運動生物力學視角下殘疾人體育競技表現(xiàn)提升研究進展

孫 冬，趙 亮，黃 瑩，宋 楊，梅齊昌，李建設(shè)，顧耀東

（1.寧波大學 體育學院，浙江 寧波 315211；2.中國殘疾人體育運動管理中心，北京 101318）

近年來，隨著“科技助力殘奧”理念的提出以及殘疾人競技體育的快速發(fā)展，國內(nèi)外聚焦殘疾運動員競技表現(xiàn)提升的運動生物力學研究不斷涌現(xiàn)。現(xiàn)有研究結(jié)合殘疾運動員身體特征、項目分級、技戰(zhàn)術(shù)特點、人-器械-界面耦合及假肢護具優(yōu)化等方面開展生物力學分析（Bur‐kett，2010；Luigi，2018）。在殘疾人競技體育領(lǐng)域，運動生物力學分析有助于厘清殘疾程度對運動表現(xiàn)影響的內(nèi)在機制，并尋求最優(yōu)的技術(shù)動作以及契合殘疾運動員需求的輔具裝備（Keogh，2011）。隨著運動生物力學、人體工學、材料科學等多學科交叉研發(fā)水平不斷提升，殘疾運動裝備輔具科技快速發(fā)展。2008年北京夏季殘奧會，“刀鋒戰(zhàn)士”奧斯卡著碳纖維假肢參加短跑比賽的成績?nèi)〉脷v史突破，特制的碳纖維假肢能量回歸（energy-return）的表現(xiàn)高于健側(cè)肢體（馮毅 等，2014；Burkett，2010）。

在“更高、更快、更強”的奧林匹克格言下，適用于普通運動員的標準器械可能會抑制殘疾運動員競技表現(xiàn)。為滿足殘疾運動員競技需求，運動輪椅和假肢生物力學研發(fā)的新技術(shù)層出不窮，殘疾人運動裝備輔具設(shè)計改變了傳統(tǒng)的運動科學思維模式（Morri?n et al.，2016）。基于殘疾運動員身體機能特點，運動輪椅已廣泛應(yīng)用于田徑等個人項目以及輪椅籃球、輪椅橄欖球等團體項目。輪椅運動表現(xiàn)受運動員、輪椅以及運動員-輪椅相互作用這3個因素影響（Tang et al.，2018）。在運動裝備輔具技術(shù)不斷進步以及生物力學設(shè)計不斷優(yōu)化的背景下，基于殘疾運動員個性化特征的裝備及輔具設(shè)計將更多地應(yīng)用于高水平競賽。

在東京奧運會和北京冬奧會的嚴峻局勢和挑戰(zhàn)下（陳小平，2018），本文對近年來運動生物力學助力殘疾人競技體育的研究成果進行了系統(tǒng)的梳理和總結(jié)，厘清運動生物力學視角下殘疾人競技運動表現(xiàn)提升的途徑、不足及未來研究展望，為快速提升我國科技助力殘疾人競技體育提供學科支撐。

1 文獻檢索及梳理方法

1.1 文獻檢索策略

外文數(shù)據(jù)庫主要選取Web of Science、Scopus、PubMed、Google Scholar、EBSCO等，檢索時間范圍為1995年1月1日—2019年8月31日。使用布爾邏輯詞“AND”“OR”連接各檢索詞，包括“Paralympic/Paralympics Biome‐chanics”AND“Paralympic/Paralympics Sports Biomechan‐ics”O(jiān)R“Paralympic/Paralympics Sports Performance”O(jiān)R“Paralympic/Paralympics Athlete”O(jiān)R“Paralympic/Paralym‐pics Athlete Performance”O(jiān)R“Paralympic/Paralympics Sports Injury”O(jiān)R“Paralympic/Paralympics Classification”O(jiān)R“Paralympic/Paralympics Prosthesis/Sports Equipment”。 中文數(shù)據(jù)庫主要選取中國知網(wǎng)、維普期刊等，檢索時間范圍為1995年1月1日—2019年8月31日。檢索關(guān)鍵詞為“殘疾人”或含“競技”“生物力學”“運動表現(xiàn)”“殘疾運動員”“分級”“假肢”“運動裝備”。檢索設(shè)定在題目、摘要和關(guān)鍵詞。

