冰球侧切变向的生物力学差异：基于运动捕捉、肌电与OpenSim建模研究
2026-10-28 来源:本站 点击次数:29
冰球侧切变向的生物力学差异：基于运动捕捉、肌电与OpenSim的建模研究
引言
在冰球竞赛当中，快速侧切变向是运动员摆脱防守、制造进攻空间与得分机会的核心技术动作。冰面低摩擦的特殊环境下，侧切需要连贯完成制动减速、身体重心转移以及二次加速等一系列环节，对运动员下肢多关节协同配合与精细化神经 肌肉调控能力提出极高要求。在同样执行冰上侧切变向时，精英运动员与初学者呈现出截然不同的动作模式，但二者具体在哪些动作细节、肌肉调控策略上存在本质差异，仍有待真实冰场环境下的生物力学实证。
哈尔滨体育学院科研团队于《Scientific Reports》发表题为“Expertise shapes the kinematic and electromyographic characteristics of on ice side cutting in elite versus beginner ice hockey players”的研究。研究立足真实冰场开展原位实验，整合高速运动捕捉、表面肌电（sEMG）测试与 OpenSim 肌骨建模仿真技术，对比精英与初学冰球运动员完成 45° 冰上侧切动作的下肢关节运动学特征与肌肉激活模式，从关节角度变化、全动作周期连续运动波形、肌肉激活水平与关节共激活控制多个维度揭示不同技术水平运动员的生物力学差异，解析高水平运动员高效、稳定侧切动作背后的技术机理，也为冰球运动员分水平专项训练方案制定、运动损伤风险识别提供实验依据。
研究方法
本研究从外在动作姿态、内在肌肉调控双维度开展分析：关节角度刻画肢体姿态变化，表面肌电表征肌肉激活特征。研究不只比较动作峰值，还利用连续时序曲线识别差异所处的动作时段。研究将侧切划分为重心转移、蹬伸、滑行 再加速三个阶段，为解读生物力学指标的动态变化建立统一参照。
运动学上，通过反光标记点采集运动轨迹，在 OpenSim4.3 中缩放个体肌骨模型，逆运动学计算髋、膝、踝关节角度；受实验条件限制未采集冰面反力，无法得到关节力矩与内部组织负荷。肌电采集优势侧右腿 7 块下肢肌肉，信号经处理后计算 RMS、IEMG、关节共激活指数 CI；肌电参数仅代表激活特征，不等同于肌肉力量和实际代谢消耗。
研究招募了30名男性冰球运动员，其中优秀组15人，达到国家运动健将水平；初学组15人，处于基础技能发展阶段。两组平均年龄均约18岁，平均训练年限分别为6.4年和1.37年；所有参与者均为右腿优势侧。
1. 冰上动作测试：参与者穿着自己的冰鞋，在直线滑行后，以右腿发起向左的45°侧切变向。速度由个人选择，要求在保持稳定和控制的前提下尽可能快地完成动作；
2. 重复采集与同步记录：每位参与者完成5次成功试次，试次间休息60秒。运动学与肌电数据同步采集，再对个人的有效试次取平均，避免把重复试次当作独立参与者；
3. 组间比较：研究使用独立样本t检验比较关节峰值及肌电指标，并采用一维统计参数映射SPM1D分析归一化到0—100%的动作曲线，从而定位差异出现的具体时段。
研究结果
髋关节：更大屈曲幅度，差异化旋转控制策略
图2为髋关节角度变化对比曲线，包含髋屈伸、髋收展、髋内 外旋转三组时序轨迹。精英组在动作前半程维持更大的髋关节屈曲角度。根据原文表1（原文Table1）数据，精英组髋屈曲峰值为76.25 ± 4.04°，初学者组为55.41 ± 2.94°；髋内旋峰值精英组23.98 ± 1.37°、初学者组14.71 ± 2.74°，两项指标组间差异均具有统计学意义（P＜0.01）。
髋收展角度曲线显示，在动作周期0 30%区间，精英组髋外展幅度更小，表现出相对更大的髋内收姿态。综合屈曲、旋转时序曲线可见，完成侧切变向时，两组运动员采用完全不同的髋关节运动控制模式。
膝关节：屈曲差异集中于动作早期，末期膝外翻程度更低
