疲劳对武术运动员不同提举技术腰椎生物力学与肌肉激活的影响：基于OpenSim的分析

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Effects of fatigue on lumbar biomechanics and muscle activation across different lifting techniques: an OpenSim-based analysis

　　

背景：硬拉动作在运动训练中广泛应用，但提举技术和疲劳如何影响武术运动员的腰椎运动学、净广义节段关节力矩（net generalized segmental joint moments）和表面肌电（surface electromyography, sEMG）反应仍不清楚。目的：本研究比较前屈（forward bending, FB）、半蹲（half squat, HS）和深蹲（deep squat, DS）提举，以表征疲劳方案前后腰椎运动学、净广义节段关节力矩和表面肌电反应。方法：15名男性武术运动员完成标准化提举任务。采用基于OpenSim的缩放、逆运动学和逆动力学，结合受试者特异性缩放的全身体腰椎脊柱模型（Full-Body Lumbar Spine model）分析运动学和动力学数据，以计算腰椎运动学和净广义节段关节力矩。肌电（electromyography, EMG）处理获得最大随意收缩（maximal voluntary contraction, MVC）归一化肌肉激活曲线、未归一化积分肌电（integrated electromyography, IEMG）和中位频率（median frequency, MF）指标。统计分析包括重复测量方差分析（repeated-measures ANOVA）和配对样本t检验（paired-samples t-tests）。结果：在选定的腰椎运动学、净广义节段关节力矩和表面肌电结果中观察到技术与疲劳相关差异。FB显示更大的腰椎屈曲和更高的半腱肌（semitendinosus）IEMG，而HS和DS表现出更小的腰椎活动幅度。HS和DS并未在腰椎各水平一致产生更低的净广义节段关节力矩。疲劳与峰值力矩时序延迟以及若干记录肌肉IEMG降低相关。结论：HS技术表现出腰椎活动幅度和节段性净椎间关节力矩（segmental net intervertebral joint moments）的中间模式。这些发现表征了腰椎运动学和净广义节段关节力矩中技术依赖的模式。

论文解读

提举相关动作是运动训练的基本组成部分，广泛用于增强力量、功率输出和运动效率。武术运动员的跳跃、落地和快速变向对躯干控制和姿势稳定提出较高要求。腰椎作为上下肢之间力传递的中心结构，在协调动作和维持高强度任务中的机械完整性方面起关键作用。既往研究显示，核心稳定对动态运动中有效动作执行和损伤预防重要，腰椎在外载下维持稳定受神经肌肉控制和躯干肌肉激活模式影响。高负荷抗阻练习如硬拉和深蹲可对腰椎施加压缩和剪切力，增加脊柱结构机械需求。既往研究指出，弯腰提举可使腰椎剪切力较深蹲技术增加约180%；重复负荷下持续脊柱屈曲合并压缩力与椎间盘损伤相关，尤其载荷超过3000 N时；腰椎载荷并非均匀分布，L₅–S₁节段通常承受最大机械需求，超过3400 N与该水平损伤风险明显增加相关。动态提举中峰值腰椎压缩力可达体重的5–10倍，并受动作姿势、负荷距离和提举速度影响。武术运动员可能具有更好的核心稳定、动态平衡和协调肌肉激活。不同提举技术导致不同腰椎负荷模式；现有研究主要分弯腰、半蹲、蹲三类，半蹲常代表脊柱负荷与运动效率折衷。没有单一提举技术普遍最小化脊柱负荷。疲劳可改变运动策略和神经肌肉控制，可能影响腰椎负荷分布和脊柱稳定性，但重复疲劳提举研究不足。许多研究集中于静态或单次任务，依赖二维或简化模型，强调外部负荷指标，较少关注内部腰椎关节力矩和神经肌肉协调。直接体内测量腰椎负荷困难；有限元模型需大量建模和计算资源，传统静态模型不能充分捕捉动态提举的惯性和时变特征；OpenSim等肌肉骨骼建模可整合运动学、动力学和肌电数据估计动态任务中的关节力矩和肌力。为此，研究人员招募训练男性武术运动员，比较前屈（FB）、半蹲（HS）、深蹲（DS）在非疲劳和疲劳条件下的运动学、动力学和肌电特征，使用OpenSim缩放、逆运动学和逆动力学，结合FBLS模型关节约束及缩放节段质量和惯性属性计算腰椎运动学和净广义节段关节力矩。研究旨在表征技术与疲劳相关模式，假设测量结果在提举技术和疲劳状态间变化。

