跑步频率对肌肉调谐和下肢刚度的影响

发布时间：2020-08-01 17:02

【摘要】：研究目的通过采集跑步过程中人体动力学、运动学、表面肌电以及肌肉振动数据,分析不同跑步频率对下肢刚度和肌肉调谐的影响,了解在不同跑步频率的情况下,神经-肌肉系统控制模式的变化,了解肌肉调谐与下肢刚度调节之间的关系,为人体运动时预防或减少运动损伤的发生提供理论依据。研究方法选取20名普通健康男性大学生为研究对象,令受试者分别以慢速(2.5±0.2m/s)、中速(3.25±0.2 m/s)和快速(4±0.2 m/s)三种速度进行跑步,应用三维测力台(Kistler,1000Hz)、8镜头红外高速运动捕捉系统(Qualisys,200Hz)、无线表面肌电/肌肉加速度测试仪(Delsys,2000Hz)同步采集受试者跑步过程中的运动学、动力学和表面肌电信号。在每一速度模式下,根据测得的跑步频率,将受试者分为低步频组和高步频组;根据支撑阶段垂直方向反作用力峰值、重心垂直位移等指标计算缓冲阶段和主动蹬伸阶段的下肢刚度;根据着地前、后50ms阶段的iEMG、RMS和地面反作用力第一峰值出现后0-100ms、100-200ms阶段的肌肉振动频率分析肌肉调谐情况。研究结果1.高步频组表现出更短的步长、步态周期时间(p0.01)、支撑期时间(慢速时p0.01)。在支撑阶段,高步频组表现出更小的重心垂直位移(慢速和快速时p0.05,中速时p0.01),更小的膝关节屈伸(中速时p0.01,快速时p0.05)、内旋外旋、踝关节内翻外翻、内旋外旋幅度。着地时刻,高步频组表现出更大的髋关节、膝关节被动内收外展角、踝关节内翻外翻角,更大的膝关节内旋外旋角,更小的髋关节内旋外旋角、踝关节跖屈背屈角(慢速时p0.01,中速和快速时p0.05)、内旋外旋角(中速时p0.05)。离地时刻,高步频组表现出更大的髋关节屈伸角、内收外展角(中速时p0.05,快速时p0.01),更小的膝关节被动内收外展角、踝关节跖屈背屈角。最大地面反作用力时刻,高步频组表现出更大的髋关节屈伸角、膝关节被动内收外展角、内旋外旋角,更小的髋关节内收外展角、踝关节内旋外旋角(中速时p0.05)。2.支撑期主动蹬伸阶段,高步频组表现出更小的下肢刚度。3.总体上,高步频组的下肢肌肉RMS在支撑阶段(中速时腓肠肌内侧p0.05)、着地前50ms阶段(中速时股二头肌p0.05)、着地后50ms阶段(中速时腓肠肌内侧p0.05)更小。4.着地前50ms阶段的下肢肌肉iEMG小于着地后50ms阶段(慢速时股直肌、胫骨前肌、腓肠肌外侧、中速时股二头肌、胫骨前肌、快速时股二头肌、股直肌、胫骨前肌p0.01,慢速时腓肠肌内侧、中速时股直肌、腓肠肌内侧p0.05)。低步频组和高步频组表现出同样的变化趋势,且低步频组表现出显著性的肌肉更多。三种速度下,低步频组RMS均表现出股二头肌、胫骨前肌着地后50ms阶段比着地前50ms阶段小、股直肌、腓肠肌内侧头、腓肠肌外侧头着地后50ms阶段比着地前50ms阶段大。而高步频组却没有表现出这样稳定的变化趋势。5.地面反作用力第一峰值后100-200ms阶段的肌肉振动频率比0-100ms阶段显著减小(三种速度所有肌肉均表现出p0.01)。低步频组和高步频组表现出同样的变化趋势。6.高步频组在第一峰值时刻后0-100ms和100-200ms阶段的下肢肌肉振动频率小于低步频组(100-200ms阶段慢速时股二头肌、股直肌、胫骨前肌、快速时股二头肌p0.05)。研究结论与建议1.不同跑步频率对时空参数和关节角度产生影响。2.不同跑步频率对人体下肢所受地面反作用力大小没有影响。3.不同跑步频率对支撑阶段、缓冲阶段的下肢刚度没有影响,在主动蹬伸阶段,低步频组的下肢刚度较高。4.低步频组的肌肉调谐作用更明显。5.下肢刚度的调节主要作用在蹬伸阶段,肌肉调谐主要作用在缓冲阶段。6.建议人们健身跑时,在同一速度下应尽量选择相对较高的步频,而习惯较低步频的跑步者应适当选择更专业的运动装备,以降低运动损伤的风险。
【学位授予单位】：北京体育大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：G804.6
【图文】：

.软组织的机械特性主要是由主动组织特性、被动组织特性、肌肉活化程度共同决定。如图2.1 所示，在一个简单的振动系统中，其振幅是由输入信号的频率和本身固有频率共同决定，在两者频率接近时，系统便会发生共振（resonance）,并且振幅达到最大。

在跑步过程中，人体重心并不总在足的正上方，所以在计算刚度时还要考虑到跑者的速度、支撑时间、腿长、支撑腿与地面的角度等因素，计算公式如（2.1），此时的弹簧质量模型如图2.2[50]。kleg=FmaxL L2 (Vtc2)2+ y……………………………（2.1）图2.2 跑步时下肢刚度的弹簧质量模型受试者在相似的坡度跑步时，极简鞋组的下肢刚度高于传统鞋组[51]。有不少学者研究了跑步经济性和下肢刚度相关参数的关系，包括肌肉刚度、肌腱刚度、腿刚度、垂直刚度。事实上，适当的刚度有助于优化拉长-缩短周期进而可以在着地过程中积极释放储存在肌肉骨骼系统中的弹性能，减少肌肉骨骼系统的损伤风险[49]特别的是，较低的腿刚度会增加软组织损伤的风险，而较高的腿刚度会增加骨骼损伤风险。尽管对跑步人群来说，合适的下肢刚度还没有确定，并且可跑步训练和个体差异可能会对此造成影响，但是健康人群在不同跑步条件下的刚度值有助于确定刚度水平的标准

17表现和途径。图3.1 技术路线图3.2 研究重点、难点和创新点3.2.1 研究重点应 用 三 维 测 力 台 (Kistler,1000Hz) 、 8 镜 头 红 外 高 速 运 动 捕 捉 系 统(Qualisys,200Hz)、无线表面肌电测试仪（Delsys，2000Hz）同步采集受试者跑步过程中的运动学、动力学和表面肌电信号，探究不同的跑步频率对下肢刚度和肌肉调谐的影响，是本研究的重点。3.2.2 研究难点揭示在不同跑步频率下肌肉调谐过程与下肢刚度变化之间的关系，是本研究的关键，分析下肢刚度和肌肉调谐在共同调控运动学、动力学表现的机制，是本研究的难点。

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本文编号：2777744