文摘
本研究的目的是量化的贡献下肢关节力矩和下肢肌肉群的机械功率进一步阐明在腿筋和载荷的力学损伤。八个国家级男短跑运动员进行最大速度冲刺合成的轨道上运行。3 d运动数据和地面反作用力(平)同步收集。节间的动力学方法用于分析下肢关节力矩和功率的变化下肢关节肌肉群。在短跑,平在立场阶段和motion-dependent扭矩(联合化疗)在摆动阶段产生了重大影响下肢运动和肌肉群。具体来说,在立场阶段,扭矩生产和工作执行的髋关节和膝关节的肌肉通常用来抵消天然气采收率。在摆动阶段,肌肉力矩的作用改变了主要抵消联合化疗的影响控制下肢的运动方向。与此同时,在最初的立场和摆动阶段后期,被动力矩,即地面反应产生的力矩和联合化疗的天然气采收率和惯性运动的下肢,应用腿部肌肉更大的压力。
1。介绍
短跑是交替的周期性运动的支持和飞行动作和脚步和swing的结合。人体获得前进动力的强烈推出下肢在立场阶段(1,2]。每一节身体的运动,下肢运动是整个短跑技术的关键部分。下肢肌肉群的能力来执行具体工作直接影响运行速度,进而与肌肉本身的加载条件。这个过程可能会导致肌肉超负荷(例如,腿筋应变)3,4]。
几项研究已经使用的逆动力学方法量化下肢关节力矩在短跑(5- - - - - -8]。这些发现是有益的在检查下肢肌肉群的功能在最大速度冲刺跑,进一步确定肌肉负荷条件。具体地说,在立场阶段,大型地面反作用力(平)产生接触扭矩同时在下肢关节。同时,大motion-dependent扭矩(联合化疗;如惯性、科氏力和离心力)将生成,在每一部分时下肢关节迅速交替弯曲和扩展在摆动阶段(9]。力矩产生的这些外部力量发挥至关重要的作用,影响下肢肌肉群的功能在短跑。
目前,大多数研究在短跑不同阶段和不同级别的短跑运动员集中在天然气采收率和下肢动力学(10- - - - - -14]。分析关节肌肉力矩的变化(亩)涵盖了几个阶段,包括第二步的立场阶段推出后(15),加速阶段(6,16),最大速度阶段(1,8],摆动阶段的最大速度(3]。短跑技术千差万别的不同阶段和水平短跑运动员,导致很多差异的特点在这些发现下肢关节亩。此外,肌肉力量是一个重要的生物力学参数在人类步态分析(17- - - - - -19]。这种分析解释的形成和控制人体节段运动从能源和工作代观点。结果可以用来间接证实运动的类型(同心收缩或偏心收缩)的关节周围肌肉群(两种或屈肌)。然而,在这些研究中,只有少数研究下肢的肌肉力量5,16,19),下肢关节力矩和肌肉力量的步态在最大速度冲刺跑尚未分析。
另一方面,肌腱劳损是最常见的一种损伤在短跑(20.,21]。然而,这些损伤的潜在机制仍模糊不清,因为大多数研究都是基于临床肌肉拉伤的假设22]。有限的尝试进行了测量地面反应在地上短跑,而很少有研究用这些数据来估算肌腱动力学在立场和摆动阶段(23]。因此,了解肌肉的协调扭矩和肌腱在短跑的装载条件有利于进一步量化扭矩组件一个接一个在探索关节力矩(24]。这些参数可以通过一个先进的逆动力学的角度来看,和拉伤的风险可以探索的基础上,了解机械机制。在这项研究中,我们采用节间动力学方法来分解的净关节转矩(净)期间步态最大速度冲刺跑亩,联合化疗所产生的运动,接触地面反作用力所产生的扭矩(EXF)(平),和重力力矩(GRA) [7,25,26]。
基于上述考虑,本研究的目的是量化的贡献下肢关节力矩和下肢肌肉群的机械功率进一步阐明在腿筋和载荷的力学损伤。我们假设EXF和联合化疗可以发挥重要作用的贡献下肢关节力矩在立场和摆动阶段,分别。主动和被动关节力矩的影响组件肌腱损伤的风险也被确定。
2。方法
2.1。主题
八男国家级短跑运动员(年龄:21.1±1.9年,质量:74.7±4.1公斤,身高:181.5±3.9厘米)被招募参加本研究。最好的个人表现100米短跑运动员的范围从10.27到10.80年代。这些参与者没有下肢损伤史的前六个月的研究。这项研究是由当地伦理委员会批准。每位受试者签署知情同意表格后满意地回答了所有问题。