1.2 文獻篩選標準

共檢索出英文文獻468篇，中文文獻15篇，2位作者分別獨立對檢索文獻的標題、摘要及全文進行交叉檢驗核對，以確保全文至少一處包含上述關(guān)鍵詞。經(jīng)重復(fù)性篩查剔除重復(fù)文獻122篇，經(jīng)關(guān)鍵詞審查剔除文獻243篇。2名作者參考以下篩選標準對關(guān)鍵詞和重復(fù)性審查所得的外文文獻進行進一步篩選剔除：1）會議論文；2）綜述性論文；3）選取受試者非競技殘疾人運動員；4）研究項目非夏季殘奧會/冬季殘奧會正式比賽項目；5）未經(jīng)同行評議的研究論文。最終選取相關(guān)研究文獻共50篇。文獻檢索及篩選流程如圖1所示。

圖1 文獻檢索及篩選流程Figure 1.Flowchart of the Literature Inclusion and Exclusion Process

2 文獻檢索結(jié)果分析

結(jié)合篩選出的50篇研究文獻，從運動生物力學研究視角，將涉及的殘疾人競技體育分為站姿類項目和坐姿類項目（Weiler et al.，2016）。由2位作者獨立對這50篇中、英文研究文獻進行全文閱讀分類，提取關(guān)鍵研究信息，不一致信息由第3位作者做出判斷，并達成一致意見。當前運動生物力學助力殘疾運動員競技體育表現(xiàn)的研究主要聚焦于：1）殘疾運動員技術(shù)動作的生物力學分析；2）殘疾運動員分級的生物力學實證依據(jù)；3）殘疾運動員損傷預(yù)防的生物力學機制；4）運動器械/輔具/裝備與運動員及界面耦合的生物力學研究。

納入的50篇研究文獻中，涉及夏季項目的研究為40項（占80%）；涉及冬季項目的研究為10項（占20%），夏季項目研究數(shù)量明顯多于冬季。23項研究在競賽現(xiàn)場開展。站姿項目研究25項，其中，跑步項目18項（表1），跳躍項目7項（表2）；坐姿項目研究25項，其中，夏季坐姿類項目15項（表3），冬季坐姿類項目10項（表4）。25項站姿類項目研究均為夏季項目，未涉及冬季站姿類項目相關(guān)運動生物力學研究。

3 站姿類項目運動生物力學研究進展

3.1 田徑站姿類項目（跑步）

田徑站姿類項目（跑步）相關(guān)研究共納入18項。經(jīng)脛骨截肢（trans-tibial amputation，TTA）運動員數(shù)量高于經(jīng)股骨截肢（trans-femoral amputation，TFA）。研究主要涉及短跑項目起跑與彎道技術(shù)分析和運動假肢生物力學功能。

3.1.1 起跑與彎道技術(shù)生物力學分析

Bezodis等（2018）對單側(cè)下肢截肢運動員在短跑起跑準備時總將健側(cè)下肢前置的起跑動作進行研究，發(fā)現(xiàn)健側(cè)在前起跑時，合力約增加6%。彎道跑技術(shù)在200 m和400 m短跑項目中占重要地位。在田徑比賽中，彎道跑為逆時針，即左側(cè)下肢靠近彎道內(nèi)側(cè)。Funken等（2017）對2015年殘疾人田徑世錦賽和2016年夏殘奧會200 m和400 m決賽前8名運動員進行分析，發(fā)現(xiàn)左側(cè)下肢截肢運動員的數(shù)量明顯少于右側(cè)下肢截肢者。與右側(cè)截肢相比，左側(cè)截肢運動員在較小的彎道半徑（17.2 m）內(nèi)的跑速和運動表現(xiàn)顯著降低（Taboga et al.，2016）。Funken等（2017）對1名左側(cè)TTA 200 m跑殘奧冠軍順時針和逆時針的彎道沖刺下肢生物力學參數(shù)進行測量，發(fā)現(xiàn)逆時針彎道跑時，假肢側(cè)平均垂直地面反作用力（gorund reaction force，GRF）和垂直沖量（impulse）均較低，彎道沖刺的表現(xiàn)和提速能力取決于截肢側(cè)相對于彎道的內(nèi)外側(cè)位置。

