1.1 设计 自身对照交叉试验,采用双因素方差分析进行统计分析。
1.2 时间及地点 试验于2023年5-6月在西安体育学院运动生物力学实验室完成。
1.3 对象 招募西安体育学院15名男性受试者为研究对象,年龄(24.63±1.06)岁,身高(177.50±7.92) cm,体质量(81.84±11.01) kg,1RM达到1.5倍体质量及以上。受试者知晓此次研究的目的、试验流程安排及存在的风险,并签署知情同意书。此次研究得到西安体育学院伦理委员会批准(批准号:XAIPE2023033)。
样本量计算:使用G*power3.1.9软件预先估算研究所需样本量,功效值、Ⅰ类误差α、效应量设置为0.85,结果表明样本量至少为15人。
纳入标准:①男性受试者,深蹲最大重复次数达到1.5倍自身体质量及以上;②身体健康状况良好,无下肢及腰背部疼痛等问题。
排除标准:①1RM未达到1.5倍自身体质量;②受试者在6个月内有下肢或腰背部损伤及膝关节周围的肌肉、肌腱、韧带或软骨损伤;③测试中身体其他部位出现任何形式的疼痛。
1.4 试验仪器
1.4.1 生物学测量仪器 彩色多普勒超声仪(LOGIQ Book XP,GE公司)。测试肌肉的选取:股四头肌(股直肌、股内&外侧肌和股中间肌)、腘绳肌(股二头肌长&短头、半腱肌和半膜肌)和腓肠肌(内&外侧肌)。
1.4.2 运动学测量器材 Sony长焦相机4台(焦距为35 mm、光圈值为F3.2、帧数为50 Hz、快门速度为1/250 s)和QFS-28 DLT校准框架。Marker粘贴位置分别为踝关节外踝、膝关节腓骨小头上方一指处、股骨大转子以及肩峰下一横指处。
1.4.3 动力学测量仪器 2台Kistler 9287B三维测力台,将测力台固有坐标系的Y轴指向前方,采样频率为1 000 Hz。
1.4.4 肌电测量仪器 Noraxon Ultium肌电仪,采样频率为2 000 Hz。测试肌肉的选取:腓肠肌内&外侧头、股内&外侧肌、股直肌、股二头肌长头和半腱肌。
1.5 方法
1.5.1 前期准备
(1)使用彩色多普勒超声仪测量所选取各肌肉的厚度(单位:mm)和羽状角(单位:°)。测量时探头充分接触皮肤但不压迫软组织,受试者放松双脚站立于地面处(图1)。
(2)下肢各环节长度及围度测量:大腿长为髋关节中心点(大转子尖上一横指处)至膝关节中心点(腓骨小头上二横指);小腿长为膝关节中心点至踝关节中心点(外踝尖往上一横指半到二横指处);足长为足跟点至第二趾尖点。
(3)下蹲深度的确定以及一次最大重复次数测试:①深度的确定:浅蹲为下蹲至膝角约为90°[14-15];平蹲为蹲至腹股沟平行于大腿顶部[13,16];深蹲即参与者被要求进行尽可能深的下蹲且保证腰背不弯曲[9],见图2。为保证正式试验时下蹲深度的一致性,当受试者蹲至底部时,记录脚后跟后10 cm处与大腿底部的距离。②各深度的1RM下蹲测试:参考美国国家体能协会最大力量测试指南[17],每次增加5%-10%的负荷,直到参与者无法从底部蹲起,或当在Borg量表上表明达到了“最大努力”的自感用力程度时[18],测试停止并记录上一次的1RM。参与者在每次测试之间应至少休息2 min。
(4)最大自主等长收缩数据采集:在1RM测试后间隔一天进行。①股直肌、股内侧肌和股外侧肌:取坐姿且上身竖直无依靠,双手交叉于胸前,膝角约90°,对小腿远端前部施加阻力,鼓励受试者全力收缩股四头肌完成动作;②股二头长肌和半腱肌:俯卧位,膝关节屈曲20°,对小腿远端处施加阻力,之后屈膝勾腿发力做等长收缩对抗阻力;③腓肠肌内侧和外侧肌:受试者仰卧位,双脚贴墙,试验员在肩部施加水平阻力,受试者全力对抗阻力。
1.5.2 正式试验 正式试验安排在最大自主等长收缩测试后至少24 h但不超过1周。试验开始前受试者进行标准的热身流程。使用三机同步设备对运动学、动力学和肌电数据进行采集,此设备为外同步,即一只鼠标控制所有设备的开关且考虑到所有机器的延迟时间。开始后,受试者起杠并后退至测力台并保证两脚分别踏在2块测力台范围内。受试者使用3种负荷:0%(使用硬聚氯乙烯管代替杠铃)、50%和85% 1RM,下蹲至指定深度(浅、平、深)直到站起回杆为成功,为保证每次下蹲至正确深度,在受试者每次做动作时身后放置一根指定高度的细绳,且正面有闪光灯闪烁和清晰口令告知受试者,从视觉、听觉和触觉3个方面保证下蹲的深度,见图3。要求受试者下蹲至底部停顿0.5-1.0 s,以降低牵张反射和肌腱弹性势能的影响,每次下蹲之间至少休息2 min。

