文摘

大量的受伤发生下肢滑雪和滑板滑雪。由于收集的难度与高精度三维运动学和动力学数据,可能损伤统计和联合载荷之间的关系还没有被研究过。因此,当前研究的目的是比较踝关节和膝关节负荷之间的转向腿雕刻滑雪和滑雪板。动态数据收集使用移动力板安装在脚趾和脚跟的部分绑定在天空或滑雪板)(基斯特勒公司。运动学数据收集与五同步,平移、倾斜、缩放相机。的扩展版本Yeadon模型应用于计算惯性特性的部分。踝关节和膝关节的力量和力矩计算使用逆动态分析。结果显示较高的部队沿着纵轴的滑雪和滑板滑雪和类似的力量前后和中间外侧的方向。联合时刻都在滑雪板将更大,但更多的波动被观察到在滑雪。因此,当比较联合加载雕刻滑雪和滑雪板,应该区分力和时刻,包括力量和方向的时刻和阶段。

1。介绍

滑雪和滑板滑雪是著名的冬季运动和一般趋势显示越来越多的人参与这些运动1- - - - - -3]。从业人员数量的增加,损伤的数量增加。损伤统计表明,滑雪受伤主要涉及下肢,主要是膝盖(18.1% - -36.7%)4- - - - - -8)和踝关节(6% - -12.2%)(6,9- - - - - -11]。在滑雪,伤害发生下降或主要在登陆后跳转和上肢受伤(7,8,12]。然而,仍然有相当数量的伤害发生在下肢,6.4 - -17%的膝关节和踝关节的4.9% - -16%7,13- - - - - -16]。这些价值观清楚显示下肢的脆弱性在滑雪和滑板滑雪。如果我们假设高联合加载相关的伤害,伤害统计建议更大的膝关节负荷在滑雪板滑雪和大的踝关节加载。

有人建议,雕刻的引入将技术是导致下肢损伤的严重程度的提高滑雪。基于生物力学概念所描述的豪(17),外部力量作用于滑雪/滑雪包括重力和支持力,雪摩擦力、空气阻力、推进力,而转动,向心力。典型更高的速度和更小的转弯半径在雕刻增加向心力,从而增加了下肢关节负荷。这个概念适用于滑雪和滑板滑雪。然而,联合载荷的大小和方向的每个关节可能会在滑雪和滑板滑雪之间由于技术,位置,和设备的差异。使用软在滑雪靴,少量的运动在脚踝预计,而在僵硬的滑雪靴部队和瞬间转移到膝关节。这建议更高的联合加载在踝关节在滑雪和更高的联合加载在滑雪和膝关节受伤会同意前面描述的统计数据。

在第一次尝试,它的特殊利益以获得更大的洞察力之间的差异在踝关节和膝关节负荷雕刻滑雪和滑雪板。当前的研究的重点是在雕刻转自雕刻转是一种常见的技能在滑雪和滑板滑雪和更高的联合载荷预计在这样的转折。研究Urabe et al。18在滑雪报道更多的伤腿的外侧。外腿可能经验更高的力量和时间由于其转向的功能。因此,目前的研究集中在方向盘的腿。在滑雪操舵控制的后腿。

一些生物力学研究估计联合加载在滑雪时把19- - - - - -24和着陆动作后跳25,26]。估计还在滑雪部队和时刻,在引导唯一的高山板(27)和下肢关节(28]。除了研究Klous et al。23)和克鲁格et al。28),没有先前的研究进行全三维(3 d)逆动态分析在滑雪和滑板滑雪有足够的精度。这是由于复杂性收集3 d运动数据准确地在田间试验(20.]。最近,我们开发了一种方法来收集准确的三维运动数据Klous et al。29日]。运动的综合精度检查设置,运动数据收集、分析了摄影测量的错误11日9日和13毫米 - - - - - -, - - - - - -, 分别方向。皮肤造成的最大误差运动构件是39毫米;类似的错误已报告在实验室设置(30.]。一起收集3 d动态数据,为逆运动学数据作为输入动态分析来确定下肢关节全部加载3 d提供足够的精度。