图3为膝关节角度变化对比曲线，包含膝屈伸、膝内翻 外翻两组时序轨迹。膝关节屈伸角度，在动作周期0 27%区间，精英组膝关节屈曲角度显著大于初学者组。原文表1（原文Table1）显示，精英组膝屈曲峰值80.69 ± 1.77°，初学者组69.68 ± 2.80°（P＜0.01）。
膝关节内翻 外翻角度，两组运动员侧切过程均出现膝外翻姿态；在动作周期87 100%阶段，精英组膝外翻幅度显著低于初学者组。但膝关节内、外翻峰值角度的组间对比无统计学差异（P＝0.36，原文Table1）。这体现了离散峰值指标与连续波形分析反映不同信息：即使峰值水平接近，关节在动作某一特定时相依然可以存在明显差异。
踝关节：运动学未见组间统计学差异
图4为踝关节背屈 跖屈角度时序对比曲线。从曲线形态可见精英组与初学者组踝关节角度轨迹整体高度重合。表 1中，精英组踝背屈峰值 18.82 ± 1.17°，初学者组 19.58 ± 2.47°，组间差异无统计学意义（P＝0.55）。说明在本实验任务与受试样本条件下，技术水平带来的运动学差异主要集中于髋、膝关节，并非全部下肢关节均出现组间分化。
表面肌电结果：部分肌肉激活水平降低，同时存在选择性激活增强
肌肉归一化均方根值（RMS）、积分肌电（IEMG）、关节共激活指数（CI）统计结果见表 2。Elite group 代表精英组，Beginner group 代表初学者组，全部统计数值沿用原文报告结果。
数据显示，精英组股直肌、股内侧肌、腓肠肌内侧头、胫骨前肌的 RMS 与 IEMG 均显著低于初学者组。其中股直肌 RMS：精英组 0.21 ± 0.01，初学者组 0.27 ± 0.03；股直肌 IEMG：精英组 0.13 ± 0.01，初学者组 0.20 ± 0.02，两项指标均为 P＜0.01。
该结果表明更高技术水平伴随部分肌肉更低的激活需求，但并不代表 “肌肉激活越低越好”：精英组腓肠肌外侧头 RMS 反而显著更高；股外侧肌、股二头肌各项肌电指标未观察到稳定组间差异。说明两组之间是整体肌肉激活分配模式不同，而非单纯的肌肉全面抑制。
结论与展望
本研究整合冰上原位动作测试、表面肌电采集与OpenSim肌骨建模仿真技术，探究不同技术水平冰球运动员45°冰上侧切变向的生物力学特征。研究发现，精英运动员完成侧切动作时呈现出更大的髋、膝关节屈曲角度，具备差异化的髋关节旋转控制模式，同时表现出非均衡的肌肉激活特征：部分下肢肌肉激活水平更低，特定肌肉激活程度选择性升高。相较于传统仅依靠关节、肌电峰值开展分析的手段，一维统计参数映射的连续时序曲线分析，能够精准定位组间生物力学差异所处的具体动作时相，更加完整地揭示变向全过程的动作控制规律。
本研究仍存在局限性：
1.受试者均来自同一机构，且全部为男性，每组样本量仅15例；
2.实验未严格匹配两组运动员入弯滑行速度，受试者多年累积训练经历也属于重要混杂变量；
3.受实验条件与护具干扰，缺少冰面地面反作用力数据，未能采集臀肌等关键髋周肌群的肌电信号；
未来研究可进一步扩大受试样本范围，纳入不同性别、不同层级运动员，采用速度匹配的实验方案；结合传感冰刀获取动力学数据，补充髋周核心肌群的肌电采集，以此剥离滑行速度、身体基础条件对生物力学指标的干扰。在此基础上开展训练干预类研究，验证训练手段的实际效果，能够为冰球运动员专项技术优化、损伤风险防控提供更加坚实的实验依据。
原文信息及链接
Yu Z, Bi G, Qin Y, et al. Expertise shapes the kinematic and electromyographic characteristics of on-ice side-cutting in elite versus beginner ice hockey players[J]. Scientific Reports, 2026, 16(1): 8913.
DOI: 10.1038/s41598-026-42201-y.
