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跑姿控制模式下着地冲击和跟腱载荷的生物力学机制研究
结题报告
批准号:
11772201
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
傅维杰
依托单位:
学科分类:
A1003.天然生物材料、仿生与运动生物力学
结题年份:
2021
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
李立、王琳、伍勰、黄灵燕、吕娇娇、张燊、王熙、杨洋、张希妮
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中文摘要
跑步着地时重复的被动冲击、过载的跟腱负荷是造成下肢肌骨系统损伤的重要诱因。本项目针对拟解决的关键科学问题“如何通过跑姿控制减小着地冲击和改善跟腱力学特性”,在前期工作发现“主动改变着地姿态在减小冲击力、提高跟腱承受力中起到关键作用”的基础上,拟以“跑姿控制决定内/外在负荷”为项目主线,利用三维运动成像及测力系统、神经肌电信号结合肌肉建模仿真、跟腱超声影像与组织测量等方法,系统研究:①不同跑姿控制对着地冲击/冲击传递、软组织振动、跟腱载荷和下肢肌骨系统力学反馈的影响;②跑姿再训练干预模型对着地冲击生物力学、在体跟腱力学、材料特性/组织形态适应性的短、长期影响;③跑姿控制与再训练和神经肌肉疲劳对着地冲击力学和跟腱载荷生物力学的交互机制。以期进一步揭示人体运动控制模式与下肢外力冲击及足部内力载荷之间的调控规律和发生/发展机理,为实现从源头上认知和预防跑步冲击损伤、跟腱病提供新的理论和实践基础。
英文摘要
Repetitive passive impacts and the overload of Achilles tendon during running are two major risk factors for musculoskeletal injury in the lower extremity. This study aims to solve the key scientific problem of “how to reduce impact forces and improve the mechanical properties of Achilles tendon via running gait control”. Based on our previous findings of which “active changes in landing posture played a crucial role in reducing impact forces and improving the loading capability of Achilles tendon”, we intend to conduct a systematic study along with the main principle that “running gait control can determine the internal / external loading”. In this study, three-dimensional motion capture and force measurement system, neuromuscular electrical signals combined with muscle modeling and simulation, and Achilles tendon ultrasound imaging and tissue measurements were utilized. Specific aims: 1) to determine the effects of different gait control patterns on impact forces / impact transmission, soft tissue vibrations, Achilles tendon loading, and biomechanical feedback of the lower extremity during running; 2) to examine the short / long-term effects of running gait retraining on impact biomechanics, in vivo dynamic tendon mechanics, and tendon material properties / tissue adaptability; 3) to explore the interactive mechanism between gait control / retraining and neuromuscular fatigue on impact mechanics and Achilles tendon loading. These potential findings will reveal the insights and development mechanism of human motion control and external impact force of lower extremity & foot loading pattern, and further provide a new theoretical and practical basis for the comprehension and prevention of impact-related injuries / Achilles tendinopathy.
本研究以“跑姿控制决定内/外在负荷”为项目主线,利用宏观生物力学、在体关节成像、神经肌电信号、肌肉建模仿真和超声影像分析等方法,确立减小跑步着地冲击和改善跟腱力学特性的足踝动作控制模式,并据此构建以跑姿及足核心再训练为基础的运动干预模型,系统地探究跑姿控制对着地冲击和跟腱在体力学的短/长期影响,进一步揭示人体运动控制模式与地面外力冲击及足部内力载荷之间互动反馈的调控作用和发生/发展机理。研究发现:基于跑姿及步频并结合足核心再训练能有效地使习惯后跟着地跑者转换为前掌着地或增加跑者步频,通过减小足部触地角度,增加膝关节最大屈曲角度以及膝关节活动度、髋关节蹬伸角速度、踝关节跖屈角度、踝关节力矩和下肢刚度,以及降低触地时重心垂直速度、踝关节与髋关节矢状面距离,支撑期阶段重心垂直位移等下肢及足部控制,有效地降低着地时的冲击峰值、最大负载率,并延缓到达峰值的时间,用以减小跑步冲击损伤的风险。此外,本研究进一步表明上述跑姿控制可以对足肌、足弓和跟腱产生积极的适应性刺激作用,主要表现为积极地增强足弓构成肌群的肌肉力量(第一足趾的绝对力量和相对力量、其余四趾的绝对力量等)、跟腱长度、厚度和跟腱横截面积等。总之,鉴于不同姿态下人体下肢神经-肌骨系统运动控制特征的差异,通过优化跑姿控制能够达到减小足部冲击、提升足肌能力、改善跟腱受力的目的,而在此基础上构建的跑姿及足核心再训练的运动干预模型,完善了足部运动控制模式对减小着地冲击和提高足部功能的短期影响及长效机制的建立。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.16156/j.1004-7220.2020.06.003
发表时间:2020
期刊:医用生物力学
影响因子:--
作者:杨洋;张希妮;罗震;王熙;傅维杰
通讯作者:傅维杰
DOI:10.16469/j.css.201904007
发表时间:2019
期刊:体育科学
影响因子:--
作者:张希妮;王俊清;杨洋;傅维杰
通讯作者:傅维杰
DOI:--
发表时间:2021
期刊:中国运动医学杂志
影响因子:--
作者:张燊;崔科东;张希妮;傅维杰(通讯作者);刘宇(通讯作者)
通讯作者:刘宇(通讯作者)
DOI:10.16469/j.css.201805008
发表时间:2018
期刊:体育科学
影响因子:--
作者:张燊;张希妮;崔科东;傅维杰;刘宇
通讯作者:刘宇
DOI:10.3390/life10090159
发表时间:2020-08-22
期刊:Life (Basel, Switzerland)
影响因子:--
作者:Deng L;Zhang X;Xiao S;Yang Y;Li L;Fu W
通讯作者:Fu W
个体化经颅直流电刺激提升足部感觉运动功能的神经生物力学机制研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    55万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    傅维杰
  • 依托单位:
“老年人跌倒及预防”中英双边研讨会
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
  • 资助金额:
    15万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    傅维杰
  • 依托单位:
神经肌肉疲劳过程中运动鞋对冲击力、软组织振动和下肢肌-骨系统功能影响的研究
  • 批准号:
    11302131
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    23.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    傅维杰
  • 依托单位:
国内基金
海外基金