因此,当前的研究的主要目的是比较三维(3 d)踝关节和膝关节负荷之间的雕刻滑雪和滑雪板在转向站在现实生活情况与精度高。基于损伤统计和由于技术上的差异,位置,和设备之间(硬启动和软启动)滑雪和滑板滑雪,这是假设,在指导腿雕刻,踝关节加载是在滑雪和膝关节加载在滑雪。

2。方法

2.1。对象和设备

五个男熟练的调查对象参加了实验,三个滑雪者(高度: 厘米,体重: 公斤)在全面卡佛(长度:170厘米,切边:34毫米,滑雪半径:17米)和两个普通运动员(高度: 厘米,体重: 公斤)自由式板(长度:158厘米,绑定对齐:25°,10°后绑定,绑定之间的距离:53厘米)。受试者在奥地利滑雪和滑雪板教师在国家层面上,没有伤病史。受试者穿着自己的滑雪和滑雪板靴。所有的受试者都给他们的知情同意。

2.2。运动设置

详细描述的运动设置中可以找到Klous et al。29日]。的示意图表示运动设置如图1过程,包括定义((a)和(c))和相机设置((b)和(d))的滑雪把((a)和(b))和滑雪板((c)和(d))。简而言之,与五门课程设置和数据收集在第三个门。倾角边坡21°23°滑雪和滑板滑雪。运动学数据收集从边缘变化到随后的边缘变化(图1与五同步平移厚横线),倾斜,和缩放相机(松下F15 50赫兹)。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图1
课程定义(a和c)和相机设置为滑雪(b和d)转(a和b)和滑雪板转(c和d)包括盖茨 相机(▲),把分析的一部分(粗线)之间。

山上一个参考点系统设置来描述的3 d运动滑雪和滑雪从二维(2 d)视频数据使用平移、倾斜、缩放相机(29日,31日,32]。相机三脚架的位置,参考点,盖茨的位置使用经纬仪测量。运动设置只允许一个轨迹滑雪和滑板滑雪。因此,滑雪和滑雪板的半径相似,但因此变成不同的速度。大约100个标记是严格拟合stretch-suit骨盆,腿,滑雪和滑雪板靴,和天空/滑雪板。这个过程是必要的,至少有三个标记每段的连续两个摄像机在整个运行是需要执行三维运动学分析(33]。

2.3。动态设置

斯特里克et al。34)详细描述了动态设置包括一个全面系统的精度分析。简单,数据收集动能移动力板系统(KISTLER CH 200 Hz)组成的4六分力测被安装在每个滑雪(两个)或滑雪板滑雪。测的测量误差是0.3% 3 d部队( > 292 N)和3 d扭矩范围从4.0%到8.3%。的偏差计算力的应用程序从其参考点在中间外侧的1.4和8.8毫米,前后的方向,分别。温度对测量精度影响不大的测34]。站的高度从雪滑雪靴的底部是8厘米。四个电缆连接充电的测放大器的背包也包含数据记录器。完整的测量设备的额外重量大约是7公斤。

2.4。协议

实验三个测试运行之前进行热身和调整测量设备。此外,受试者安静的姿态执行试验平行和正交的瀑布线允许定义局部坐标系统(lcs)为每一个段。数据收集左转在滑雪和有正面雕刻(右)在滑雪。滑雪和滑板滑雪,3分/试验收集的所有视频和主题是清晰可见的技术进行正确(由目视检查)。允许同步的动力学和运动学测量装置在数据分析、主题后直接跳转执行审判被至少一个相机拍摄。第二个复位后的动态测量装置进行运行控制可能漂移系统的行为。

2.5。数据分析

运动学和动力学数据分析以及逆动力学计算详细描述Klous et al。29日]。简单,3 d标记从手工数字化后连续两个摄像机坐标计算每个相机的所有可见的标记为每个视频帧使用思米运动(7.0版本,构建242)。数据过滤和插入片段的位置和姿态计算通过万向节与中间外侧的角度( )、经历( )和纵向( )旋转序列35,36)与软件开发的Matlab(版本6.5)。联合中心位置计算使用sphere-fitting评分方法(37]。左右腿的动力学数据同步和偏移量修正和运动学和动力学数据也同步。

