,不同的发力时机将导致不同的动量矩传递效果;在两环节初始夹角大于180°时,关节反力在动量矩传递过程中所起的作用要大于关节肌力矩的作用。

基于红外光点捕获系统实现抓举技术的快速反馈

目的:以举重抓举动作技术的快速反馈为实现目标,探索解决由于技术指标结果反馈周期过长而造成运动技术分析在科研服务中的实际效果欠佳的问题。方法:利用VICON红外光点捕获系统,同步采集抓举动作的三维运动学及地面反作用力数据并导入至自编的分析软件进行实时运动模式识别与数据修补,快速再现抓举动作的三维棍图与一系列相关的技术指标。结果:通过对两名优秀举重运动员共计20次抓举动作的反馈测试表明,所建立的抓举运动模式识别方法准确有效、反馈用时短,能满足技术训练的实践需求。结论:在红外光点捕获系统的硬件基础上开发相应的自动识别与反馈系统是一种值得尝试的运动技术分析方法,有较好的应用前景。

基于系统辨识的颤摆质量模型在跳深动作中的动力学仿真

目的:利用系统辨识与优化解算跳深动作颤摆质量模型中力学元件的参数,并结合计算机仿真探讨模型在冲击性动作动力学仿真中的有效性和实用性。方法:将人体简化为1自由度的颤摆质量模型,导出相应的状态方程,将实验所得人体多刚体模型质心于垂直方向上的运动学数据作为输入量,地面垂直反作用力作为比较量,采用n4 sid子空间系统辨识方法并结合约束优化方法求解出模型力学元件参数估值,回代模型仿真计算输出跳深动作过程中的垂直地面反作用力。结果:辨识与各种初始条件下仿真所得到的地面力值与实测地面力值的拟合度均可达到80%左右;随跳深高度的增加,模型中力学元件的刚度k与阻尼c的值也呈增大趋势;运动学解析数据的精度对拟合度有较大的影响。结论:基于系统辨识的颤摆质量模型可有效反映人体在受到冲击时整体粘弹性的响应表现,而通过个体实验确定模型内参数的方法,也使得模型在应用时更具针对性和灵活性。

健康老年人常速行走的步态分析

采用生物力学测试方法，对５０例６０岁以上的健康男女老年人，进行平地常速的步态分析。结果表明，所有运动学与动力学指标，均反映了老年人行走能力随年龄增长趋向降低的事实，这尤其在运动学各指标上反映明显。

跳远起跳技术的动力学模拟

跳远起跳技术的运用在学界一直存有争议,为探讨跳远起跳技术的生物力学原理,选取跳远起跳动作作为研究对象,建立起跳动作的数学模型并在计算机上实施基于肌肉动力学层面的运动模拟。模拟结果表明:在增大人体重心垂直速度和重心的腾起角方面,膝关节肌较之髋关节肌都有更为显著的作用;在相同的着地距离下,增大小腿环节角与增大大腿环节角相比明显有利。

跳远起跳动作的计算机模拟

选取跳远起跳作为计算机模拟的动作对象,建立了内含颤摆质量的起跳力学模型,并在计算机上实施运动模拟。结果表明,研究所建立的起跳模型基本反映了人体在受到外界冲击时的缓冲特性,弥补了以往研究中采用力学碰撞理论来解决冲击问题所带来的不足之处。同时,也解决了以往研究不能完全得到地面约束反力或得到的地面力与真实情况相距较远的问题。

单腿落地时优势腿与非优势腿的生物力学偏侧性研究

目的:探讨女子足球运动员优势腿和非优势腿单腿落地时下肢之间的差异。方法:15名女子足球运动员在40cm高度完成优势腿单腿落地和非优势腿单腿落地,同步采集分析落地阶段的下肢运动学、动力学和压心位移等特征的差异。结果:1)非优势腿单腿落地的髋关节和膝关节在矢状面的屈曲小于优势腿单腿落地(P<0.01),但触地时刻下肢关节角度均无差异;2)落地阶段,非优势腿压心的移动大于优势腿(P<0.05);3)单腿落地时,优势腿和非优势腿的GRF,至GRF峰值时间和负载率均无差异。通过GRF和负载率计算的对称指数显示优势腿和非优势腿落地冲击存在偏侧性。结论:女子足球运动员非优势腿与优势腿在单侧落地任务中表现出偏侧性,提示在单侧、双侧跳跃落地研究和临床研究中,不能仅选取一侧来代表和评价两侧下肢落地时的损伤风险。另外,女子足球运动员在单腿落地时,相比优势腿落地,非优势腿落地时膝关节和髋关节在矢状面较小的活动范围、落地阶段内外侧方向较大的COP移动以及优势腿近似相同的GRF和冲击率,会增加女子足球运动员非优势腿参与单侧动态运动时的损伤风险。

不同重量下男子抓举动作的生物力学特征

采用实验测试及肌电分析的方法 ,对不同重量下的男子抓举动作进行探析。结果显示 ,重量越大 ,抓举时提铃翻手的速度越快 ;三角肌的肌电积分值最大。提示 ,为提高举重成绩 ,应重视胫骨前肌和绳肌的力量训练。

