短跑时互动力矩对肢体动力学与神经肌肉系统控制影响的研究

Coordination of limb movements is achieved by a complex interaction between the active muscle torque and passive torques. Interactive torque, which is determined by inertia properties and movement speed, plays a very important role in this process. This study will investigate the influence of interactive torque on the neuromuscular control under the conditions of the changes in the leg inertia properties during maximum/sub-maximum speed sprinting. Kinematics and kinetics data are acquired to 1) establish a four-joint intersegmental dynamic model and 2) quantify motor control index (including locomotorrange/velocity, active muscle torque/passive torques, cost functions, etc.). Electromyographic data are collected simultaneously to analyze the innervation pattern and the neural control/coordination within a gait cycle of sprinting (including the timing, intensity, firing rate, inter-/intramuscular coordination, etc.). Based on the fundamental functions of the neuromuscluar system, the underlying neuromuscular control strategy of multi-joint movement will be explored. An additional research on the functions of metatarsophalangeal joint during the support stage of sprinting will also be investigated. The findings of this study would be used to improve the sport coaching status, to develop the training methods, and ultimately to achieve the goal of enhancing sprinting performance.

协调的肢体运动是人体主动肌肉力矩与被动力矩之间通过复杂的反馈与交互作用实现的，其中互动力矩在高速运动中对神经肌肉系统的控制有着重要影响。决定互动力矩的因素主要包括运动速度和肢体惯性特征。本研究同步采集我国优秀短跑运动员高速跑过程中运动学和动力学数据，建立环节互动动力学模型，分析速度与惯性特征改变后，互动力矩对肢体动力学与神经肌肉系统控制的影响（包括运动幅度/速度、主/被动力矩及其关系、损耗函数等），同时配合肌电图分析相应肌肉的神经支配特性与协调变化关系(包括募集时序、强度、频率、肌内/间协调等)，在了解人体神经肌肉系统基本功能的前提下，深入理解该系统如何通过调控主动肌力矩来应对发生变化的被动力矩，从而更加系统地认识人体神经肌肉的控制及协调机理。此外，跖趾关节在短跑支撑期的作用也是本研究创新的考察项目。在综合上述研究的基础上，探讨改进训练模式，创新训练方法，并最终达到提升短跑运动成绩的目标。

协调的肢体运动是神经肌肉系统对关节肌肉力矩与被动力矩复杂地调控来实现的。探讨短跑在不同阶段（加速阶段与最大速度阶段）、不同惯性特征条件下其运动控制过程的改变对改进短跑训练模式，创新训练方法，提升我国短跑运动的水平具有重要理论与应用价值。本研究通过同步采集优秀短跑运动员不同阶段、不同惯性特征下完成短跑动作的运动学、动力学数据及下肢主要肌群的肌电信号，建立下肢环节互动动力学模型，结合关节能量贡献度、肌肉激活程度比例等神经肌肉控制指标，深入研究短跑过程中人体神经肌肉系统的控制及协调机理。研究结果：在支撑初期（10%支撑期），肌肉力矩主要对抗由水平制动力引起的接触力矩；在支撑中期（30-40%支撑期）肌肉力矩主要对抗由垂直力引起的接触力矩。运动员在加速阶段与最大速度阶段支撑初期的屈髋、伸膝肌肉力矩峰值，以及支撑中期在伸膝、踝跖屈肌肉力矩峰值的差异分别与水平制动力峰值和垂直力峰值差异有关。通过小腿负重改变下肢惯性特征后，下肢三关节能量吸收释放分配、神经肌肉的征召特性发生相应变化。踝关节在支撑期的缓冲阶段多吸收大约下肢4%的能量，而摆动期最重要的能量释放关节——髋关节在负重之后释放能量的贡献度下降，膝关节则释放更多能量完成小腿负重后的摆动。肌电图结果表明：当外加负荷为10%小腿质量时，前摆期股直肌的激活程度比例显著减小。研究结论：在短跑不同阶段，神经肌肉系统所需调控产生的肌肉力矩显著不同。在最大速度阶段，需要产生更大肌肉力矩来对抗水平制动力、垂直力引起的接触力矩。通过负重方式改变下肢惯性特征会对短跑时下肢三关节能量吸收释放分配、神经肌肉的征召特性产生影响，而这种影响会随负重位置、大小的变化而发生改变。这些研究成果将对改进训练模式、创新训练方法、提高我国短跑运动成绩具有重要学术与应用价值。