惯性特性的下肢被Yeadon[计算应用几何模型38]。模型扩展了滑雪和滑雪板靴添加到模型中。引导脚踝以下的部分被添加到段脚和脚踝上方的部分被添加到柄。从法官(密度值39)是根据Yeadon (38)计算的惯性参数段。内部和外部的实验确定密度滑雪靴是280公斤/米3和1400公斤/米3,分别。滑雪板靴内的实验确定密度为200公斤/米3和外部引导470公斤/米3。

逆动力学分析应用于计算净联合部队和时刻(净联合加载)从边缘改变后续。因为高频运动运动没有预期,全球质心的位置(COM)以及每一段的取向是过滤使用第四阶零相位巴特沃斯低通滤波器的截止频率2赫兹。运动学角度和线性加速度数据由数值微分法和动力学和运动学数据time-normalized任意选择201数据点之前进入逆动态分析。净联合部队和净时刻在踝关节和膝关节计算LCS的小腿和大腿,分别(图2)。净联合部队被规范化的体重(BW)和净联合时刻身体质量标准化。规范化合力和净时刻(称为联合部队和关节时刻在剩下的纸)在踝关节代理合力和净时刻准备从脚腿计算LCS的腿。膝关节的合力和净时刻代表合力和净时刻表演腿的大腿大腿的LCS的计算。定义与lcs 设在前后方向(正的 设在前) 设在段的长度(积极的 设在近端), 设在中间外侧的方向,积极的 设在指向外侧转向(右)的腿在滑雪和滑板滑雪(图2)。

(一)
(一)
(b)
(b)
图2
定义的局部坐标系(LCS)指导腿的腿和大腿滑雪(a)和(b)滑雪。

由于实验装置的复杂性和相关的困难收集精确的数据,仅在两个试验数量有限的插值是必要的,以满足需求的三个标记的连续两个摄像机在整个运行。因此,在接下来的一个代表雕刻滑雪,一个代表雕刻滑雪板提出了相对。踝关节和膝关节加载在滑雪指导腿(腿外)和滑雪(后腿)而在当前的研究中。数据被分成三个阶段的持续时间(33%)。这些阶段大约对应的功能方面:起始阶段,转向第一阶段,转向二期(40,41]。

滑移角β计算描述滑移组件在一个转42,43]。这个角是指方向向量之间的夹角(从前面到后面行绑定的滑雪)和速度矢量的脚踝滑雪/滑雪的腿。在当前的研究中平均滑移角计算的滑雪平均天空rear-binding块的位置,前面的位置绑定的天空,和左右腿的踝关节位置。在滑雪,平均踝关节位置计算。的角β可以客观地验证,雕刻。在计算滑移角之前,位置数据过滤与5赫兹低通4日订单,无滞后巴特沃斯滤波器(23,42]。

因为只有一个试验仅为每个学科比较描述性统计均值和标准差的报道已经为每个转变的三个阶段。

3所示。结果

3.1。把技术

滑移角β的计算来验证适当的性能将技术(图3)。滑雪的平均角为6.1°(±3.2°)和滑雪9.2°(±5.9°)。平均速度是13.9米/秒,11.1 m / s在滑雪和滑雪板,分别。滑雪的最大速度是16.5米/秒,在滑雪11.9 m / s。注意,滑雪和滑雪板将进行类似的转弯半径,但不同的速度。


图3
平均滑移角β在一个滑雪(黑色)和正面滑雪板(灰色)。
3.2。转向腿踝关节加载

时间配置文件中侧的部队,部队,前/后和纵向部队在滑雪和滑板滑雪的踝关节在图所示4和表1。中间外侧的力量和力量明显低于前/后沿着纵轴的力量。滑雪和滑板滑雪,踝关节力量采取行动后,向上的方向。在滑雪板滑雪高于纵向力量。这些力量增加2 - 3倍BW的60%在滑雪,而在滑雪的纵向力是相当一致的约1 BW。小部队后方向显示出更多变化比滑雪滑雪。平均中侧的踝关节力量相当类似的滑雪和滑雪板在前两个阶段,但在最后阶段在滑雪。前/后的踝关节力量的方向是相同的在过去的两个阶段,但在第一阶段前/后力高滑雪。纵向力显然是更大的在滑雪板滑雪比前两个阶段和在纵向方向上高于其他方向。在滑雪纵向力更加一致的整个阶段。