鞍座高度对骑行时髌股关节力学特征影响的研究

目的:探讨不同鞍座高度对稳定骑行状态下髌股关节载荷的影响,为科学健身骑行提供理论参考。方法:20名受试者以随机的顺序完成(中等高度座高,Medium;自选高度座高,Preferred;较低高度座高,Low;较高高度座高,High)4种鞍座高度下的骑行,采用三维红外动作捕捉系统(200 Hz)、三维脚蹬测力台(1 000 Hz)同步采集受试者骑行状态下的右侧下肢髋、膝、踝关节运动学、踏板反作用力数据;使用三维分析软件(Visual 3D)、Matlab软件计算、分析连续10个踩踏周期的运动学、动力学指标。结果:采用较低的鞍座高度骑行时具有较大的股四头肌峰值肌力(P<0.05)、髌股关节峰值力(P<0.05),与较高的鞍座骑行相比具有较大的髌股关节峰值应力(P<0.05),同时髌股关节峰值力出现时膝关节屈曲角度更大(P<0.05);鞍座高度并没有影响髌股关节峰值应力出现时的膝关节角度(P>0.05)。结论:较低的鞍座高度骑行时,具有较大的股四头肌峰值肌力、髌股关节峰值力及髌股关节峰值应力,同时髌股关节峰值力出现时具有较大的膝关节角度。因此,从预防股髌关节疼痛综合症的观点出发,骑行时需对鞍座高度进行适当的调整,不建议采用较低的鞍座高度骑行。

高速跑时下肢双关节肌做功特性及拉伤风险的生物力学分析

目的:建立下肢肌肉功能模型及下肢骨骼肌肉系统模型,量化快速跑时下肢双关节肌长度速度变化及应力变化,并进一步量化单位面积功率及做功总量,从生物力学视角分析短跑运动员下肢双关节肌做功特性及拉伤风险。方法:采集优秀短跑运动员高速跑时运动学和动力学数据,建立下肢神经肌肉骨骼模型和下肢肌肉功能模型,进行下肢关节运动学和动力学分析,并计算受试下肢肌肉功能参数变化,结合最优化算法量化单块肌肉应力变化,进而分析单块肌肉单位面积功率和做功总量。结果与结论:双关节肌应力峰值、长度峰值、收缩速度峰值和做负功单位面积功率峰值均显著高于其他下肢单关节肌;腓肠肌在支撑前期被拉长的情况下对抗较大外负荷(高应力值)离心收缩,且出现做负功的单位面积功率峰值,拉伤风险极高;腘绳肌在摆动末期和支撑前期处于较大程度拉伸且应力值高,在摆动中期的屈髋伸膝阶段快速做负功(出现单位面积功率峰值),均易被拉伤;股四头肌的拉伤时相为摆动前期的伸髋屈膝阶段,股四头肌在此阶段一直做负功且出现做负功的单位面积功率峰值;双关节肌在一个完整步态中所做负功总和(负功积累)显著高于其他单关节肌。此外,双关节肌在步态某些阶段,同时对两个关节分别做负功和正功。本研究通过单块肌肉力学负荷相关指标为分析下肢双关节肌肉在快速跑时拉伤风险提供了生物力学依据。

我国优秀男子拳击运动员后手直拳击打环节相关肌群的EMG特征及其运动学分析

目的:研究我国优秀男子拳击运动员后手直拳出拳击打环节相关肌群的sEMG特征及其相应的运动学变化,为拳击专项力量训练提供参考。方法:通过表面肌电和三维红外高速摄像系统同步测试方法,采集6名高水平男子拳击运动员后手直拳出拳击打环节表面肌电和运动学的相关数据。结果:1)出拳击打环节,肌肉活动顺序为:腓肠肌→股二头肌→三角肌前束→肱三头肌→肱二头肌长头→肱桡肌。2)击打过程中三角肌前束、肱二头肌和肱三头肌肉在相应时间位置上出现明显的预激活和共收缩现象。3)肌肉做功百分比排序为:三角肌前束>肱三头肌>股二头肌>腓肠肌>肱桡肌>肱二头肌长头,aEMG计算结果与肌肉做功百分比保持相一致的趋势。4)肩关节、上臂环节质心和拳心速度的峰值在击打过程中呈现次序性。结论:拳击后直拳出拳击打环节所选肌肉活动呈现从下肢向上肢激活的次序性。击打过程中三角肌前束、肱二头肌和肱三头肌肉在相应时间位置上出现的预激活和共收缩现象可能是反映运动员技术水平和特点的指标。在肌肉做功百分比和aEMG方面,三角肌前束、肱三头肌和股二头肌在动作过程中表现出相对重要的地位。上肢相关肌群的活动次序与肩关节、上臂环节质心和拳心速度变化的时序性有着合理的解剖学相关,是产生上肢开放链鞭打动作的根本原因。

我国普通高校办高水平运动队的现状与发展对策

从组织管理体系、办队形式、人才结构、学习与训练等方面对我国普通高校高水平运动队的现状进行全面剖析,认为高校办队取得显著成效,但也存在经费普遍匮乏、学训矛盾突出等问题,并提出了发展对策。