三维步态运动分析技术在经典式越野滑雪项目中的应用 冬奥医学

自1924年第一届夏蒙尼冬奥会以来，越野滑雪是发展最快的冰雪运动之一，包括新的比赛模式、改进的设备和赛道准备，以及动作技术上的广泛变化。

人体步态分析传统上主要应用于医学诊断，是一门集生物力学、运动机能学以及不同运动医学领域等多学科研究的综合技术手段。

本文回顾了近年来三维步态运动分析技术在经典式越野滑雪项目中的应用，通过对运动过程中不断变化的参数指标进行分析，表明制订出符合滑雪运动员的个性化训练方案，可以有效地提高比赛成绩。

越野滑雪不仅是最具生理耐力要求的运动之一，还涉及复杂的人体生物力学。

越野滑雪在行进时的推进力是由上半身和下半身的肌肉组织协同产生，并通过滑雪板和滑雪杖传递到地面，因此越野滑雪运动可以被看作是一种包含四肢的步态，这对于通常主要分析双下肢步态的运动来说是相当特殊的。

现代越野滑雪技术

越野滑雪比赛中使用的技术分为经典式和自由式，前者主要包括两步交替（DS）技术、双杆撑踏步（DPK）技术、人字形（HRB）技术、双杖推进（DP）技术，后者主要包括桨舞（G2）、双人舞（G3）、单人舞（G4）、无杆滑冰（G5）等，两种风格均包含滑降（TCK）和一系列转弯（TRN）技术。

越野滑雪是涉及不同技术、强度和持续时间的耐力要求最高的全身运动之一，比赛地形由上坡、平地和下坡组成，各占全程的1/3，由于约1/2的时间用在上坡滑雪中，上坡的表现被认为是成功的主要决定因素。

要求运动员掌握不同速度和坡度情况下不同的子技术以及这些子技术之间的转化情况，从而根据需要改变自身的运动模式。

运动员在穿越上坡地形时会增加自身代谢强度，而下坡地形则提供了恢复体能的机会。

滑雪技术长久以来的发展以及设备和赛道准备的改进带来了追求更高滑行速度的需求，如今越野滑雪运动员必须广泛掌握不同的速度、地形、比赛距离和形式，并通过在不同的子技术之间进行不断地交替来适应上述各种变化。

新的冲刺和长距离比赛中，滑雪者正面竞争需要更灵活的技术和战术转变，鼓励高速技术的应用，这就需要制定更加个性化及针对性的训练方案，对于性能分析和优化训练而言，三维步态运动分析技术具有极大的潜力。

三维步态运动分析技术

目前步态运动分析技术已经成为一种可行的评估工具，不仅用于基础生物力学研究，且已扩展为可应用于临床诊断、监测功能恢复和肌肉骨骼康复的非常有价值的工具。

基于标记的步态分析也被应用于矫形器疗效的评估，创伤康复的前、后或随访分析，甚至用于不同手术方法的比较。

在体育科学研究方面，三维步态运动分析技术已经成为运动生物力学在竞技体育研究中的主要应用技术手段。

运用三维步态运动分析技术，可以根据动作技术要求设计更合理的训练，并对已有训练手段的效果进行评价，为制定合理的训练方案提供科学依据，同时通过描述、分析和优化人体动作，改进运动员运动技术，为提高运动效能提供依据，切实有效提高运动员成绩。

三维步态运动分析技术

在滑雪技术中的应用

• 三维步态运动分析技术在DS技术中的应用

DS技术主要是通过两块滑雪板以及滑雪杖交替推进，上肢和下肢以相互交替的方式进行移动。

在每个运动周期中，每块滑雪板与地面接触后都会产生一个相当长时间的滑动期，之后下肢的推进作用使滑雪板停止滑动。

滑雪者针对不同条件不断改进开发了新技术，随着短跑滑雪和其他正面比赛对更高速度的要求，一种新的DS技术随之产生，其特征为包含一个类似跑步的空中阶段，称为“奔跑”DS（DSRUN）。这种特殊的滑雪变种技术既可以保持高速运动，也可以进一步加速，被广泛用于上坡。

Pellegrini等利用三维步态运动分析，对DSRUN和DSCONV（传统DS）技术从生理学、运动学方面进行详细的比较，表明无论是测试成绩还是经济效应，DSRUN都明显优于DSCONV。