3.1.2 運動假肢生物力學功能研究

隨著材料科學和人體工學的發(fā)展，截肢運動員在跑步比賽中多使用碳纖維跑步專用假肢（running-specific pros‐theses，RSP）（Beck et al.，2018；Bezodis et al.，2018）。假肢無法產(chǎn)生肌力，缺少觸覺信息反饋，且跑步假肢無法實現(xiàn)剛度實時調(diào)節(jié)，主要通過健側(cè)適應(yīng)運動界面以調(diào)整跑速（Beck et al.，2017；Funken et al.，2017，）。由于碳纖維運動假肢具有類似彈簧的特性，部分殘疾運動員短跑成績與頂尖普通運動員十分相近，因此，該類型假肢的使用也一度引發(fā)爭議。Beck等（2018）對1名T44分級男性單側(cè)TTA殘奧100 m（10.61 s）和200 m（21.27 s）短跑冠軍穿著RSP進行跑臺遞增跑速的生物力學分析發(fā)現(xiàn)，其峰值跑速可達到11.55 m/s。與已有研究不同，該研究發(fā)現(xiàn)該運動員在2.87～11.55 m/s的遞增跑速范圍內(nèi)，假肢側(cè)與健側(cè)下肢剛度（leg stiffness）無顯著性差異；增加下肢剛度可縮短觸地時間且提高跑速。Beck等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，假肢側(cè)在短跑過程中降低的下肢剛度可能與減小的垂直GRF及高速狀態(tài)下較大程度的垂直位移相關(guān)。

被譽為“刀鋒戰(zhàn)士”的著名的雙側(cè)截肢T44級別短跑運動員奧斯卡·皮斯托瑞斯（Oscar Pistorius）的運動能力和競技水平甚至超過大部分頂級普通精英運動員（馮毅等，2014）。Burkett等（2011）和Weyand等（2009）對奧斯卡著特制運動假肢在最大力直線沖刺過程中的時空參數(shù)以及下肢運動學和動力學特征進行測試（圖2），發(fā)現(xiàn)奧斯卡沖刺跑支撐期時間延長約14%，而擺動期時間縮短約34%，步態(tài)周期時長縮短了約20%。從動力學角度分析，奧斯卡的垂直GRF顯著降低；假肢踝關(guān)節(jié)的能量回歸效率高達91%，而健側(cè)踝關(guān)節(jié)能量回歸效率僅約41%。上述研究從運動生物力學角度闡釋了雙側(cè)截肢運動員在特定運動假肢幫助下能夠取得比肩同級別普通運動員成績的原因。

表1 田徑站姿類項目（跑步）運動生物力學研究關(guān)鍵信息提取Table 1 Key Biomechanical Information of Standing Track and Field Sports（Running）

（續(xù)表1）

圖2 雙側(cè)截肢運動員與普通運動員跑步能量回歸效率及步態(tài)周期對比（Burkett et al.，2011；Weyand et al.，2009）Figure 2.The Energy Return Efficiency and Gait Cycle Comparison between Double Side Amputee and Normal Athletes

由于運動假肢無法提供本體感受反饋“踝”關(guān)節(jié)或“足”的位置，因此，運動假肢可能會降低短跑時保持平衡的能力。適當降低單側(cè)TFA運動員假肢側(cè)的膝關(guān)節(jié)中心位置可提高雙側(cè)下肢對稱性，從而提高跑速（Schmalz et al.，2017）。相較個性化假肢，通用運動假肢可能會增加運動員雙側(cè)下肢不對稱性，不利于運動表現(xiàn)的提高。隨著跑速增加，單側(cè)TTA運動員側(cè)向穩(wěn)定控制功能減弱，而使用跑步專用運動假肢可為單側(cè)TTA短跑運動員提供代償性的雙足姿態(tài)控制策略，提高沖刺狀態(tài)下的側(cè)向穩(wěn)定性（Arellano et al.，2015；Dyer et al.，2015）。

表2 田徑站姿類項目（跳躍）運動生物力學研究關(guān)鍵信息提取Table 2 Key Biomechanical Information of Standing Track and Field Sports（Jumping）

3.1.3 小結(jié)

在起跑與彎道技術(shù)優(yōu)化層面，單側(cè)截肢運動員起跑時，應(yīng)將健側(cè)置前，以提高起跑合力、提升起跑表現(xiàn)。彎道運動表現(xiàn)很大程度上取決于假肢側(cè)相對于彎道內(nèi)側(cè)的位置，當假肢側(cè)靠近彎道內(nèi)側(cè)時，彎道運動表現(xiàn)顯著降低。探索假肢側(cè)位置對彎道運動表現(xiàn)和生物力學特征的影響，對科學分級、優(yōu)化跑步假肢設(shè)計、合理安排短跑技戰(zhàn)術(shù)等方面具有重要意義。RSP的出現(xiàn)提高了殘疾人跑步表現(xiàn)和競技水平，相較健側(cè)肢體，其能量回歸效率顯著提升，明顯縮短步態(tài)周期。但碳纖維運動假肢也同時存在下肢剛度無法主動調(diào)節(jié)以及平衡控制能力降低的問題，可通過對假肢側(cè)關(guān)節(jié)中心位置的個性化調(diào)整，增強側(cè)向穩(wěn)定性，提高運動表現(xiàn)。