1.5.3 所采集数据预处理
(1)生物学数据:大腿、小腿和足的环节长度以及肌肉厚度与羽状角均测量3次,最终取平均值。
(2)运动学数据:由Simi motion三维解析系统的自动追踪功能获得各标志点的线量和角量等运动学数据,选用DEMPSTER提供的人体模型参数计算环节重心[19]。采用巴特沃斯滤波器对运动学数据进行低通滤波,截止频率为10 Hz。
(3)动力学数据:地面反作用力以及压力中心。采用4阶巴特沃斯滤波器对动力学数据进行低通滤波,截止频率为100 Hz。
(4)肌电数据:下蹲运动时各肌肉的肌电信号和其最大自主等长收缩时的肌电值。采用4阶巴特沃斯滤波器对肌电数据进行带通滤波,频率选择20-400 Hz。
(5)时间标准化:将运动学、动力学和肌电数据进行时间标准化处理,使用Origin 2019软件对数据进行3次样条插值将原始数据插值到101个数据点,0%对应下蹲的开始时刻,100%对应恢复直立时刻。
1.5.4 膝关节力学指标的计算方法
(1)采用逆动力学方法计算膝关节所受合力与关节合力矩[20]。
(2)利用肌骨生物力学模型列出膝关节处力系平衡方程[21],见图4。
此模型忽略了韧带和胫股力产生的力矩,因此产生的膝力矩应等于由髌腱、半腱肌、股二头肌和腓肠肌产生的力矩总和,胫股压力作用在胫骨的纵轴方向上,式(1)为膝关节力矩平衡方程;式(2)为膝关节受力平衡方程:
Mk= Mpt +Mmh +Mbf +Mg (1)
Fk= Ftf +Fpel +Facl +Fpt +Fmh +Fbf +Fg (2)
(3)采用EMG-driven方法计算评估肌肉力:
Fmi=ci·li·vi ·(σi·PCSAi)·(EMGi/MVICi) (3)
其中Fmi为第i块肌肉在进行动作时产生的力;ci为第i块肌肉的权重因子;li为第i块肌肉的力-长因子;vi为第i块肌肉的力-速因子;最大肌肉力等于第i块肌肉的生理横截面积(PCSAi)和每平方厘米肌肉生理横截面积所能产生的最大自主收缩力(σi)的乘积;EMGi为第i块肌肉在做下蹲动作时的肌电振幅值,股四头肌腱的拉力是所有4个股四头肌力的总和,其中股中间肌使用来自股外侧肌和股内侧肌的肌电数据的平均值[22],半膜肌使用半腱肌的肌电值,股二头肌短头使用股二头肌长头肌的肌电值[23];MVICi为第i块肌肉的最大自主等长收缩值;取股四头肌的每生理横截面积所产生的最大自主收缩力(σ)为40 N/cm2,腘绳肌和腓肠肌为
35 N/cm2 [24-25]。
FL=MT·(sinα)-1 (4)
PCSA= MV·(cosα)·FL-1 (5)
PCSA通过式(4)和(5)计算获得。其中FL为肌纤维长度,MT为肌肉厚度,α为肌肉羽状角,MV为肌肉的体积,可通过MIYATANI等[24]的线性回归方程得出。由此根据上述两式可得出PCSA,进而得出每块肌肉所产生的力。
(4)使用优化算法确定权重因子:
(6)
使用MATLAB 2018结合上式得出每个肌肉的权重因子,采用PSO算法,ci取值范围为0.5 < ci < 1.5,结果代入式(6)进行进一步求解。
1.6 主要观察指标 ①动力学指标:膝关节合外力矩(N·m/kg);②膝关节力学指标:胫股关节力、髌股关节力和交叉韧带力(N/kg);③肌肉力学指标:股四头肌力、腘绳肌力、腓肠肌力(N/kg)。以上指标均通过膝关节力学模型求出,且经过体质量标准化后呈现。
1.7 统计学分析 试验数据使用SPSS 22.0进行分析,采用 Shapiro-Wilk test 检验数据是否满足正态分布,之后使用Levene法进行方差齐性检验。对负荷自变量(0%,50%,85% 1RM)和深度自变量(浅、平、深蹲)进行双因素重复测量方差分析,以比较膝关节在不同深度和负荷下的动力学参数差异。如果自变量之间不存在交互效应,则进行主效应分析。显著性水平均设定在0.05。文中所有数据均以x±s表示。该文章统计学方法已经由西安体育学院统计学专家审核。
中国组织工程研究杂志出版内容重点:人工关节;骨植入物;脊柱;骨折;内固定;数字化骨科;组织工程