长距离跑后“足外翻”姿态增加膝关节内侧接触力：基于OpenSim肌骨建模及机器学习预测的研究

作     者：梅齐昌 相亮亮 孙冬 李建设 Justin Fernandez 顾耀东 MEI Qichang;XIANG Liangliang;SUN Dong;LI Jianshe;FERNANDEZ Justin;GU Yaodong

作者机构：宁波大学体育学院浙江宁波315211 宁波大学大健康研究院浙江宁波315211 奥克兰大学生物医学工程研究所奥克兰1010 

出 版 物：《体育科学》 (China Sport Science)

年 卷 期：2019年第39卷第9期

页      面：51-59页

核心收录：

学科分类：0403[教育学-体育学] 040302[教育学-运动人体科学(可授教育学、理学、医学学位)] 04[教育学] 

基　　金：国家自然科学基金面上项目(81772423) 国际合作与交流项目资助(81911530253) 

主　　题：长跑 足外翻 膝关节接触力 机器学习 OpenSim 

摘      要：目的:揭示跑者在长距离跑后下肢关节的负荷与足姿态的变化及膝关节接触力分布且验证二者关联,为快速预测膝关节负荷提供简易手段。方法:运用OpenSim个体化肌骨建模分析业余跑者5 km跑后下肢关节的运动学、动力学及膝关节接触力变化,采用一维统计参数映射(Statistical Parametric Mapping 1d)分析法检测差异性,结合足姿态参数与膝关节总接触力及膝关节内外侧接触力训练并检验机器学习算法。结果:1)5 km跑后,髋关节蹬离期伸角度、支撑初期外旋角度及踝关节蹬离期跖屈角度均显著增大;2)髋关节支撑期伸力矩及支撑初期外展力矩、踝关节支撑期跖屈力矩均显著增大,膝关节支撑初期及蹬离期屈力矩均显著降低;3)膝关节蹬离期总接触力显著减小,支撑初期内侧接触力显著增大而支撑初期及蹬离期外侧接触力均显著减小;4)机器学习算法模型发现,足外翻程度增大引起膝关节总接触力及内侧接触力快速增大而外侧接触力逐步减小。结论:1)长距离跑后下肢关节负荷出现幅值及重新分布的变化,表现出增大的髋关节伸及外展力矩,减小的膝关节屈力矩及增大的踝关节跖屈力矩,可能与足姿态变化及相关肌群肌力有关;2)长距离跑后膝关节内侧接触力快速增大且与量化的足姿态参数呈线性关系;3)通过足姿态参数指标可快速预测膝关节接触力的变化,跑者可实地评估足姿态参数以预测膝关节负荷的幅值和分布变化,辅助科学合理的安排跑量及训练计划,降低跑步相关的膝关节损伤风险。