表1
平均净踝关节力量内侧(−)/外侧(+)方向( ),前(+)/后(−)方向( ),沿着纵轴( )和标准差在滑雪和滑板滑雪指导腿的三个阶段。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图4
时间配置文件的净内侧(−)/外侧(+)部队(a),网前(+)/后(−)部队(b),和合力纵轴(c)在指导腿的踝关节滑雪(黑色)和滑板滑雪(灰色)。

期间将主要扩展时刻和绑架行动的踝关节在滑雪和滑板滑雪(图5)。此外,一个内部旋转力矩是在踝关节在滑雪和滑雪的外部旋转时刻。时间的弯曲/扩展的时刻显示在滑雪板滑雪的变化比−1和7海里/公斤之间波动,而扩展时刻滑雪2和5 Nm /公斤之间的不同。平均大小(表2)显示更高的屈曲/扩展时刻滑雪板滑雪但较大波动的第一和第二阶段将由大型标准偏差(SD)。大量绑架时刻观察滑雪在第二阶段高峰值/ 4 /公斤,平均价值为1.7 Nm /公斤。在滑雪绑架时刻大约是0 Nm /公斤在第一和第二阶段(见表2),但增加了3 Nm /公斤,平均为1.6 Nm /公斤在第三阶段。内部旋转力矩明显显示更大的平均大小在所有三个阶段在滑雪滑雪(表2)。

表2
平均净踝关节屈曲(−)/扩展(+)的时刻( ),网内收(+)/绑架(−)时刻( ),净内部(+)/外部(−)旋转力矩( )和标准差在滑雪和滑板滑雪指导腿的三个阶段。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图5
时间配置文件的净弯曲(+)/扩展(−)时刻(a),净内收(+)/绑架(−)时刻(b),和净内部(+)/外部(−)时刻(c)在指导腿的踝关节滑雪(黑色)和滑板滑雪(灰色)。
3.3。膝关节负荷转向的腿

类似的观察时间配置文件前/后部队的方向滑雪和滑板滑雪直到大约70%的与价值观在滑雪(图略低6)。在第三部分,在前方向的力明显高于比滑雪单板滑雪。这是确认的平均大小为每个表中给出的三个阶段3。前/后部队和膝关节的力量沿着纵轴显示类似的模式在滑雪。直到把60%的力量增加了约2 BW,然后降低。纵向部队在滑雪多样0左右 BW。部队在内侧/外侧方向显示相反的时间配置文件指导腿的滑雪和滑板滑雪。滑雪会增加更大的侧向力的50 - 75%,较小的增加在第一个转弯的25%。提高在滑雪,这只是观察到50 - 75%的内侧方向转。内侧/外侧部队的平均大小为所有三个阶段在滑雪比滑雪更大。

表3
平均净内侧(−)/外侧膝关节力量(+)方向( ),前(+)/后(−)方向( ),沿着纵轴( )和标准差在滑雪和滑板滑雪指导腿的三个阶段。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图6
净内侧/外侧部队的时间配置文件(a),净前/后部队(b),合力在纵轴(c)在指导腿的膝关节(黑色)和滑雪板滑雪(灰色)。

概要文件的时间时刻的膝关节相当不同的滑雪和滑板滑雪(图7)。在滑雪的时候不同的弯曲和扩展将震级之间大约每公斤−2和4海里。在滑雪,膝关节的弯曲力矩是整个将震级6 Nm /公斤。平均大小显然是更高的滑雪为所有三个阶段,但更大的SD在所有三个阶段代表了滑雪滑雪(表更大的波动4)。此外,在滑雪膝关节的绑架行动时刻,而在整个把滑雪板一个引用的时刻。平均大小显然是更大的在滑雪板滑雪在阶段1和阶段3。大约在第二阶段平均大小相似,但在相反的方向(表4)。,而类似的时间剖面观察内部/外部旋转膝关节的时刻。滑雪和滑板滑雪是一个内部旋转在大多数的时刻。然而,平均震级在滑雪很明显高于在滑雪的第一和第二阶段。在第三阶段这些大小相似的(见表4)。

