冰上和冰下侧切动作有什么区别？对冰球运动员的运动学和肌电图进行比较分析

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：What are the differences between on-ice and off-ice side-cutting maneuver? A kinematic and electromyographic comparative analysis of ice hockey players

运动员冰上与陆地侧滑动作的髋膝力学及神经肌肉控制差异研究。冰上动作膝关节呈现显著内翻（P<0.01），髋关节屈曲/外展幅度增加，但肌肉单激活量降低，膝踝关节协同激活指数提高（P<0.01）。揭示低摩擦环境迫使运动员采用高稳定性神经肌肉策略以补偿力学风险，强调训练需强化冰面特异性动作模式。

　　冰球是一项高度动态且对身体素质要求极高的运动，其核心特征包括高速滑行、突然停止以及频繁的变向动作。这些动作在低摩擦力的冰面上进行，与在高摩擦力的陆地环境中进行的类似动作存在显著的生物力学差异。其中，变向滑行（side-cutting）是一项至关重要的技术动作，不仅在进攻和防守中发挥关键作用，还因动作的复杂性和对下肢的高负荷而成为受伤风险较高的环节。为了提升运动员的竞技表现并减少受伤的可能性，冰球训练通常结合了冰上和冰下（即陆地）的训练内容。然而，目前对于冰下训练如何有效转化为冰上表现的机制尚不明确，特别是冰上变向动作中涉及的下肢关节运动模式和神经肌肉控制策略。

本研究旨在探讨精英冰球运动员在冰上和冰下环境中执行变向动作时，髋关节和膝关节的生物力学特征差异。通过对比两种环境下的运动模式，研究希望揭示这些差异如何影响运动员的稳定性，并进一步探讨其与冰上受伤风险之间的潜在联系。研究采用了先进的运动捕捉技术和表面肌电图（sEMG）来收集运动学和肌肉激活数据，并利用OpenSim 4.3平台进行生物力学建模，以更全面地分析运动员的运动表现。

在方法上，研究对象为20名来自哈尔滨体育大学的精英男子冰球运动员，年龄在18.0±0.7岁之间，身高182.0±3.8厘米，体重80.8±12.7公斤，训练经验平均为6.4±1.5年。所有参与者均被归类为“国家大师级运动员”，这一称号由中国体育总局颁发，代表了国家竞技水平的较高层次。在实验前，参与者均接受了详细的说明，并签署知情同意书。研究过程遵循了哈尔滨体育大学的伦理标准，并获得了伦理审批（编号：2025042）。

实验设备包括12台高精度的Qualisys 600系列V5红外运动捕捉相机，以及16通道的无线sEMG系统（由DELSYS公司制造）。运动捕捉系统具备5兆像素的分辨率和200赫兹的采样频率，而sEMG系统则拥有2000赫兹的采样频率。两组数据通过Qualisys Tracker Manager（QTM）软件进行同步采集，以确保实验的准确性与一致性。

在数据采集过程中，参与者佩戴了无线sEMG传感器和反射标记点，以记录肌肉活动和关节运动轨迹。运动捕捉系统根据OpenSim的“gait2392”模型进行数据处理，该模型包含12个刚体、31个自由度（DOF）和92个肌肉驱动器，能够提供高度精确的生物力学分析。在实验前，所有参与者完成了标准化的热身程序，包括动态拉伸和任务相关的亚最大运动。随后，他们进行了冰上和冰下的预演测试，以熟悉标准化的45°变向动作。

为了更深入地分析运动模式，研究将变向动作划分为不同的阶段。在冰下环境中，运动被分为两个阶段：重量接受阶段（从初始脚接触地面到最大膝关节屈曲）和蹬地阶段（从最大膝关节屈曲到脚尖离地）。而在冰上环境中，变向动作则被划分为三个阶段：质心转移阶段（从质心前向速度显著下降到质心垂直高度最低点）、蹬地阶段（从质心垂直高度最低点到蹬地冰刀脱离冰面）以及滑行与重新加速阶段（从蹬地冰刀脱离冰面到对侧冰刀接触冰面）。这种划分有助于更细致地观察冰上和冰下环境中肌肉活动和关节运动的差异。

在冰上和冰下的变向动作中，研究发现运动员的髋关节和膝关节运动模式存在显著差异。在髋关节方面，冰上变向动作表现出更大的髋关节屈曲和外展角度，这可能是为了适应冰面的低摩擦特性。在冰下环境中，运动员可以通过地面摩擦力提供额外的支撑力，因此不需要如此大幅度的髋关节屈曲和外展。而在冰面上，由于滑行的需要，运动员必须降低重心，以提高稳定性，同时通过更大的髋关节外展来利用冰刀的内侧边缘，从而产生向心力完成变向动作。