技术方法概要：样本为15名Tier 3男性武术运动员（高度训练/亚精英；年龄21.7±2.3岁，身高1.76±0.46 m，体重69.8±7.4 kg，训练年限8.6±2.1年），伦理批准为2024A059，实验在首都体育学院生物力学实验室完成。采用重复测量设计，比较FB、HS、DS在非疲劳和疲劳条件下。外部负荷为30 kg带手柄测试箱，动作节律由节拍器控制。三维运动捕捉200 Hz，测力台1,000 Hz，16通道无线表面肌电2,000 Hz；记录双侧胸段/腰段竖脊肌、背阔肌、臀大肌、半腱肌、股二头肌、下腹直肌、股直肌。疲劳方案为15 kg箱每5 s重复提举至RPE≥17、心率≥85% HR_max或无法维持节律/动作质量下降。以MVC测试归一化肌电。OpenSim 4.4结合FBLS模型进行缩放、逆运动学和逆动力学，计算腰椎运动学与净广义节段关节力矩；肌电分析包括RMS、IEMG、MF、MPF；统计采用3×2重复测量方差分析和配对样本t检验。

3.1 疲劳诱发期间EMG中位频率：15名参与者完成162±34次完整提放循环。中位频率（MF）从疲劳任务开始到结束下降，胸段竖脊肌、腰段竖脊肌、背阔肌、臀大肌、半腱肌、股二头肌、下腹直肌和股直肌疲劳前后均显著降低（P值范围从<0.05到<0.001）。该结果与重复提举方案诱导的疲劳一致。

3.2 疲劳前后不同提举技术腰椎关节运动学特征：
3.2.1 提举时间：双因素重复测量方差分析显示提举技术主效应显著，F(2, 28)=9.25，P<0.001，ηp²=0.398；疲劳状态主效应显著，F(1, 14)=6.13，P=0.027，ηp²=0.305；技术与疲劳交互不显著。疲劳前FB完成时间显著长于HS和DS，HS与DS无显著差异。疲劳后三技术差异未达显著，HS疲劳后完成时间显著增加，DS和FB的疲劳前后差异不显著。
3.2.2 腰椎屈曲角变化：疲劳前后各技术时间归一化腰椎屈曲角曲线总体形态相似。HS和DS腰椎屈曲模式相近，FB屈曲幅度更大。绝对峰值屈曲幅度HS和DS约40°，FB约78°–80°，FB腰椎活动范围明显大于HS和DS。双因素重复测量方差分析显示腰椎ROM的技术主效应显著，F(2, 28)=25.24，P<0.001，ηp²=0.643；疲劳主效应和交互不显著。疲劳前后FB的ROM均显著大于HS和DS，HS与DS无显著差异，三技术疲劳前后ROM均无显著变化。

3.3 疲劳前后不同提举技术腰椎关节动力学特征：峰值腰椎关节力矩总体从下腰椎到上腰椎递减，L₄–L₅最高，其次L₃–L₄、L₂–L₃、L₁–L₂。L₄–L₅技术主效应显著，F(2, 28)=4.58，P=0.019，ηp²=0.247，技术与疲劳交互显著，F(2, 28)=4.53，P=0.020，ηp²=0.245；疲劳前HS峰值力矩显著大于DS。L₃–L₄技术主效应显著，疲劳前HS大于DS。L₂–L₃技术主效应显著，HS疲劳前后均大于FB。L₁–L₂技术主效应显著，HS疲劳前后均大于FB，疲劳后DS也大于FB。各腰椎水平疲劳主效应均不显著，L₃–L₄、L₂–L₃、L₁–L₂交互不显著；其余两两比较和疲劳前后比较未达显著。