表4
平均净膝关节屈曲(+)/扩展(−)时刻( ),网内收(+)/绑架(−)时刻( ),净内部(+)/外部(−)旋转力矩( )和标准差在滑雪和滑板滑雪指导腿的三个阶段。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图7
时间配置文件的净弯曲(+)/扩展(−)时刻(a),净内收(+)/绑架(−)时刻(b),和净内部(+)/外部(−)时刻(c)在指导腿的膝关节滑雪(黑色)和滑板滑雪(灰色)。

4所示。讨论

本研究的目的是比较转向腿的踝关节和膝关节负荷之间的雕刻滑雪和滑雪板。基于损伤统计和报道由于技术上的差异,位置,和设备之间的滑雪和滑雪板,猜测踝关节加载是在滑雪和滑雪膝关节负荷更大。然而,目前的研究显示不同的结果。虽然滑雪和滑板滑雪部队大多是相似的,联合的时刻都在滑雪板将更大,而在滑雪更波动的观察期间,尤其是在第一和第二阶段的转变(由更大的标准差在滑雪两个阶段)。此外,在滑雪部队沿着纵轴是高于在滑雪。

结果表明,雕刻了一些在滑移组件。平均滑移角计算在滑雪、单板滑雪的时间高于这可能是由于而陡坡执行雕刻在滑雪。然而,结果都代表一个雕刻。结果同意穆勒et al。43和瓦格纳42人平均滑移角为4.1°的雕刻技术在滑雪。Knunz et al。44]报道角度的雕刻滑雪把1 - 2°外腿和7 - 8°内腿的(纯粹)雕刻滑雪。

部队在前/后和踝关节内侧/外侧方向相似而低滑雪和滑板滑雪。结果预计内部/外部旋转力矩也是相当低的观察在滑雪。然而,在滑雪内部旋转力矩达到大小约2海里/公斤。一致的和更大的值在整个转也观察到弯曲/扩展在滑雪,而沿着纵轴力低于1 BW和前/后力更低。克鲁格et al。28]报道更大的高峰值在踝关节屈曲/扩展时刻相比,当前的研究但不报告,如果这些值大运动或运动的结果值。与低部队在当前的研究中,观察到这些相对较高的时刻必须由于运动学,因此角加速度段,或由于不同的身体在滑雪和滑雪板是由联合中心的位置对力向量。使用软靴在滑雪允许短但快速旋转运动(即。,kinematic parameters), whereas these movements were not possible with stiff ski boots. These equipment differences would explain the greater joint moments at the ankle joint in snowboarding. This was supported by a study of Delorme et al. [45],而踝关节之间运动学硬和软在滑雪靴。本研究报道,使用柔软的靴子会导致更大的平均dorsi /跖屈角度和内部/外部旋转角度,以及更大的最大dorsi /跖屈角度、翻转/反演角度,和内部/外部旋转角度,最小的内部/外部旋转角度大,和一个更大范围的运动dorsi /跖屈。

在滑雪,沿着纵轴力的时间模式在踝关节显示相似的时间模式弯曲/扩展和绑架/内收的时刻,但在相反的方向。因此,相反的滑雪板,滑雪的大时刻似乎产生力量的结果。注意,在滑雪,弯曲/扩展允许运动时刻提示/滑雪的尾巴,而绑架/内收时刻的地方滑雪边缘(见图2)。波动(用标准差)更大的时刻也比力和更大比滑雪滑雪。这可能意味着更多的踝关节损伤是由特定的体位在滑雪和持续高时刻由于运动学变量,而不是大波动中观察到滑雪的时刻。

在膝关节内侧/外侧部队和军队沿着纵轴高滑雪,而前/后军队类似滑雪和滑板滑雪。然而,更高的部队在滑雪不会导致持续较高的时刻而滑雪。弯曲/扩展时刻滑雪板被要求把滑雪板边缘,就像绑架/内收在滑雪。滑雪的弯曲/扩展的时刻是大约3 Nm /公斤,而绑架/内收时刻在滑雪大约1.0 - -1.5 Nm /公斤。还在滑雪弯曲/扩展的时刻是约1海里/公斤绑架/内收的时刻在滑雪。一般来说,时刻在膝关节略低于踝关节的滑雪板,滑雪而在相反的观察。较大的时刻在滑雪好像并没有是由于高力量但由于软启动允许更大的加速度和不同体位在滑雪板滑雪。