3.2 田徑站姿類項目（跳躍）

碳纖維運動假肢被廣泛應(yīng)用于殘疾人跳遠項目，2016年夏殘奧會T44級別跳遠項目決賽的10名運動員均使用碳纖維運動假肢。單側(cè)截肢運動員使用碳纖維運動假肢在跳遠項目中跳出了8.48 m，這一成績在近3屆（2008年、2012年、2016年）奧運會男子跳遠比賽中也可拔得頭籌（Funken et al.，2019a）。跳躍項目成績的提高與運動假肢技術(shù)進步密不可分。對跳躍項目助跑、起跳等階段的生物力學機制進行研究，對于理解運動員如何適應(yīng)運動假肢并優(yōu)化跳遠技術(shù)十分關(guān)鍵（Willwacher et al.，2017）。

3.2.1 助跑技術(shù)分析

由于假肢側(cè)與健側(cè)不對稱及假肢側(cè)垂直GRF在沖刺跑過程中偏低，有學者據(jù)此推測，在跳遠助跑階段假肢側(cè)無法募集足夠的垂直沖量，并會產(chǎn)生代償效應(yīng)降低跳遠運動表現(xiàn)。Willwacher等（2017）對3名頂尖單側(cè)TTA運動員和7名頂尖普通運動員助跑和起跳階段的下肢運動學和動力學參數(shù)進行測試分析，發(fā)現(xiàn)兩組運動員跳遠距離幾乎無差異（7.26±0.77 mvs.7.27±0.45 m）。TTA組助跑平均速度比普通組低7.6%，但TTA運動員雙側(cè)下肢的垂直GRF并無顯著性差異，同時由于RSP側(cè)具有較高的能量回歸效率，可代償TTA組因較低助跑速度而產(chǎn)生的水平加速度損失。TTA運動員殘肢端越長，肌肉殘余功能越強，能提供更長的力臂，有利于助跑動作運動表現(xiàn)提升。

表3 夏季坐姿類項目運動生物力學研究關(guān)鍵信息提取Table 3 Key Biomechanical Information of Sitting Summer Sport

表4 冬季坐姿類項目運動生物力學研究關(guān)鍵信息提取Table 4 Key Biomechanical Information of Sitting Winter Sport

3.2.2 起跳技術(shù)分析

2004年夏殘奧會跳遠決賽前10名運動員中，有5名運動員以假肢為起跳腿，5名運動員以健側(cè)為起跳腿，假肢側(cè)起跳的平均成績比健側(cè)起跳遠0.08 m（Nolan et al.，2008）。對假肢側(cè)和健側(cè)作為起跳腿的下肢生物力學分析發(fā)現(xiàn)，假肢側(cè)作起跳腿時，髖關(guān)節(jié)矢狀面內(nèi)的活動范圍更小，而膝關(guān)節(jié)剛度更大。Nolan等（2012）對比10名單側(cè)TTA運動員分別用假肢側(cè)和健側(cè)作起跳腿的蹬離動作，發(fā)現(xiàn)起跳過程兩側(cè)關(guān)節(jié)活動度和起跳水平速度呈顯著性差異。研究發(fā)現(xiàn)，單側(cè)TTA跳遠運動員使用假肢側(cè)起跳蹬離時的離地角度、身體重心（center of mass，COM）軌跡變化等關(guān)鍵生物力學參數(shù)與普通跳遠運動員極為相似（Funken et al.，2019b；Willwacher et al.，2017）。Funken等（2019b）對單側(cè)TTA運動員與普通運動員跳遠起跳動作的運動學對比研究發(fā)現(xiàn)，在兩組運動員跳遠距離相同的情況下，TTA組假肢側(cè)作起跳腿時的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)活動度降低，起跳前重心位置下降得更低，假肢側(cè)塌陷時間更長。與普通運動員相比，截肢運動員將起跳水平速度轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪彼俣鹊倪\動學機制不同（Funken et al.，2019b）。

3.2.3 小結(jié)

