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快速跑时下肢肌肉工作特性及腘绳肌拉伤风险的生物力学研究

钟运健

   研究目的:利用环节互动动力学方法计算快速跑时下肢各关节肌力矩、惯性力矩、外力矩、重力矩,并量化各关节角度变化和下肢各肌群功率,以提升快速跑时下肢各关节动力学的理解;量化快速跑时下肢单块肌肉长度变化和速度变化,探讨快速跑时最优化算法中反映快速跑时人体神经肌肉系统最优控制的目标函数和算法,以静态最优化算法估算出肌肉力量(应力),并进一步量化单块肌肉单位面积功率及做功总和,结合快速跑完整步态中下肢各单块肌肉工作性质,尤其是运动过程中极易受伤的胭绳肌的工作状态及其在跑速中所扮演的角色以综合探讨其损伤机理及发生时相。 研究方法:采集8名优秀短跑运动员在塑胶跑道上途中跑时完整步态的二维运动学数据(300 Hz)及与之同步的地面反作用力(1200Hz)数据和肌电图(1200Hz),利用环节互动动力学方法分析下肢各关节力矩,并量化各关节角度变化和下肢各关节肌群功率变化。基于受测对象个体的下肢骨性形态学参数和快速跑时下肢运动学二维参数,通过下肢肌肉功能模型计算机应用分析系统分别计算出受测对象快速跑时下肢主要肌肉长度变化、速度变化及对于各关节各伪力臂变化。建立简化下肢骨骼-肌肉二维模型,确立目标函数和约束方程,应用中尺度序列二次规划拟牛顿线性搜索算法将快速跑时关节肌力矩优化求解单块肌肉应力,并进一步计算肌肉单位面积功率和单位面积做功总量。 研究结果:在支撑阶段,关节力矩起主要控制作用的为肌力矩和外力矩,肌力矩的主要作用为对抗地面反作用力矩。同时,从近端到远端关节依次出现角速度峰值和伸肌的正功率峰值;踝关节角速度峰值和肌肉功率峰值明显高于其它关节的角速度峰值和肌肉功率峰值,而膝关节肌群在整个支撑期功率远低于髋关节和踝关节肌群功率值。摆动阶段,关节力矩主要为肌力矩和惯性力矩,肌力矩则主要对抗惯性力矩做负功以控制动作。在快速跑完整步态中,髋关节伸肌群、膝关节屈肌群及踝关节跖屈群功率峰值均分别显著高于髋关节屈肌群、膝关节伸肌群及踝关节背屈肌群功率峰值,同时,髋关节伸肌群和膝关节屈肌做正功时功率峰值均显著高于其做负功时功率峰值,踝关节跖屈肌群做负功时功率峰值显著高于其做正功时功率峰值;双关节肌胭绳肌、股直肌和腓肠肌应力峰值、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骨骼肌;各肌肉均不同程度地作为拮抗肌在离心收缩且输出较大功率(做负功)对抗外力矩或惯性力矩。快速跑时不少双关节肌在同一时刻分别对两个关节做负功和正功;在摆动期中间阶段,胭绳肌在顺应性离心收缩时突然被激活并快速出现做负功功率峰值;摆动末期,出现胭绳肌长度、速度、应力峰值;触地瞬间,胭绳肌应力和单位面积功率快速增长至支撑期峰值;股二头肌长头的应力峰值、长度峰值、做负功的功率峰值和做负功的总和均显著高于半膜肌和半腱肌。 研究结论:快速跑时,作用于身体各环节的外力和惯性力(还包括科氏力和离心力)对各关节肌群工作性质产生重要影响;髋关节伸肌群和膝关节屈肌群的快速主动收缩能力和踝关节跖屈肌群的退让性快速收缩能力在快速跑时极其重要;短跑的专项训练中,应充分重视下肢各相关肌群的在离心收缩情况下的做功能力;应挖掘与短跑时下肢肌肉复杂的工作特点相类似的下肢整体运动(多关节)的训练方法;下肢双关节肌为快速跑时最易受伤的肌肉;摆动期中间阶段、摆动末期及触动地瞬间为快速跑时易发生胭绳肌拉伤的时相;股二头肌长头是胭绳肌群最易拉伤的肌肉。……   
[关键词]:快速跑;下肢肌肉;工作特性;优化;肌应力;腘绳肌;拉伤
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:上海体育学院2010年