水下波动游泳过程中的关节运动学与身体各部分的协调性：不同表现水平的游泳者的对比研究

《Journal of Biomechanics》：Joint kinematics and inter-segmental coordination during underwater undulatory swimming: Comparing swimmers of different performance levels

水下波动游泳（UUS）性能与关节运动学及段间协调关系研究。通过SPM分析和动力学协同分析发现，高绩效组在向上踢阶段游泳速度显著更高，表现为更大肩部伸展、膝关节延伸及躯干运动，且协同2的空间分配存在组间差异，证实协调上肢与躯干动作可有效减少阻力，提升UUS性能。

　　
本研究聚焦于水下波浪式游泳（UUS）的运动效能与关节运动学特征的关系，通过结合统计参数映射（SPM）和运动协调性分析，揭示了高水平与低水平游泳者在水下推进机制上的关键差异。实验选取了31名竞技游泳者，基于平均游泳速度的统计学标准将其分为高性能组（A组，9人）和低性能组（B组，15人），通过高精度运动捕捉系统记录右侧肢体七点定位数据，并运用SPM技术对时间序列运动参数进行对比分析。

研究首先通过SPM技术对比发现，A组游泳者在蹬腿（UK）阶段达到显著更高的平均速度（p<0.05），且速度提升的持续时间比蹬腿（DK）阶段延长约40%。这一发现与Veiga等（2023）关于 UK 阶段推进效率的研究相印证，表明高速推进的关键在于蹬腿末期的动能转化效率。值得注意的是，B组游泳者在 UK 阶段存在明显的速度波动（dV达13.9%），而A组通过稳定躯干运动（L-trunk角度波动仅5.6%）实现了更平滑的推进节奏。

在关节运动学特征方面，A组游泳者展现出更优化的运动模式：肩关节在DK阶段的伸展角度达到28.1±4.8度，显著高于B组的27.2±5.6度（p=0.051）。这种肩关节的主动伸展不仅有助于维持流线型上肢姿态，还能通过增大躯干与下肢的力矩偶联效应提升推进效率。膝关节的最大伸展角度差异虽未达显著水平（71.9±7.4度 vs 71.1±6.7度），但A组在蹬腿末期的膝关节角度（p=0.012）和踝关节角度（p=0.001）均表现出更精准的控制能力。

躯干运动模式的分析揭示了关键差异：A组在UK阶段（160-198%周期）的躯干屈曲角度达到18.3±6.3度，显著高于B组的21.0±5.1度（p=0.426）。这种反向差异源于A组特有的运动策略——通过L-trunk（下躯干）的主动屈曲（+28.0度）与U-trunk（上躯干）的协同伸展，形成类似弹簧机制的弹性储能。特别值得注意的是，在 UK 阶段（周期160-200%），A组下躯干的屈曲幅度达到B组的1.24倍（28.0度 vs 28.6度），这种差异直接导致躯干力矩矢量的方向偏移达17.5度，显著影响下肢推进的协调性。

运动协同性分析（基于SVD算法）提取出两个核心协同模式：协同1（贡献率99.2%）主要涉及下肢的蹬伸与屈膝动作，协同2（贡献率99.8%）则调控躯干与上肢的联动。在协同2的空间构型中，A组呈现显著差异：上肢（臂）的协同权重降低19.3%（p<0.05），而L-trunk的协同强度提升22.4%（p<0.05）。这种调整使A组的躯干-下肢联动效率提升，在UK阶段形成约15%的额外推进力矩。通过运动重建发现，A组的高水平协同模式在蹬腿末期（周期85-120%）会主动抬升上肢角度至水平位（0度±2.8度），而B组在此阶段存在平均5.6度的非对称波动。

研究还发现躯干的动态分形特征与运动效能呈正相关。通过分析躯干运动轨迹的赫斯特指数（H=0.72 vs 0.65），A组展现出更优化的空间记忆能力，其躯干角度波动模式呈现更强的规律性（R2=0.89 vs 0.76）。这种协调性优势在协同2的时序分析中尤为明显：A组的协同激活时间窗口比B组宽20%，且相位差控制在±3.5%周期内，这可能与神经系统运动计划的优化有关。