碳纖維運動假肢技術(shù)的進步極大地提高了殘疾運動員跳躍運動表現(xiàn)。助跑階段，使用假肢降低助跑速度，同時假肢側(cè)的能量回歸效率顯著高于健側(cè)，在一定程度上代償由于助跑速度降低而導(dǎo)致的水平加速度損失。起跳階段，假肢側(cè)作為起跳腿時重心位置下降更低，假肢塌陷時間延長，膝關(guān)節(jié)活動度降低，關(guān)節(jié)剛度增加，與健側(cè)起跳相比，能夠提升跳遠運動表現(xiàn)。以上研究闡釋了高科技運動假肢提升跳躍運動表現(xiàn)的生物力學機制。運動假肢科技含量的提升，個性化適配以及科學化訓練是影響殘疾運動員跳躍表現(xiàn)的重要因素。

4 坐姿類項目運動生物力學研究進展

4.1 夏季坐姿類項目

夏季坐姿類項目運動生物力學研究主要圍繞坐姿投擲類項目（如鐵餅、鉛球、擲棒等）、輪椅競速類項目（如100 m、200 m）和輪椅對抗類項目（如籃球、乒乓球等）展開，同時并基于輪椅運動功能及生物力學表現(xiàn)，構(gòu)建基于實證的分級體系。

4.1.1 坐姿投擲類項目研究

坐姿投擲類項目涵蓋11個級別，包括肌強直、共濟失調(diào)、肌力喪失、肢體缺陷或活動范圍受限等。脊髓損傷運動員參加F51～F54級別的比賽，級別越低，損傷程度越嚴重（Hyde et al.，2016）。以上級別運動員參加的標槍、鐵餅和鉛球等投擲項目的比賽規(guī)則與普通運動員類似，但使用的是定制的投擲凳，因此投擲技術(shù)與普通運動員不同。Frossard（2012）對114名不同級別和性別的殘奧投擲運動員比賽期間的運動表現(xiàn)與分級相關(guān)性進行研究，采用比較矩陣、離散數(shù)值法分析發(fā)現(xiàn)，運動成績與級別高度相關(guān)。目前，坐姿投擲項目運動學研究常采用雙攝像定點拍攝法。Frossard等（2007）研究發(fā)現(xiàn)，坐姿鐵餅投擲出手階段軀干、肩關(guān)節(jié)和前臂的較高角速度是投擲運動表現(xiàn)的重要影響因素。評估脊髓損傷運動員軀干和手臂力量障礙對投擲成績的影響，對建立基于實證的分級系統(tǒng)十分關(guān)鍵。對脊髓損傷坐姿投擲項目運動員軀干及上肢力量因素與運動表現(xiàn)關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，握力及軀干屈肌群力量與投擲出手速度呈顯著正相關(guān)（Frossard et al.，2012a，2012b）。

4.1.2 輪椅競速類項目研究

輪椅競速過程中的運動生物力學測量與分析，有助于優(yōu)化運動技術(shù)，尋求影響輪椅競速表現(xiàn)的關(guān)鍵生物力學參數(shù)，并為運動輪椅改良設(shè)計提供參考?，F(xiàn)有競賽規(guī)則不允許在運動輪椅上粘貼任何傳感器，因此，在獲取輪椅競速運動員動力學參數(shù)方面存在一定限制。Barbosa等（2017）對2016年夏殘奧會T54級別男子輪椅競速100 m冠軍進行身體參數(shù)和運動學參數(shù)采集，構(gòu)建數(shù)學分析模型預(yù)測該運動員動力學特征。模型包括輪椅運動中的滾動摩擦力、阻力、運動員能量輸出和能量輸入的估算，忽略輪椅軸承摩擦力。通過模型預(yù)測，得到60 kg選手及輪椅進行100 m沖刺測試達到峰值速度6.97 m/s時，滑動摩擦力和阻力占比分別為54%和46%。研究通過實驗測試獲得運動學參數(shù)，通過數(shù)學分析模型預(yù)測動力學特征，可作為動力學的補充測試手段。

4.1.3 輪椅對抗類項目研究

輪椅運動表現(xiàn)除受自身能力限制外，運動輪椅的科技含量、適配和個性化也是影響殘疾運動員運動成績的主要因素（Burkett，2010）。輪椅乒乓球?qū)\動輪椅移動的靈活性和穩(wěn)定性均有較高需求，通過對輪椅進行調(diào)整可增加運動員的活動范圍，提高舒適性和穩(wěn)定性（王玉明等，2017）。對輪椅坐墊和扶手的壓力分布進行測量，可為運動輪椅改良設(shè)計提供依據(jù)，避免長時間訓練和比賽中可能出現(xiàn)的運動損傷（Tang et al.，2018）。研究發(fā)現(xiàn)，運動員姿勢不平衡可能導(dǎo)致坐墊壓力分布不均，造成臀肌局部壓力過載，引發(fā)壓瘡等損傷?；谳喴畏鍪謮毫鞲衅鳒y量和運動員主觀反饋，對輪椅扶手進行調(diào)整后，運動輪椅的舒適性和穩(wěn)定性有了明顯的改善，并可擴大活動范圍（Costa et al.，2009；Tang et al.，2018）。