DSRUN技术具有腿部伸展更早、推进速度更快以及膝关节屈伸运动范围更大等特点，可能会产生更高的加速度和/或达到更高的峰值速度。

此外，采用DSRUN技术滑雪停止的瞬间，产生较大的摩擦力在理论上可能会降低对防滑蜡的需求。

DSCONV（a）和DSRUN（b）的步态分析对比

DSCONV为常规对角线步幅；DSRUN为奔跑对角线步幅；L_SkiFak和R_SkiFak分别表示左、右力的峰值滑雪力；R_on为右滑雪板与地面第一次接触的瞬间；R_stp为右滑雪板停止的瞬间；R_off为右滑雪板抬起的瞬间；条状图表示运动周期中各运动阶段的时间

• 三维步态运动分析技术在DPK技术中的应用

DPK技术具有运动周期更长、周期频率更低的特点，是目前研究较少的越野滑雪技术之一，目前仅限于基本的周期特性。

DPK技术的特点是在DP动作之间插入一个推进的蹬腿动作，以在较陡峭的上坡条件下保持动力，而左或右的蹬腿动作类似于DS。

在有编号项目的越野滑雪中的一种DPK运动周期

1、7、12为撑杆；2、8为撑杆过程中，肘部伸展的开始；3、9为脱杆；4为开始俯卧（右腿）；5为开始蹬腿伸展（右腿）；6为蹬腿；10为开始向前迈步（右腿）；11为向前迈步结束（右腿）

G?pfert等研究了滑雪运动员使用DPK技术时的生物力学特征及不同速度条件下的适应性，发现速度的增加与周期长度和频率的增加有关，建议运动员的训练应从两方面着手，以要提高DPK技术成绩。

一方面，发展特定的技术技能，使运动员在极富挑战性的单脚站姿的条件下仍可以实现有效的双撑杆。建议在不同的速度、周期频率和身体位置的情况下进行短时间内产生更高推进力的训练。

另一方面，训练重点应该是改进蹬腿动作，提前将重心转移到前脚，为蹬腿动作做准备，然后将全部的重心转移到施力侧下肢。

• 三维步态运动分析技术在HRB技术中的应用

HRB技术使用频率不高，通常需要在更陡峭的上坡地形或DS抓地力不足时使用。

为获得足够的抓地力推动向前，滑雪板要相对于滑雪前进方向向外倾斜，但滑雪板不允许滑行。

Anderssone等首次采用2台固定摄像机以及3D视频软件进行三维视频重建，使用Pedar移动系统记录地面反作用力，结果显示：

HRB技术涉及到手臂和腿部的斜向运动，滑雪板横向倾斜，力量主要分布在前脚内侧；

没有滑行限制了增加周期长度的可能性，迫使滑雪者加快周期频率进行补偿；

推力主要由腿部产生，滑雪杖的推进力与总力的比率（即力量效率）约为腿部的3倍，而且手杖与地面接触的时间延长了20%；

通过同时提高长度和周期频率，滑雪者从中等速度提高到高速度；

仅通过更快的周期频率就可以进一步提高到最大速度。

上述研究结果突出了高峰值和快速产生腿部力量的重要性，强调滑雪运动员在训练过程中，面对陡峭的比赛路段，要着重于腿部爆发力量的训练。

• 三维步态运动分析技术在DP技术中的应用

当前整个比赛过程中要求更快的加速度，新的DP技术在最高速度下可用于推进的时间通常不超过0.21 s，为了产生更高的撑杆峰值力和下肢推进力，在经典的滑雪技术基础上进行调整而衍生出了一系列新技术，导致滑雪者在整个赛道的各种坡道上更频繁地使用DP技术。

DP技术主要用于赛道的平坦部分，但有些滑雪者可能在整个比赛中只使用DP技术。

选择DP技术可以免去打蜡的必要，从而减少平坦和下坡路段因摩擦力造成的动力损失。

DP技术是一种全身运动，其中腿部和躯干的参与对于随后的撑杆阶段产生最佳推进力非常重要，下肢腿部在整个运动过程中所做的贡献随着DP技术强度的增强而增加。

St?ggl等采取三维步态运动分析技术对在不同坡度地形下，采用DP技术的运动员进行了全身运动学和性能差异比较分析。

在上坡地形，运动过程中会产生更高的脉冲力和峰值杆力。俯卧前屈时撑杆摆动的时间会随之降低，需要身体保持更直立的姿势，这要求肘关节更加弯曲，手臂向后摆动最大次数更少。与同步的躯干伸展和手臂的向前摆动相结合，有助于更快速地重新定位姿势，以备下一次推进。

