主动缓冲与被动缓冲落地动作的生物力学比较研究

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研究目的:探究主动缓冲落地动作和被动缓冲落地动作在相同情况下运动学和动力学特征的区别,分析比较不同方式的缓冲落地动作的缓冲效果和内在机理,为降低在落地时由于缓冲不当造成的下肢损伤发生概率相关研究提供参考。研究方法:选取20名吉林大学在校生(年龄:23.1±0.8岁;身高176.4±5.5厘米;体重:72.8±9.1千克)作为受试对象。使用主动缓冲落地和被动缓冲落地两种不同落地方式,分别从高度为30cm,45cm的自制翻板器上进行自由落地运动,采用三维动作捕捉系统(Vicon T20,50Hz)、测力台(Force Plate-1.0,100Hz)和表面肌电系统(DELSYS-EMGworks-4.3.1)同步采集缓冲落地的运动学数据、动力学数据和肌电数据,每个高度各采集5次有效数据,每位受试者共采集20次数据,主动组10次,被动组10次。研究结果:(1)生物力学测试中,在同一落地高度下主动缓冲组在落地阶段的缓冲时间、地面反作用力第一峰值、第一峰值与第二峰值间隔时间、膝关节力矩和角度、踝关节力矩、肌肉贡献率等指标优于被动缓冲组。(2)主动组缓冲时间更长(p<0.05),主动组地面反作用力最大值显著小于被动组(p<0.05),主动组地面反作用力第一峰值与第二峰值间隔时间显著大于被动组(p<0.05)。同一高度下落中,被动组膝关节力矩峰值更大(p<0.05),最大角度更小,踝关节峰值力矩更小,髋关节峰值力矩无明显差异,但角度更小(p<0.05)。(3)主动缓冲组的腓肠肌、胫骨前肌、股内侧肌等相关肌群的积分肌电均大于被动组,主动组中胫骨前肌的肌肉贡献率小于被动组,而主动组中股二头肌的贡献率大于被动组。研究结论:(1)同一高度下落时,主动缓冲组整体关节角度变化幅度更大,更有利于延长缓冲过程,降低冲击峰值。(2)同一高度下落时主动缓冲组的地面反作用力最大值小,第二峰值也小,缓冲时间更长,第一峰值与第二峰值间隔时间长。因此主动组受到的GRF冲击更平缓,时间也更长,有利于减少损伤的产生,但缓冲效率不如被动组高。(3)主动缓冲落地组比被动缓冲落地组膝关节产生的最大伸力矩、内旋力矩都小,外展力矩无显著变化,踝关节最大跖屈力矩小,髋关节最大外旋力矩无显著变化,总体下肢各个关节力矩峰值与下落高度有关,下落高度越高,力矩峰值越大,但仍表明主动缓冲动作相比于被动缓冲可以降低外力对关节的的最大负荷。(4)主动缓冲组的相关肌肉存在“预激活”,且肌肉积分肌电大于被动缓冲,说明主动组募集了更多肌肉纤维,肌肉做功更多。肌肉贡献率差异不大,只有胫骨前肌和股二头肌在主被动组有差异,说明主动和被动模式对于肌肉个体做功影响较大,但对于落地动作的整体贡献率影响较小。
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