4.1.4 輪椅運動員實證分級體系研究

輪椅運動員脊髓損傷同時影響軀干、骨盆和臀部肌肉，損害坐姿穩(wěn)定性。運動員通常通過兩種方式增加坐姿穩(wěn)定性：1）使用綁帶捆扎骨盆及軀干；2）調(diào)整座椅傾斜位置，抬高膝關(guān)節(jié)，減小髖關(guān)節(jié)角度，即采取更“深”的坐姿。脊髓損傷程度高、坐姿穩(wěn)定性低的運動員，坐的位置相對較“深”，髖關(guān)節(jié)屈曲角度也越大。運動員采用較深坐姿是一種增加坐姿穩(wěn)定性的代償機制。然而，深坐姿使骨盆后傾，拉長腹部和椎旁肌肉，限制了軀干的活動范圍，并限制肩關(guān)節(jié)活動度，影響肩關(guān)節(jié)相對輪椅扶手的最佳位置，可能對運動表現(xiàn)產(chǎn)生不利影響（Tweedy et al.，2010；Vanlandewijck et al.，2011）。目前，輪椅運動分級體系普遍認為限制軀干活動度會降低運動表現(xiàn)。然而，目前尚未有對坐姿位置與軀干主動活動范圍的研究，軀干活動范圍限制是否影響輪椅運動表現(xiàn)也尚不清楚（Van‐landewijck et al.，2011）。

4.1.5 小結(jié)

坐姿投擲類項目的研究聚焦動作技術(shù)優(yōu)化改良、投擲凳個性化設(shè)計方面，從運動生物力學角度為坐姿投擲項目運動員運動表現(xiàn)提高及科學分級提供參考和依據(jù)。輪椅競速類項目結(jié)合視頻分析、傳感器技術(shù)、數(shù)學模型分析運動員競賽運動表現(xiàn)，尋求影響輪椅競速表現(xiàn)的關(guān)鍵生物力學參數(shù)，預(yù)測競速過程的動力學和能量學特征，以深入了解輪椅競速運動員運動表現(xiàn)提高的生物力學機制，優(yōu)化動作技術(shù)。輪椅對抗類項目主要通過對輪椅乒乓球運動員的運動輪椅進行生物力學優(yōu)化改良，以提升輪椅舒適性和穩(wěn)定性，并增加活動范圍，通過生物力學定量測試手段優(yōu)化運動輪椅結(jié)構(gòu)設(shè)計。輪椅運動分級體系相關(guān)研究結(jié)果量化運動員坐姿對輪椅加速表現(xiàn)的影響，為如輪椅橄欖球、輪椅網(wǎng)球和輪椅籃球等項目的分級提供參考依據(jù)。

4.2 冬季坐姿類項目

殘疾人冬季運動包含高山滑雪、越野滑雪、冬季兩項、單板滑雪、殘奧冰球和輪椅冰壺6個項目。本文選取的10項殘疾人冬季坐姿類項目運動生物力學研究中，7項研究聚焦越野滑雪坐姿類項目，3項研究分別關(guān)注輪椅冰壺、殘奧冰球與高山滑雪項目。

4.2.1 運動技術(shù)生物力學分析

普通運動員越野滑雪時通常在上坡和沖刺階段采用雙桿滑雪技術(shù)，但越野滑雪坐姿類運動員由于下肢運動功能喪失，僅依賴軀干和手臂的剩余功能驅(qū)動滑雪桿，因此，雙桿滑雪技術(shù)成為滑雪坐姿類運動員的唯一選擇（Rosso et al.，2016，2017）。Gastaldi等（2012）將滑雪坐姿類項目的滑行周期分為推桿（poling，PP）、過渡（transi‐tion，TP）和還原（recovery，RP）3個階段。滑行周期從PP做開始進行加速，TP標志推桿動作結(jié)束，RP動作還原，為下一次 PP做準備（Gastaldi et al.，2012）。Gastaldi等（2016）基于視頻分析的無標記動作捕捉技術(shù)，采集LW10級別越野滑雪運動員肢體、軀干及滑雪器的運動學特征，研究結(jié)果表明，LW10運動員由于上臂和前臂的運動帶動軀干，在TP之前，軀干前向慣性效應(yīng)對滑雪推進有重要貢獻。軀干在坐姿越野滑雪中起主要推進作用，不同級別運動員軀干功能殘余和控制軀干肌肉能力的差異較大。