2.2。数据收集
运动员表现在maximal-effort冲刺,和三维(3 d)运动学数据得到的采样率为300 Hz八Vicon高分辨率相机(Vicon动作捕捉,Vicon,英国)。共有57回射的标记(14.0毫米直径)由插件步态标志设置在我们之前的研究中使用(27)被连接到下肢定义臀部,膝盖和脚踝关节。运动学数据收集的校准体积为10.0×2.5×2.0米3和集中从sprint开始行40米。力板嵌入基斯特勒公司(60×90厘米2公司9287 b)(基斯特勒公司,基斯特勒公司,瑞士)位于40米从sprint开始行被用来测量平。力信号放大并记录在Vicon系统采样率为1200 Hz。5 - 10分钟的热身之后,每一个短跑运动员穿着追踪三个有效试验的峰值和足够的休息间隔。的审判没有标记下降和脚的主题成功打击力板进行了分析。
2.3。数据分析
视觉3 d(美国版本3.390.23 C-Motion公司)是用来计算运动学和动力学数据。的跟踪标记过滤了巴特沃斯低通数字滤波器的截止频率17赫兹(28]。平数据是截止频率的低通滤波55 Hz。
下肢的关节角和角速度也计算基于视觉的三维骨骼框架要求。与此同时,节间的动力学模型,算法的应用在我们先前的研究和其他前研究修改(23,27]。短暂的,分析是由一个定制的程序根据输入的节间的动力学模型和肢体运动,人体测量数据,平(27]。的下肢,臀部、膝盖、脚踝,被认为是一个广义linked-segment模型。基于片段的自由体图,动态运动公式利用牛顿-欧拉方程导出了适用于每一段。在各关节力矩可以分为五类,即净,草地上,联合化疗,EXF(称为地面反应扭矩在这项研究),亩,第一类是其余的总和:
净扭矩的总和组件联合行动。亩主要由肌肉收缩。抓住引力作用的结果,每一段的质心。EXF生成在关节的平脚。联合化疗来自机械肢段之间发生相互作用,相互作用的总和段运动产生的力矩,角速度和角加速度等部分。
下肢关节的肌肉力量(Pj)计算如下16]: 在哪里米j是生成的亩受体激动剂肌肉和拮抗剂在关节运动和肌肉吗ωj是关节的角速度。
如果关节力矩和角速度的值是积极的,等转矩是分类的功能扩展关节(踝关节跖屈)。相比之下,转矩的功能被归类为弯曲关节(踝关节背屈)。积极的肌肉力量表明,肌肉扭矩和关节角速度都朝着同一个方向,和肌肉在做同心收缩。相反,消极的肌肉力量表明偏心收缩的肌肉。
2.4。统计数据
数据表示为±SD。单向方差分析和双t测试被用来确定关节和两种之间的差异/屈肌在所有关节运动学和动力学变量,分别为(10.0,SPSS Inc .,芝加哥,美国)。所有统计检验的显著性水平是设定在 。
3所示。结果
意思是短跑的速度在8个科目数据收集是9.7±0.3 m / s。步循环在这项研究包括两个阶段,即立场和摆动阶段。立场阶段被定义为运动员的左脚的阶段是在与地面接触的临界点是标准化的即时17.7%±1.2%)(图1)。以下摇动的左腿被定义为摇摆的阶段。这一阶段分为两个时期,即初始和swing后期阶段,根据不同的时间。界定时机是当大腿达成直立的姿势垂直线的质心(标准化即时55.1%±2.3%)。
图1和表1表明,峰值extension-flexion角速度在踝关节明显大于在髋关节和膝关节的关节。在立场阶段,峰值的出现时间的顺序的值共同扩展臀部、膝盖和脚踝关节。
图2说明了力矩作用于受试者的下肢部分组件。节间的扭矩曲线的臀部,膝盖,和脚踝关节最大速度冲刺运行期间,在立场阶段,影响三个下肢关节的力矩主要是亩和EXF(图2亩,EXF 0% - -17%),而在摇摆不定的阶段,主要是亩和联合化疗(图上的力矩2亩,联合化疗,17% - -100%)。