尽管波动大滑雪的膝盖比脚踝关节,这些变化仍在滑雪板滑雪要低得多。这些波动代表了装卸,显然是更大的比滑雪滑雪。滑雪时的情况下必须做出突然的调整,这些高峰值会进一步增加。在滑雪,联合时刻增加膝关节和踝关节的相比,而在滑雪瞬间降低了。除了膝关节力量在相似或更大比滑雪滑雪,还部队和高峰时刻在滑雪比滑雪更大,除了内部/外部旋转的时刻。克鲁格et al。28]报道明显降低高峰值屈曲/扩展时刻滑雪(减少33%)比在目前的研究中,这将使滑雪和滑板滑雪差异更加明显。这三个方面在一起可以解释大量的膝伤在滑雪板滑雪比。

尽管联合加载在当前的研究中观察到相当高,每个人都应该意识到,许多其他方面可以解释损伤统计提出了在当前的研究中。雪的质量,技术和物理能力的滑雪者和滑雪,和大量的滑雪者和滑雪板玩家斜率可以解释许多伤害,发生在滑雪和滑板滑雪。滑雪者和滑雪在当前的研究中进行额外的设备允许测量地面的反作用力。本设备影响体重和他们站的高度。他们的专业知识水平,滑雪者和滑雪没有报告任何本设备的影响。然而,设备可能会影响他们的技术和性能。另外,滑雪和滑雪板靴之间的刚度的差异可能会影响研究结果。由于僵硬的滑雪靴,加载的一部分可能会被转移到引导,从而减少了踝关节在滑雪。逆动态计算不允许确定踝关节的转移到滑雪靴。因此,这可能会造成过高的踝关节的滑雪。 However, where the current results showed larger ankle joint in snowboarding, the difference in ankle joint between skiing and snowboarding would have even been greater if the ankle joint in skiing was overestimated. When current results showed larger ankle joint in skiing, these differences might not have been as profound. Both situations support the research hypothesis. Also, the magnitudes of the ankle joint forces and moments in skiing might have been lower, but it is not to expect that the time patterns were influenced. Furthermore, the kinematic setup allowed a ski and snowboard turn to be performed with similar radii but different velocities. The centripetal force ( )是影响速度 。尽管在滑雪、单板滑雪的速度低于踝关节和膝关节力量和时间并非始终低于滑雪。我们推测,如果滑雪板又较高的执行速度,踝关节和膝关节的力量和时间将进一步增加由于增加向心力。此外,地面反作用力的视频和数据收集的数据是相同的。然而,研究结果进行解释时应特别谨慎,由于单一的主题设计。此外,即使应用方法显示了雪地上的准确数据收集、逆动态计算的结果强烈依赖于输入数据的准确性。5所示(McCaw & DeVita46)输入数据中的错误传播的逆动力学过程,从而减少使用本程序计算结果的准确性。最后,重要的是要强调,我们计算力和时刻在成功,不代表力量和时刻在失败将导致下降和/或受伤。

5。结论

预期更高的踝关节加载在滑雪,滑板滑雪和更高的膝关节负荷是基于在下肢损伤统计报告在滑雪和滑板滑雪和立场的差异,技术和设备(软启动与硬启动)不能被证实。踝关节加载并不是一直在比滑雪和滑雪板膝关节负荷亦然。当比较滑雪和滑雪板,分化之间需要力量和时刻,力的方向和时刻,被认为的阶段的转变。然而,似乎有一种趋势,军队更大的在滑雪和时刻显示大波动(装卸),而在滑雪高时刻观察更一致的模式。在未来的研究是很重要的研究参与者人数的增多和研究联合加载各种技术。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢滑雪公司原子提供测试设备。他们喜欢帮助和约瑟夫·克罗尔博士讨论。