在2018年平昌冬殘奧會上，我國輪椅冰壺項目取得歷史上首枚金牌。不同于一般冰壺比賽，輪椅冰壺運動員不與冰壺直接接觸，而是通過推桿推動冰壺完成比賽。推桿是輪椅冰壺運動員手臂的延伸，提升并優(yōu)化冰壺推桿動作的穩(wěn)定性，對提升輪椅冰壺運動員的運動表現(xiàn)至關(guān)重要。Laschowski等（2018）運用正向動力學優(yōu)化方法，對1名殘奧輪椅冰壺運動員的動作控制系統(tǒng)進行數(shù)學建模和仿真，將建模優(yōu)化的運動學參數(shù)與輪椅冰壺傳遞過程中實驗測量數(shù)據(jù)進行比較（圖3）。研究發(fā)現(xiàn)，最小化關(guān)節(jié)角加速度可以得到最準確的運動軌跡預(yù)測和最短的優(yōu)化計算時間，提高輪椅推桿表現(xiàn)。

4.2.2 運動裝備/輔具生物力學優(yōu)化

坐姿滑雪運動員依賴于適配的坐式滑雪器，通過軀干、肩關(guān)節(jié)和手臂的肌肉對稱性的驅(qū)動雙滑雪桿以達到向前推進的目的?；┢鞯倪m配性和功能對坐姿滑雪運動員的重要性不言而喻。Langelier等（2013）設(shè)計了一款新型坐式滑雪器并成功應(yīng)用于加拿大越野滑雪隊在2010年冬殘奧會的比賽當中。該滑雪器能夠幫助運動員有效調(diào)整前后質(zhì)心以避免兩側(cè)偏移，這是滑雪動作控制和運動表現(xiàn)提升的關(guān)鍵因素，該坐式滑雪器設(shè)計同時能夠有效調(diào)節(jié)垂直方向慣性矩（moment of inertia），可提高平衡及動作控制。該滑雪器選擇的懸架是四連桿結(jié)構(gòu)，經(jīng)過優(yōu)化可將由于懸架壓縮而導(dǎo)致前后座椅的活動限制在7 mm范圍，腳墊采用傾斜設(shè)計，可有效調(diào)節(jié)約11%的慣性矩，可以在一定程度上幫助運動員提升滑雪運動表現(xiàn)。

4.2.3 實證分級體系構(gòu)建研究

殘疾人冬季項目的分級規(guī)則由國際殘疾人奧林匹克委員會（Intemational Paralympic Committee，IPC）制定，制定中部分依靠常見的功能評價。運動生物力學量化研究可以提高分級過程科學性。Rosso等（2019）基于實驗室坐姿滑雪分級系統(tǒng)，測試運動員在雪地和室內(nèi)滑雪測功儀上進行雙桿滑雪動作時的運動學和動力學特征，通過對比，優(yōu)化雙桿滑雪動作模擬的穩(wěn)定性和有效性。同時，采用軀干力量及核心控制功能對運動員障礙程度進行評估。核心控制功能表現(xiàn)為軀干抵抗外界干擾的能力，同步采集運動員在干擾狀態(tài)下滑雪周期的運動學特征和肌肉力量，發(fā)現(xiàn)滑雪推進期占比、肌肉力量、軀干活動度等指標與運動表現(xiàn)高度相關(guān)。

4.2.4 小結(jié)

綜上，場地訓練比賽動作技術(shù)采集主要借助視頻解析和無標記動作捕捉技術(shù)，對滑雪動作進行分段評估。實驗室測試多結(jié)合三維動作捕捉系統(tǒng)，評估運動員滑雪技術(shù)代償功能，為提高滑雪效率、改善滑雪技術(shù)提供依據(jù)。采用正向動力學優(yōu)化方法，以身體測量及運動學參數(shù)為輸入，可為輪椅冰壺推桿技術(shù)優(yōu)化及輪椅設(shè)計改良提供參考。一種采用四連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計的坐式滑雪器能夠有效調(diào)節(jié)垂直方向慣性矩和重心位置，有助于運動員保持平衡，加強動作控制，從而提升運動表現(xiàn)。

圖3 輪椅冰壺推桿動作的正向動力學仿真模擬（Laschowski et al.，2018）Figure 3.Simulation of the Forward Dynamics of the Wheelchair Curling