图3表明平通过前三个关节产生臀部屈肌,膝伸肌,背屈力矩。
图4说明,在短跑的步态,臀部、膝盖和踝关节肌肉都与不同的区段做负功。当这些force-generated肌肉做负功,收缩型偏心,显示被动收缩。在立场阶段,脚踝的积极力量表现出更大的价值而膝盖和臀部关节的力量。
表2表明,髋部的峰值功率扩展时,膝盖屈肌,和脚踝plantarflexors都显著大于臀屈肌,膝盖扩展时,脚踝dorsiflexors。此外,臀部两种明显的峰值功率在积极的工作性能大于负功。相比之下,脚踝plantarflexors的峰值功率和膝关节屈肌在负功的性能明显大于积极的工作。
4所示。讨论
4.1。立场相
分析所有的下肢关节力矩在立场阶段表明EXF,地面反作用扭矩,作用于髋关节主要表现为髋部屈肌力矩。髋关节肌肉力矩主要是表现为臀部伸肌力矩。同样,产生的扭矩EXF作用在膝盖和脚踝关节膝关节伸肌和背屈力矩。亩是主要表现为膝关节屈肌和跖屈力矩。因此,腿部肌肉受到相当大的需求,因为他们对膝关节屈肌和臀部两种。显然,这些肌肉在短跑的立场阶段容易紧张。
髋关节继续执行阶段(图扩展在整个立场1、臀部)。的平通过髋关节(图的前面3)在最初的地面接触和生成EXF导致髋关节屈曲(图2、臀部,EXF)。同时,臀部两种表现积极的工作和臀部伸肌力矩(图生成2臀部,亩)和峰值功率高达1106±231 W(图4、臀部)。在这个早期阶段,峰值肌腱力量在髋关节可以合理估计基于亩值在臀部。此外,臀部伸肌力矩超过产生的扭矩臀部伸肌群在摇摆和初始姿态阶段末期,但也是一个扭矩缓冲EXF髋关节继续扩展,同时防止屈曲过度。
随着天然气采收率经过髋关节,臀部伸肌力矩时产生臀屈肌做负功和肌肉力量的峰值出现。从这一刻到mid-stance阶段,臀部两种表现积极的工作,和肌肉力量保持在更大的层面上与峰值功率高达2658±937 W在mid-stance阶段。膝关节伸肌力矩进行积极的工作(图4膝盖)在中期和后期的立场阶段(图2膝盖,膝盖,亩)抵制屈肌产生的转矩平快速扩展膝关节的峰值功率981±172 W。
膝盖弯曲期间发生了复杂的现象在伸膝时的初始立场阶段两次达到顶峰值会被观察到,而负功。这种现象会产生极大的负荷作用于腿筋和臀部所产生的负载两种如上所述。同时,膝盖肌腱也遇到两种生成大屈肌力矩(图2髋关节和膝关节,亩),这进一步表明高应变损伤风险存在载荷引起的活动髋关节扩展和膝关节屈曲阶段(图在最初的立场3)。
在推出,亩(膝关节伸肌力矩)和功率值迅速下降并维持在低水平(图2,膝盖,亩)。膝关节的肌肉力量也低于其他关节,由于其较低的角速度在立场阶段。膝关节的角速度是低于其他关节曲线如图所示的关节角速度和肌肉力量在整个立场阶段。因此,膝关节肌群的力量值较低阶段,在整个立场远远低于髋关节和踝关节的肌肉群。这个结果一致的发现Bezodis et al。5]。我们相信膝关节的主要功能是维持人体的质心高度和提供能源从髋关节到脚踝关节。虽然约翰逊也得出了类似的结论16),发现相对不同。约翰逊显示膝关节的肌肉力量是很低在立场的初期阶段,达成更大的权力在mid-stance阶段的峰值1544±512 W。然而,肌肉力量持续下降直到脚离开地面。研究结果的差异可能是由于不同的焦点和加速度阶段的冲刺在约翰逊的研究。
踝关节扭矩、大扭矩作用于踝关节EXF和亩,主要存在在立场阶段(图2脚踝)。平过去了前面的踝关节,接触扭矩一直背屈力矩(图2脚踝,EXF)。此外,踝关节的肌肉组织出现在立场阶段只是跖屈力矩抵抗接触扭矩的踝关节背屈。在最初的立场阶段,跖屈肌做负功吸收能量生成的天然气采收率和踝关节跖屈的峰值功率为4930±933 W。当进入mid-stance阶段,跖屈肌从偏心收缩(做负功)同心收缩(做积极的工作),并把身体摇摆的阶段。在这个过程中,踝关节跖屈肌经历stretch-shortening周期和存储大量的弹性能量缩短之前,有利于供应和功率输出的驱动力在strike-stretch阶段(29日]。