相比之下，冰上变向动作中的膝关节表现出完全相反的运动模式。在冰下环境中，膝关节保持在变位（varus）位置，而在冰上环境中则转变为内翻（valgus）位置。这种转变意味着在冰面上，运动员的膝关节处于一个相对不稳定的状态，可能会增加膝关节内侧副韧带（MCL）的损伤风险。这种内翻姿势在冰上变向过程中被反复应用，导致膝关节内侧结构承受更大的负荷，从而增加了慢性损伤的可能性。

在神经肌肉控制方面，研究发现尽管在冰上环境中大多数下肢肌肉的激活水平（IEMG和RMS）较低，但膝关节和踝关节的肌肉协同激活指数（CI）却显著提高。这一发现与研究假设相吻合，表明在冰上环境中，运动员的神经肌肉控制策略更倾向于通过增加协同激活来增强关节稳定性，而不是依赖于单个肌肉的高激活水平。这种策略可能是为了在低摩擦力的冰面上维持动态平衡，防止因不稳定姿势而导致的意外受伤。

肌肉协同激活指数的计算基于对拮抗肌和主动肌的肌电信号进行对比。例如，在膝关节方面，股四头肌（包括股直肌、股外侧肌和股内侧肌）被定义为主动肌，而股二头肌则被视为拮抗肌。在踝关节方面，胫前肌作为主动肌，而腓肠肌（包括内侧和外侧头）则作为拮抗肌。结果显示，尽管个体肌肉的激活水平在冰上环境中较低，但关节协同激活的水平显著提高，表明运动员在冰面上采取了更复杂的神经肌肉协调机制，以维持下肢的稳定性和控制力。

从运动效率的角度来看，冰上变向动作的生物力学模式显示出更高的效率。在冰面上，运动员通过更有效的滑行动作来完成变向，减少了对肌肉力量的依赖。这种高效的滑行策略不仅有助于提高速度，还降低了肌肉疲劳的可能性。然而，这种策略也伴随着更高的关节稳定性需求，因此运动员必须通过增加协同激活来确保关节在高速变向过程中的稳定性。

值得注意的是，冰上和冰下环境的差异不仅仅体现在运动模式上，还可能影响运动员的训练效果和受伤风险。冰下训练虽然能够增强运动员的基础力量和耐力，但由于缺乏对冰上环境特定稳定需求的模拟，可能无法充分提高运动员在冰面上的神经肌肉控制能力。因此，未来的训练计划应更加注重冰上环境的模拟，以确保运动员在实际比赛中能够更好地应对这些特定的生物力学挑战。

此外，本研究还指出了当前实验设计的局限性。首先，实验未采集冰上的动力学数据，这限制了对运动过程中实际受力情况的分析。其次，实验采用的标准化45°变向任务可能无法完全反映真实比赛中的复杂和不可预测性。第三，研究样本仅包括年轻的精英男子运动员，因此研究结果可能无法推广至女性运动员或不同年龄和技能水平的运动员。最后，踝关节的运动学分析被排除在外，因为现代冰球鞋的刚性结构可能限制了其自然活动范围，尽管研究者意识到这一局限性，但现有的OpenSim模型和标记点设置并未完全优化以捕捉这些细微的踝关节运动。

为了弥补这些局限性，未来的研究应更加注重动力学数据的采集，以更全面地了解冰上动作中的受力情况。同时，神经肌肉分析的范围和深度也需要进一步扩展，例如包括更多的髋部肌肉（如臀大肌）以及采用更先进的分析方法，如频率域分析或机器学习技术，以更深入地理解运动员在冰上变向过程中的神经肌肉控制机制。此外，为了提高研究结果的普遍适用性，未来的实验应纳入更多样化的参与者样本，并设计更接近实际比赛场景的动态和不可预测的任务。

总的来说，本研究揭示了冰上和冰下环境中变向动作的生物力学差异，并强调了训练特定性在冰球运动中的重要性。冰下训练虽然为运动员提供了基础的力量和体能训练，但未能充分模拟冰上环境中的稳定性需求。因此，为了更好地提高运动员的冰上表现并降低受伤风险，训练计划应更加注重结合冰下一般性训练和冰上特定性训练，以培养运动员在冰上环境中的神经肌肉控制能力。这种综合性的训练方法不仅有助于提高运动表现，还能有效减少因运动模式差异而带来的潜在伤害风险。