随着坡度不断增加，平行于地面的重力分量变得更大，重力在支承点上产生更大的力矩，需要滑雪者减少挥杆次数，增加撑杆时间，以减少在较陡峭的斜坡上在摆动阶段造成的前进的速度损失。减少摆动阶段的时间会导致用于重新定位支撑点以及调整身体姿势的时间变少，使DP技术不能完全发挥。

越野滑雪运动员不同地形下使用DP技术的三维步态运动分析

ACF为平均周转力；ACPF为推进力；Effectiveness为疗效指标，是ACPF与ACF的比值（%）；Power output 为输出功率

此外，在更陡峭的斜坡上，滑雪者会改变身体和手杖的位置，下肢关节变得更加弯曲，杆位更靠近足部。

因此，在陡峭的上坡阶段，在摆动阶段垂直势能转化为动能比例减少，应该会增加陡坡上上肢的工作量，在一定程度上解释了运动员更喜欢在缓坡而不是陡坡上使用DP技术。

• 三维步态运动分析技术在TCK以及TRN技术中的应用

TCK是高山滑雪的基础技术，基本技术主要包括直滑降、犁式滑降、斜滑降和横滑降；TRN的主要技术包括阶梯转弯、平行滑行、犁雪等。

Sandbakk等采用摄像机和RTKGNSS卫星系统，视频记录了越野滑雪运动员连续6个标准几何转弯过程，得出结论：

滑雪者通过滑行和犁雪等方式减速入弯，然后通过阶梯转弯的方式加速通过弯道，速度越快的滑雪者使用犁雪的频率越低，减速阶段所用时间越短，可以在弯道中较早地通过阶梯转弯加速通过弯道。

较强的腿部力量是使滑雪者在转弯时能够高速通过弯道的基础。

由于越野滑雪比赛的下坡转弯涉及整个比赛的较短路段，并且在不同的速度下进行，转弯半径、雪况、滑雪技术和转弯策略对实际比赛成绩的影响应该是未来研究的重点，作者建议越野滑雪者达到一定的力量和力量水平，并多做下坡训练，以提高下坡转弯性能。

结论

三维运动捕捉系统利用红外摄像机捕捉粘贴在人体上的标记点，通过软件将捕捉到的点连接成线，再把线转换成面，通过与采集视频信息相结合，建立人体三维模型。

根据每个标记点在三维空间的坐标位置，获得时空、运动学、动力学参数，同时通过表面肌电图获得肌肉电信号变化。

步态分析是研究步行规律的检查方法，旨在通过生物力学和运动学手段，揭示步态异常的关键环节和影响因素。

通过三维步态系统，可以获得滑雪运动员在整个运动过程中各个参数指标的变化情况，包括：滑雪技术运用过程中关节活动角度的改变、上下肢力量协调性的平衡以及运动所涉及相应肌肉力量的强度改变等。

根据运动员自身特点，以及不同比赛路况下不同滑雪技术的应用情况，为每个运动员制订符合其个性化特点的训练方案，从而针对性改善不同运动员运动过程中的薄弱项目，最大程度避免训练过程中的运动损伤，提高运动员机动性、优化训练和恢复程序，帮助运动员在比赛中取得更加优异的成绩。

随着三维步态运动分析技术的不断发展，可以对身体各部位进行分类标记，通过对标记点的捕捉与扫描，重建运动员的肢体模型，模拟其运动的整个过程，分析各生物力学参数的动态变化，同时还可以通过肌电图记录运动过程中肌肉的收缩情况，根据身体机能反应的各项指标，制订相应的个体化训练方案，帮助越野滑雪运动员在今后的比赛中取得更好成绩。

本文作者：齐岩松，王一帆，吴海贺，傅冠达，包呼日查，徐永胜

作者简介：徐永胜（通信作者），内蒙古自治区人民医院骨关节科（运动医学中心）科主任、医学博士、主任医师、硕士研究生导师；中华医学会运动医疗分会常务委员、内蒙古自治区医学会运动医学分会主任委员、内蒙自治区医师协会运动医学专科医师分会会长；研究方向为骨关节、运动医学临床与基础。

论文全文发表于《科技导报》2022年第2期，原标题为《三维步态运动分析技术在经典式越野滑雪项目中的应用》，本文有删减，欢迎订阅查看。