3.4 疲劳前后不同肌肉和提举技术积分肌电：所有提举技术下多数肌肉疲劳后积分肌电（IEMG）较低。HS下胸段竖脊肌、腰段竖脊肌、臀大肌、半腱肌和股直肌疲劳前后显著降低；DS下胸段竖脊肌、腰段竖脊肌和臀大肌显著降低；FB下仅腰段竖脊肌显著降低。疲劳前跨技术比较中，半腱肌（ST）技术主效应显著，F(2, 28)=13.53，P<0.001，ηp²=0.491；疲劳前FB的ST IEMG显著大于HS和DS，HS与DS无显著差异；疲劳后ST跨技术差异不显著。股二头肌在FB中数值较高，但技术主效应和两两比较不显著；其他肌肉技术效应和交互不显著。

讨论部分总结：讨论指出，结果部分支持原假设。与FB相比，HS和DS并未在所有节段一致表现出更低的净广义腰椎关节力矩，但节段特异性力矩模式因技术而异。疲劳与峰值力矩时序延迟和若干记录肌肉IEMG降低相关。4.1 技术间生物力学差异：FB以更大腰椎屈曲为特征，HS和DS腰椎活动幅度较小；这提示弯腰与蹲式提举是不同生物力学方案，而非简单“安全/不安全”二分。由于未分析髋、膝关节力矩，不能解释为负荷向双下肢转移或内部腰椎负荷降低。FB下更高的半腱肌IEMG表明上升提举阶段一个后大腿肌肉存在技术相关差异。HS在测量腰椎屈曲和净广义节段关节力矩中呈中间模式。4.2 疲劳相关关节力矩时序和肌肉活动变化：疲劳未导致净广义腰椎关节力矩明显增加，而是与峰值力矩时序延迟和若干记录肌肉IEMG降低相关；这些描述测量变量变化，不确立内部脊柱负荷改变或特定神经肌肉控制机制。疲劳后IEMG降低表示未归一化EMG包络幅度-时间积分较小，不一定表示肌力更低或运动单位募集更少。提举时间相似或稍长，整合期缩短不太可能是主因，提示较低平均EMG包络幅度贡献于IEMG降低；MF同时下降支持疲劳相关电生理变化，但不识别具体机制。4.3 训练实践意义：HS和DS相对FB腰椎活动幅度小，但HS未一致降低所有节段净广义腰椎关节力矩，因此不应认为某技术普遍保护；疲劳相关峰值力矩时序和IEMG变化可能与运动一致性和疲劳管理有关，但不支持脊柱负荷降低或损伤预防具体建议。4.4 方法学考虑和未来方向：OpenSim分析未进行静态优化、计算肌肉控制、肌力估计或关节反力分析，因此未估计个体肌力、脊柱压缩/剪切力或组织特异脊柱载荷；表面EMG主要反映浅表肌肉，受电极位置、皮下组织厚度和串扰影响。疲劳方案为短时受控实验室任务，不等同真实长期多因素疲劳；自选技术可能引入未分类个体变异。未来可结合高密度EMG或成像、受试者特异性建模或有限元、更长任务和复杂环境，并与损伤监测或干预研究整合。

研究结论翻译：本研究采用基于OpenSim的逆运动学和逆动力学分析以及独立表面-EMG分析，考察不同提举技术和疲劳对腰椎生物力学和神经肌肉反应的影响。结果显示，提举技术影响测量的腰椎运动学、净广义节段关节力矩和记录肌肉IEMG。FB与更大的腰椎屈曲和更高的半腱肌IEMG相关，而HS和DS显示相对较小的腰椎活动幅度。然而，HS并未在所有节段一致产生更低的净广义腰椎关节力矩，因此显示中间净力矩模式而非一致更低。疲劳未使测量的净广义腰椎关节力矩明显增加。相反，疲劳伴随峰值力矩时序延迟和若干记录肌肉IEMG降低。这些观察描述疲劳相关的测量时间变量和EMG衍生变量差异，而非直接证明脊柱稳定性改变、内部脊柱负荷改变或特定神经肌肉协调机制。从应用角度看，提举表现可能不仅取决于技术选择，还取决于疲劳下维持一致运动执行的能力。总体而言，提举技术与不同的腰椎运动学和净广义节段关节力矩模式相关，而疲劳主要反映在峰值力矩时序和记录肌肉IEMG。