研究团队介绍
该研究哈尔滨体育学院冰雪运动生物力学团队完成，团队深耕冰雪项目生物力学领域，擅长冰上原位动作捕捉、表面肌电测试与肌骨仿真建模。立足真实冰场环境，聚焦冰球技术动作、神经肌肉控制以及运动损伤风险探究。本研究得到黑龙江省省属高校基本科研业务费支持，希望通过生物力学数据，为冰球运动员专项训练提供科学参考。
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引言
在冰球竞赛当中，快速侧切变向是运动员摆脱防守、制造进攻空间与得分机会的核心技术动作。冰面低摩擦的特殊环境下，侧切需要连贯完成制动减速、身体重心转移以及二次加速等一系列环节，对运动员下肢多关节协同配合与精细化神经 肌肉调控能力提出极高要求。在同样执行冰上侧切变向时，精英运动员与初学者呈现出截然不同的动作模式，但二者具体在哪些动作细节、肌肉调控策略上存在本质差异，仍有待真实冰场环境下的生物力学实证。
哈尔滨体育学院科研团队于《Scientific Reports》发表题为“Expertise shapes the kinematic and electromyographic characteristics of on ice side cutting in elite versus beginner ice hockey players”的研究。研究立足真实冰场开展原位实验，整合高速运动捕捉、表面肌电（sEMG）测试与 OpenSim 肌骨建模仿真技术，对比精英与初学冰球运动员完成 45° 冰上侧切动作的下肢关节运动学特征与肌肉激活模式，从关节角度变化、全动作周期连续运动波形、肌肉激活水平与关节共激活控制多个维度揭示不同技术水平运动员的生物力学差异，解析高水平运动员高效、稳定侧切动作背后的技术机理，也为冰球运动员分水平专项训练方案制定、运动损伤风险识别提供实验依据。
文章信息
研究方法
本研究从外在动作姿态、内在肌肉调控双维度开展分析：关节角度刻画肢体姿态变化，表面肌电表征肌肉激活特征。研究不只比较动作峰值，还利用连续时序曲线识别差异所处的动作时段。研究将侧切划分为重心转移、蹬伸、滑行 再加速三个阶段，为解读生物力学指标的动态变化建立统一参照。
图1 冰上侧切动作阶段（上：冠状面；下：矢状面）
运动学上，通过反光标记点采集运动轨迹，在 OpenSim4.3 中缩放个体肌骨模型，逆运动学计算髋、膝、踝关节角度；受实验条件限制未采集冰面反力，无法得到关节力矩与内部组织负荷。肌电采集优势侧右腿 7 块下肢肌肉，信号经处理后计算 RMS、IEMG、关节共激活指数 CI；肌电参数仅代表激活特征，不等同于肌肉力量和实际代谢消耗。
研究招募了30名男性冰球运动员，其中优秀组15人，达到国家运动健将水平；初学组15人，处于基础技能发展阶段。两组平均年龄均约18岁，平均训练年限分别为6.4年和1.37年；所有参与者均为右腿优势侧。
1. 冰上动作测试：参与者穿着自己的冰鞋，在直线滑行后，以右腿发起向左的45°侧切变向。速度由个人选择，要求在保持稳定和控制的前提下尽可能快地完成动作；
2. 重复采集与同步记录：每位参与者完成5次成功试次，试次间休息60秒。运动学与肌电数据同步采集，再对个人的有效试次取平均，避免把重复试次当作独立参与者；
3. 组间比较：研究使用独立样本t检验比较关节峰值及肌电指标，并采用一维统计参数映射SPM1D分析归一化到0—100%的动作曲线，从而定位差异出现的具体时段。
研究结果
髋关节：更大屈曲幅度，差异化旋转控制策略
图2为髋关节角度变化对比曲线，包含髋屈伸、髋收展、髋内 外旋转三组时序轨迹。精英组在动作前半程维持更大的髋关节屈曲角度。根据原文表1（原文Table1）数据，精英组髋屈曲峰值为76.25 ± 4.04°，初学者组为55.41 ± 2.94°；髋内旋峰值精英组23.98 ± 1.37°、初学者组14.71 ± 2.74°，两项指标组间差异均具有统计学意义（P＜0.01）。
髋收展角度曲线显示，在动作周期0 30%区间，精英组髋外展幅度更小，表现出相对更大的髋内收姿态。综合屈曲、旋转时序曲线可见，完成侧切变向时，两组运动员采用完全不同的髋关节运动控制模式。
图2 髋关节屈伸、内外收与旋转曲线（从左至右）
膝关节：屈曲差异集中于动作早期，末期膝外翻程度更低
图3为膝关节角度变化对比曲线，包含膝屈伸、膝内翻 外翻两组时序轨迹。膝关节屈伸角度，在动作周期0 27%区间，精英组膝关节屈曲角度显著大于初学者组。原文表1（原文Table1）显示，精英组膝屈曲峰值80.69 ± 1.77°，初学者组69.68 ± 2.80°（P＜0.01）。
图3 膝屈伸（左）与内外翻（右）的运动曲线
