同步滑冰运动员陆上螺旋与旋转任务的运动学分析：主导与非主导腿的运动控制策略差异

本研究通过光学运动捕捉系统（MoCap）分析同步滑冰运动员在陆上执行静态螺旋（spiral）和动态旋转（spin）任务时的关节角度与节段摆动差异。结果表明，螺旋任务中主导腿与非主导腿无显著运动学差异（p>0.05），但左臂摆动显著大于右臂（p<0.001），且Spearman相关性（ρ）揭示不同腿执行时的运动控制策略分化。关键发现包括支撑腿膝角（knee angle）与头部摆动的负关联（ρ=?0.54），提示膝角增大可减少头部代偿摆动。研究为花样滑冰训练优化和损伤预防提供科学依据，填补了该领域运动学分析的空白。

　　

摘要

本研究旨在通过运动学分析探究同步滑冰运动员在陆上执行静态螺旋任务（spiral）和动态旋转任务（spin）时，关节角度与身体节段摆动的差异及其关联性，重点考察主导腿与非主导腿执行时的运动控制策略分化。研究对象为15名青少年同步滑冰运动员（年龄16.3±1.5岁，训练年限9.8±2.8年），使用39个反光标记的光学运动捕捉系统（MoCap）记录动作。结果显示，螺旋任务中主导腿与非主导腿的运动学特征无显著差异（p>0.05），但相关性分析表明不同腿执行时身体节段的运动控制策略存在异质性。此外，无论使用哪条腿，左臂摆动均显著大于右臂（主导腿：39.97±10.32 vs. 30.22±7.80，p<0.001；非主导腿：52.88±13.65 vs. 37.12±9.59，p<0.001）。旋转任务中，支撑腿膝角与头部摆动呈负相关（ρ=?0.54；p=0.038），提示膝角增大可减少头部代偿动作。这些发现为理解同步滑冰运动控制机制提供了新视角。

1 引言

同步滑冰作为竞技运动，需在团队动作中融入高难度静态（如螺旋）和动态（如旋转）元素以提升得分。然而，该领域运动学分析的研究匮乏，尤其缺乏对主导腿与非主导腿执行策略的深入探讨。神经发育研究表明，左腿在姿势任务中更具优势（Pompeiano, 1985; Previc, 1991），因前庭功能左侧不对称性影响下肢本体感觉（joint position sense, JPS）（Allum et al., 1998）。临床数据进一步支持右脑半球对本体感觉反馈的专化（Goble & Brown, 2007; Naito et al., 2005），但同步滑冰运动员在此背景下的表现尚未明确。

运动捕捉系统（MoCap）通过反光标记追踪骨骼运动轨迹（Cappozzo et al., 2005），是分析姿势控制的金标准（Roggio et al., 2021）。本研究首次将MoCap应用于同步滑冰，将冰上专属动作（螺旋、旋转）适配为陆上任务，以实验室环境探究其运动学基础。核心假设为：基于右脑对姿势控制的优势，运动员在非主导腿（左腿）执行任务时表现更优。

2 材料与方法

2.1 参与者

通过G*Power 3.1.7软件计算样本量（效应量0.8，α=0.05，检验力0.80），确定需15名受试者（Faul et al., 2007）。最终招募15名右侧主导的青少年同步滑冰运动员（女性10名，男性5名），年龄16.3±1.5岁，训练年限9.8±2.8年。参与者无神经或感觉运动障碍，通过踢球等测试确认腿优势（Spry et al., 1993）。实验获大学伦理委员会批准（MTSE-OKE-KEB/01/2023），参与者及监护人签署知情同意书。

2.2 实验流程

热身10分钟后，参与者执行螺旋任务：赤脚单腿站立，非支撑腿抬高至最大高度，手臂侧平举，维持10秒（图1A）。每条腿重复3次，间隔休息60秒，失败则重试（失败率低，主导腿5次、非主导腿3次）。旋转任务使用Tempish旋转器：赤脚单腿支撑（非主导腿），右腿交叉于左膝前，手臂前伸，执行最大旋转次数（图1B）。任务方向统一（因团队动作需求），重复3次。

2.3 运动捕捉（MoCap）

使用18台Flex13摄像头（OptiTrack）以100Hz采样率捕捉39个反光标记的运动轨迹（图1C）。数据经MATLAB R2023b插值缺失帧，并应用六阶Butterworth低通滤波后处理。最佳记录基于抬腿高度（螺旋）或旋转圈数（旋转）筛选。

2.4 螺旋任务分析

任务模仿芭蕾舞Arabesque动作（Bronner & Shippen, 2015）。计算支撑腿膝角（基于踝-膝-大腿标记向量积）、自由腿三维摆动、头部（四标记均值）、躯干（双肩标记均值）及双臂（腕标记均值）摆动。结果取平均值。

2.5 旋转任务分析

计算支撑腿膝角（同螺旋任务）及身体轴与垂直轴夹角（基于骨盆与肩标记向量）。膝角与夹角取帧均值。

2.6 统计分析

SPSS 28.0进行Shapiro-Wilk正态检验后，非参数Wilcoxon符号秩检验比较主导腿与非主导腿数据，效应量r由z值计算（Cohen, 1992）。Spearman相关（ρ）分析节段摆动关联性（Evans, 1996）。显著性阈值p<0.05。

3 结果

螺旋任务

• 主导腿与非主导腿的膝角（172.8±4.3° vs. 171.9±5.0°）、自由腿高度（115.3±16.6 cm vs. 120.0±16.4 cm）等变量无显著差异（p>0.05）（表1）。
• 左臂摆动显著大于右臂，无论主导腿（39.97±10.32 vs. 30.22±7.80 mm/s，Z=?3.4，p<0.001，r=0.88）或非主导腿（52.88±13.65 vs. 37.12±9.59 mm/s，Z=?3.4，p<0.001，r=0.88）（图2）。
• 相关性：主导腿执行时，自由腿摆动与左臂（ρ=0.61，p=0.016）、右臂（ρ=0.52，p=0.048）正相关；双臂摆动强相关（ρ=0.90，p<0.001）。非主导腿执行时，自由腿高度与头部摆动负相关（ρ=?0.57，p=0.025）；自由腿摆动与头部（ρ=0.58，p=0.023）、躯干（ρ=0.6