实验设计的创新性体现在多维度数据融合分析。首先采用标准化水温和水深（28±0.5℃，深度0.5-1.0m）消除环境干扰，其次通过2D-DLT校准将误差控制在0.3%以内。运动捕捉系统以60Hz采样率记录七点定位数据，经Butterworth滤波（6Hz截止频率）后保留有效运动信息。这种高精度数据采集为后续的SPM分析奠定了基础，使研究者能检测到0.5%周期内的微幅运动差异。

研究局限性需要特别指出：样本量虽满足统计学要求（A组9人，B组15人），但性别分布差异较大（A组3男6女，B组13男2女）。通过蒙特卡洛模拟发现，这种性别结构可能导致5-8%的效应偏差，尤其在分析躯干运动时，女性样本可能影响结果解释。此外，运动协同分析未涉及肌肉激活模式，未来需结合表面肌电数据完善运动控制机制研究。

在应用层面，研究为游泳训练提供了新视角。建议针对A组特征设计专项训练：在DK阶段强化肩关节稳定性训练（如水中阻力带肩外旋练习），在UK阶段重点发展下躯干的屈曲控制能力（如单腿负重深蹲）。同时，通过运动捕捉系统实时监测躯干角度波动，当协同2激活相位与蹬腿周期存在偏差＞3%时，提示存在技术缺陷需针对性纠正。

本研究突破性地将协同分析从肌肉层面扩展到关节层面，揭示了躯干-上肢-下肢的层级协同机制。协同2的空间分解显示，当上肢保持水平（Z=0.32±0.03）时，L-trunk的屈曲幅度与髋关节伸展力矩呈0.78的正相关（p<0.01），这种空间耦合关系在A组中表现更优，其躯干运动轨迹的圆度系数（C=0.91 vs 0.83）显著更高，表明躯干形态控制能力是影响UUS效能的关键因素。

通过对比两种协同模式的时间特性，发现A组的协同激活存在约12%周期的相位提前，这使其能在UK阶段更早启动躯干屈曲，形成推进力矩的叠加效应。运动重建显示，在协同2主导的时期（周期85-195%），A组的上肢保持水平的同时，L-trunk完成从45度（DK末期）到28度（UK中期）的精准屈曲，这种空间协同使躯干在流体中的阻力系数降低约17%（基于潜体运动理论模拟）。

值得注意的是，尽管A组平均身高（1.69m）显著低于B组（1.76m，p=0.051），但通过优化运动模式，其标准化速度（1.08±0.11 s?1）仍比B组（0.95±0.13 s?1）高13.7%。这验证了之前学者提出的"小身体大效率"假说，即通过更精细的关节协调补偿尺寸劣势。

在技术发展方面，本研究验证了SPM方法在检测周期性运动中的有效性，其空间分辨率可达2.5%周期（约1.3秒），时间分辨率达到0.83%周期（约0.17秒）。这种精度足以区分专业游泳者与普通健身者的技术特征，为个性化训练方案制定提供了技术支撑。

未来研究方向可聚焦于神经运动控制机制：通过同步记录运动皮层（如初级运动皮层M1）和脊髓运动神经元（SMN）的激活模式，结合运动捕捉数据，建立从神经信号到关节运动的量化模型。此外，开发基于本研究协同模式的虚拟现实训练系统，通过实时反馈调整躯干-上肢协同角度，可能提升训练效率达30%以上（基于预实验数据）。

本研究对竞技游泳训练的具体指导价值包括：1）制定分阶段训练计划，DK阶段重点训练肩关节稳定性，UK阶段强化下躯干屈曲；2）建立三维运动质量评估体系，将躯干角度波动范围、协同激活相位差等纳入评价指标；3）开发基于运动协同分析的个性化反馈系统，通过机器学习预测运动员的技术缺陷。

该研究在方法论层面创新性地将SPM分析与协同运动学结合，突破了传统参数化分析的局限。通过建立运动协同的空间-时间双维度模型，不仅揭示了UUS的推进机制，更为复杂运动模式的分析提供了新范式。后续研究可拓展至不同泳姿的比较，或引入流体力学模拟验证运动协同对阻力分布的影响机制。