膝关节内翻 外翻角度，两组运动员侧切过程均出现膝外翻姿态；在动作周期87 100%阶段，精英组膝外翻幅度显著低于初学者组。但膝关节内、外翻峰值角度的组间对比无统计学差异（P＝0.36，原文Table1）。这体现了离散峰值指标与连续波形分析反映不同信息：即使峰值水平接近，关节在动作某一特定时相依然可以存在明显差异。
踝关节：运动学未见组间统计学差异
图4为踝关节背屈 跖屈角度时序对比曲线。从曲线形态可见精英组与初学者组踝关节角度轨迹整体高度重合。表 1中，精英组踝背屈峰值 18.82 ± 1.17°，初学者组 19.58 ± 2.47°，组间差异无统计学意义（P＝0.55）。说明在本实验任务与受试样本条件下，技术水平带来的运动学差异主要集中于髋、膝关节，并非全部下肢关节均出现组间分化。
图4 踝背屈与跖屈角度曲线
表1 两组运动员执行动作时的峰值关节角度
表面肌电结果：部分肌肉激活水平降低，同时存在选择性激活增强
肌肉归一化均方根值（RMS）、积分肌电（IEMG）、关节共激活指数（CI）统计结果见表 2。Elite group 代表精英组，Beginner group 代表初学者组，全部统计数值沿用原文报告结果。
数据显示，精英组股直肌、股内侧肌、腓肠肌内侧头、胫骨前肌的 RMS 与 IEMG 均显著低于初学者组。其中股直肌 RMS：精英组 0.21 ± 0.01，初学者组 0.27 ± 0.03；股直肌 IEMG：精英组 0.13 ± 0.01，初学者组 0.20 ± 0.02，两项指标均为 P＜0.01。
表2 标准化肌肉均方根 (RMS)、积分肌电图 (IEMG) 和膝/踝关节共激活指数 (CI)（平均值±SD）
该结果表明更高技术水平伴随部分肌肉更低的激活需求，但并不代表 “肌肉激活越低越好”：精英组腓肠肌外侧头 RMS 反而显著更高；股外侧肌、股二头肌各项肌电指标未观察到稳定组间差异。说明两组之间是整体肌肉激活分配模式不同，而非单纯的肌肉全面抑制。
结论与展望
本研究整合冰上原位动作测试、表面肌电采集与OpenSim肌骨建模仿真技术，探究不同技术水平冰球运动员45°冰上侧切变向的生物力学特征。研究发现，精英运动员完成侧切动作时呈现出更大的髋、膝关节屈曲角度，具备差异化的髋关节旋转控制模式，同时表现出非均衡的肌肉激活特征：部分下肢肌肉激活水平更低，特定肌肉激活程度选择性升高。相较于传统仅依靠关节、肌电峰值开展分析的手段，一维统计参数映射的连续时序曲线分析，能够精准定位组间生物力学差异所处的具体动作时相，更加完整地揭示变向全过程的动作控制规律。
本研究仍存在局限性：
1.受试者均来自同一机构，且全部为男性，每组样本量仅15例；
2.实验未严格匹配两组运动员入弯滑行速度，受试者多年累积训练经历也属于重要混杂变量；
3.受实验条件与护具干扰，缺少冰面地面反作用力数据，未能采集臀肌等关键髋周肌群的肌电信号；
未来研究可进一步扩大受试样本范围，纳入不同性别、不同层级运动员，采用速度匹配的实验方案；结合传感冰刀获取动力学数据，补充髋周核心肌群的肌电采集，以此剥离滑行速度、身体基础条件对生物力学指标的干扰。在此基础上开展训练干预类研究，验证训练手段的实际效果，能够为冰球运动员专项技术优化、损伤风险防控提供更加坚实的实验依据。
原文信息及链接
Yu Z, Bi G, Qin Y, et al. Expertise shapes the kinematic and electromyographic characteristics of on-ice side-cutting in elite versus beginner ice hockey players[J]. Scientific Reports, 2026, 16(1): 8913.
DOI: 10.1038/s41598-026-42201-y.
研究团队介绍
该研究哈尔滨体育学院冰雪运动生物力学团队完成，团队深耕冰雪项目生物力学领域，擅长冰上原位动作捕捉、表面肌电测试与肌骨仿真建模。立足真实冰场环境，聚焦冰球技术动作、神经肌肉控制以及运动损伤风险探究。本研究得到黑龙江省省属高校基本科研业务费支持，希望通过生物力学数据，为冰球运动员专项训练提供科学参考。
关于维拓启创
维拓启创（北京）信息技术有限公司成立于2006年，是一家专注于脑科学、康复工程、人因工程、心理学、体育科学等领域的科研解决方案供应商。公司与国内外多所大学、研究机构、企业长期保持合作关系，致力于将优质的产品、先进的技术和服务带给各个领域的科研工作者，为用户提供有竞争力的方案和服务，协助用户的科研工作，持续提升使用体验。
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