5 啟示與展望

1）在不考慮游泳項目的前提下，殘疾人競技體育項目大體可分為站姿類和坐姿類項目。本文選取的50項研究從運動生物力學角度對殘疾人競技體育站姿類和坐姿類項目開展研究，依據(jù)研究目的和應(yīng)用將納入的研究分為運動技術(shù)的生物力學測試分析、運動器械/輔具改良設(shè)計的生物力學優(yōu)化以及運動員分級的生物力學實證體系3個部分?；谝曨l解析、三維動作捕捉結(jié)合測力技術(shù)、無標記跟蹤、等動等速和逆向動力學等研究方法在殘疾人競技體育研究中的應(yīng)用，使復(fù)雜的運動技術(shù)數(shù)字化、可視化、程序化，可對殘疾運動員的競技運動表現(xiàn)和行為進行客觀量化的描述、解釋與評價，從而指導(dǎo)設(shè)計優(yōu)化的技術(shù)方案，完善和改進動作技術(shù)，探尋殘疾運動員專項運動蘊含的技術(shù)原理，有效指導(dǎo)運動員運動表現(xiàn)的提高，同時為運動輔具裝備的改良提升提供依據(jù)。

2）當前，我國殘疾運動員運動假肢、運動輔具及運動裝備的生物力學研究基礎(chǔ)較為薄弱，殘疾運動員假肢、輔具、運動輪椅、坐姿滑雪器等專項裝備個性化適配水平低，影響運動員功能需求以及訓練成效。如何基于運動生物力學原理，構(gòu)建運動仿真模型，建立人體肌骨系統(tǒng)障礙與適配假肢/輔具評價體系，評估人-裝備生物力學功效，進一步優(yōu)化假肢/輔具等特殊運動裝備的生物力學設(shè)計；如何依據(jù)坐姿/站姿、夏季/冬季項目的不同特點，適應(yīng)殘疾運動員的個性化需求，實現(xiàn)運動假肢、輪椅、投擲凳、坐式滑雪器等運動裝備/輔具的個性化適配，從而提升運動表現(xiàn)，是運動生物力學助力殘疾運動員成績提升需要考慮的重要議題。

3）殘疾程度不同會導(dǎo)致運動能力存在差異。為保證公平、公正競爭，需要按照IPC分級規(guī)則，對參賽選手的殘疾情況和運動能力進行評價，根據(jù)具體參賽項目的要求將殘疾程度或運動能力相近的選手盡可能納入同一級別進行比賽（王玉明等，2017）?？梢哉f，沒有公平、科學、合理的分級體系，就沒有殘疾人競技體育。現(xiàn)有的分級體系主要參考醫(yī)學評估與診斷，根據(jù)殘疾運動員的解剖生理條件劃分，強調(diào)殘疾導(dǎo)致的功能受限對運動能力的影響，在實踐中有一定的不適用性。因此，借助運動生物力學方法體系促進基于實證的分級體系的構(gòu)建，將殘障對比賽成績的影響最小化，是促進殘疾人競技體育公平健康發(fā)展的必然要求。而構(gòu)建基于實證的殘疾人體育分級體系，則需要對運動能力、障礙程度和功能特征進行科學客觀且準確有效的評估。

4）實驗室環(huán)境下開展的殘疾運動員的運動生物力學測試，優(yōu)點在于研究變量可控和易于操作。但在室內(nèi)條件模擬的運動技術(shù)動作與室外真實比賽環(huán)境有一定差異。因此，運用視頻解析、無標記動作捕捉、可穿戴傳感技術(shù)等手段，依托大數(shù)據(jù)分析和人工智能等多學科交叉技術(shù)，對運動員在場地訓練和競技比賽環(huán)境下的動作技術(shù)進行運動生物力學測試與分析，研究結(jié)果可能更貼近于運動實踐。建議未來研究系統(tǒng)整合實驗室測試和場地實時分析，提升研究的全面性、科學性和有效性。

5）從現(xiàn)有研究分布來看，殘疾人夏季項目研究（40項）明顯多于冬季項目（10項）。一方面與殘疾人夏季項目設(shè)置數(shù)量高于冬季項目有關(guān)；另一方面，也折射出對殘疾運動員冬季競技項目研究的匱乏。在2022年北京冬殘奧會的背景下，建議加強對冬季項目研究的關(guān)注，持續(xù)全范圍開展覆蓋冬殘奧六大項目的運動技術(shù)表現(xiàn)生物力學分析、輔具裝備的設(shè)計改良及設(shè)計，并構(gòu)建基于運動生物力學實證研究的科學化分級體系，以實現(xiàn)科技助力殘疾人競技運動全面健康發(fā)展。