文 献 综 述
地面反作用力（Ground reaction forces, GRF）是评价运动表面性能关键生物力学方法。在运动中，着地时的冲击力可以达到体重的3-7倍。
在基于跑步的运动过程中，地面反作用力（GRF）大小的预测具有几个重要的应用，包括最佳负荷处方和运动员的伤害预防。地面反作用力的垂直加载率（vertical loading rate）常常与运动损伤风险相关。加载率过高容易发生应力骨折、膝关节疼痛、关节损伤等。已有研究表明性能良好的运动地板能显著降低垂直地反力的加载率，从而降低运动损伤风险。此外，分析行走过程中的地面反作用力，进而分析行走过程中的利用摩擦系数(utilized coefficient of friction, UCOF),是预测滑移的一种有效方法。在同一行走条件下，UCOF增大时滑移与跌倒的可能性会相应增大。滑移是跌倒的主要诱因。我国每年至少有2500万60岁以上老年人发生跌倒损伤，75岁以上老年人跌倒损伤的发生率则成倍增加。因此，评价地面反用力具有重要的意义。使用三维运动捕捉分析系统可捕捉行走时下肢的运动轨迹，通过建立的连杆模型可进行步态的时空参数特性和运动学特性的分析。结合测力台采集行走地面对肢体的反作用力，可分析行走时下肢各个关节的力矩，从而评估不同类型动作造成的损伤风险，如图1所示。
图1行走时地反作用力与关节力矩示意图
岳贤锋等人的研究认为ACL损伤原因复杂，不仅有解剖学自身因素，同时也受到运动中的动作姿势、肌肉力量、激素分泌、所处环境等多方面制约。对篮球运动员而言，要加强神经肌肉练习，加强落地、切人等动作时对膝关节的控制，改进动作技术，加强平衡和灵敏等训练，预防ACL损伤[1]。2018年利物浦约翰摩尔斯大学的Mark Pogson尝试通过测量躯干加速度预测GRF研究地力现有方法通常需要来自多个穿戴式传感器的信息，以限制其生态学有效性，或旨在估计离散的力参数，从而限制其评估整体生物力学负荷的能力。本文提出了一种神经网络方法，但是所提出的方法可以从躯干加速度计数据准确预测GRF，而无需其他信息。结果证明了机器学习的范围，以利用常见的可穿戴技术来估计运动特定环境中的GRF[2]。
Jeffery T. Podraza通过对10名健康男性肥胖的记录和力板记录，测定了他们在10.5 cm高度上以不同屈膝度的方式快速减速单腿着地时的地面反作用力和膝关节螺旋。提出膝关节屈曲角度对冲击式减速着陆过程中地面反作用力，膝关节扭曲和肌肉协同收缩的影响，同时也是对ACL损伤非接触机制的影响[3]。Marion Mund进行了基于步态期间光学运动捕获数据的地面反作用力和关节力矩预测的相关研究，指定光学运动捕获确定的关节角度作为输入数据，比较了这两种神经网络在预测地面反作用力和步态下肢关节力矩方面的性能[4]。也有学者尝试建立ACL预防地反力的系统评价。比如：2009年Darin A. Padua曾经在根据ACL伤害预防计划修改了矢状面膝关节的生物力学和垂直地面反作用力的系统评价[5]。Amelia S. Lanier通过研究了ACL损伤和重建影响在模拟变向运动的新任务过程中产生的地面反作用力的控制。临床意义上说与健康运动员相比，ACL损伤和重建后的LyE值（非线性指标）明显更高，这表明持续的力量控制不足[6]。 Mervin J. Schreurs研究指出变向角度更大，运动员风险更高，指出变向切角对侵略性运动员的膝部力学性能的影响，比较了男女运动员差异[7]。成万祥在人体不同高度下落地面冲击力及下肢关节肌力矩变化特征研究中研究了踝,膝,髋关节处的关节肌力矩第一波峰峰值与落地高度之间的关系[8]。林尔东提出地面反作用力的步态识别方法.该方法通过由三维测力台构建的步态通道获取步行时足底受到的三方向地面反作用力[9]。
2019年Micah C. Garcia让参与者以自行选择的速度在跑步机上跑步时，收集了三维运动捕捉数据，以此来进行青年长跑运动员波形相似性评估[10]。宁波大学韩娜娜总结发现：微软kinect系统无标识点骨骼跟踪技术和开源数据为体育教学、运动训练、运动学检测评估领域应用提供了基础，开发者可自行根据运动需求，通过共性的开发流程特征扩展更广的体育教学、训练辅助开发应用；虽然目前尚存在捕获范围有限、精细动作捕捉难等技术限制，但kinect仍显示了良好的应用潜力[11]。除了kinect以外，qualisys也是优秀的三维动作捕捉系统，可以与便携式三维测力台Kistler配合使用。2010年陕西省体育科学研究所王全会在举重抓举动作技术的初步研究中联合qualisys和Kistler进行初步拍摄和分析[12]。 2009年北京体育大学的苏玉林使用qualisys和Kistler对3种前交叉韧带易伤动作中的下肢运动进行运动学和动力学比较[13]。 2011年刘卉使用qualisys和Kistler对对足球运动员的ACL易伤动作也做了相关研究[14]。张美珍使用qualisys和Kistler研究了性别和落地动作对篮球运动员完成急停起跳时与ACL损伤相关的下肢生物力学特征的影响[15]。付子艺以VICON三维动作分析系统收资料,并以Kistler测力板撷取动作中的三维地面反作用力资料阐明篮球比赛中,不同防守站姿对于防守滑步的影响[16]。
综上所述，地面反用力与运动捕捉系统在分析运动损伤风险方面具有重要的研究价值与意义。
[1] 岳贤锋. 篮球运动员前交叉韧带损伤的原因及预防[J]. 南京体育学院学报:自然科学版, 2013, 012(006): 20–23.
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