在立场阶段,主要的力矩作用于下肢关节力矩是亩和EXF。下肢肌肉群的功能主要是抵抗接触产生的力矩平在关节和输出正功电源保持速度在最大速度阶段(29日]。然而,腿部肌肉的负荷是相当大的,因为他们提供的两个角色膝关节屈肌和髋关节平的两种来抵消这种效应。此外,骨骼肌的解剖结构单一关节与双重下肢的关节是有利的在传送大关节肌肉力量的小关节(从近端到远端结束)。当查看峰角速度和峰各关节的肌肉力量在立场阶段短跑、角速度峰值和峰值伸肌积极力量出现在从近端到远端关节。与此同时,在立场阶段,角速度峰值和峰值踝关节的肌肉力量明显大于其他的关节。这个结果表明,精英运动员髋关节肌肉能量传递踝关节增加踝关节的功能作用在地上,更好的保持速度。
4.2。摇摆不定的阶段
在摆动阶段,主髋关节亩被依次为髋部屈肌和臀伸肌力矩,而占主导地位的膝关节亩表现在序列膝伸肌和屈肌力矩。sprint的swing技能与髋关节中心担任轴,摆动速度的关键是后的快速弯曲膝盖脚趾头以及COM摆动腿的加速度和角加速度。先前的研究表明,大腿的肌肉群影响折角和柄(膝盖弯曲)关节的肌肉,如股二头肌长脑袋,半腱肌肌肉,和半膜肌的双重职责负责臀部扩展和膝盖弯曲。当折叠开始最初的展开阶段,髋关节仍在扩展状态这些关节的肌肉保持在更大程度的激活,导致一个活跃的膝盖弯曲(不足1]。通过量化亩和联合化疗,膝盖屈肌力矩(图2、膝盖、联合化疗)被发现的主要联合化疗作用于膝关节在摇摆的初期阶段。联合化疗,而不是膝屈肌(腿筋),主要贡献能量柄褶皱。主要亩是肌肉伸肌力矩,做负功(图4膝盖)来控制运动和减速膝盖弯曲运动。
亩是表现为臀部伸肌力矩,拉紧腿筋几乎整个挥拍阶段末抵制髋关节屈曲的联合化疗(图2、臀部,联合化疗),减速髋关节屈曲,并进入下一步的快速摆动腿的迫切(臀部扩展)(图2、臀部,亩)。臀部两图所示4(臀部)作为一个序列的拮抗剂(偏心收缩)和受体激动剂(同心收缩),进行正面和负面的工作,分别为髋关节运动。臀部两种,主要是腿部肌肉,在swing后期阶段显示峰值正面和负面力量在3996±1120−1606±781 W,分别。同时,膝关节屈肌,包括腿部肌肉,主要表现为肌屈肌力矩在抵制联合化疗的膝盖扩展,和这些肌肉做负功此刻减速膝盖扩展运动和运输阶段的立场。在这一点上,膝关节肌肉群达到了峰值功率−2104±572 W。因此,摆动阶段的后期冲刺步态似乎风险时期腿筋拉伤将很容易发生。这些发现是依照以前的研究的泰伦et al。25),Chumanov et al。30.),和Yu et al。31日]。
主要的关节力矩作用于下肢关节在摆动阶段主要是亩和联合化疗。惯性力矩是影响亩的关键因素,这是大腿的运动的一个主要驱动力和柄。在许多情况下,亩做负功控制运动。脚踝关节力矩的影响和下肢肌肉力量动作是相当有限的,因为他们是在swing阶段非常低。
5。结论
motion-dependent和外部力量(例如,惯性力、科里奥利力和同心的力量),采取了人体的每一部分的功能有重要影响关节肌肉群在短跑。在立场阶段,扭矩生产和工作执行的髋关节和膝关节的肌肉通常是用来抵消天然气采收率。在摆动阶段,亩改为主要的作用抵消联合化疗的影响控制下肢的运动方向。与此同时,在最初的立场和摆动阶段后期,被动的扭矩,也就是说,EXF和联合化疗所产生的天然气采收率和惯性运动段的下肢,应用腿部肌肉更大的压力,这让这些肌肉处于紧张的风险更高。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突在这个手稿。
确认
这项研究得到了国家自然科学基金(81572213,81572213)。作者感谢应方博士(美国伍斯特理工学院)对她有帮助的意见和建议。