论文标题：Tracking Quantitative Characteristics of Cutting Maneuvers with Wearable Movement Sensors during Competitive Women’s Ultimate Frisbee Games （在女子极限飞盘比赛中使用可穿戴运动传感器跟踪切割动作的定量特征）

期刊：Sensors

作者：Paul R. Slaughter and Peter G. Adamczyk

发表时间：14 November 2020

DOI：10.3390/s20226508

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期刊链接：

https://www.mdpi.com/journal/Sensors

引言

极限飞盘 (Ultimate Frisbee, UF) 在美国是一项非常受欢迎的运动。该运动涉及一系列频繁的切割动作，极易造成前交叉韧带损伤。一项关于大学俱乐部运动的研究表明，在极限飞盘运动中受伤的人数远超足球、篮球、棒球和排球等。其中，女性运动员发生韧带损伤的概率又是男性运动员的两倍。尽管此运动的受伤风险如此之高，但是针对极限飞盘在临床和生物力学方向的研究却很少。来自美国University of Wisconsin的Peter G. Adamczyk教授及其团队利用可穿戴运动传感器追踪测量了12名女性极限飞盘运动员在真实比赛中422个切割动作的速度、加速度以及膝关节屈曲角度等特征，来预测进行极限飞盘运动时前交叉韧带损伤的风险类型和几率。他们还为集体和个人提供了信息训练和伤害预防措施，以提高极限飞盘运动的安全性和愉悦性。

图1. 极限飞盘中的切割动作

实验设计和实施

实验设计及数据采集

来自三个团队 (一个高级水平大学生组A、一个中级水平大学生组B、以及一个赛级水平组) 的12名极限飞盘参赛者穿着XSens MVN Awinda (荷兰恩斯赫德XSens公司) 下半身惯性测量 (Inertial Measurement Unit, IMU) 套装进行了17场比赛。该测量套装共测量7个部位：两足、两胫、两大腿、一骨盆；每个部位的惯性测量传感器有9个自由度，可采集三轴角速度 (±2000 °/s)、加速度 (±160 m/s2),以及磁场强度 (±1.9 Gs) 。可穿戴传感器将测量数据实时无线传输到笔记本电脑上，通过专用软件XSens MVN analysis中的人体建模重建每个数据帧下足部与地面的接触，赛场上身体的运动，下半身穿戴传感器部位 (骨盆、大腿、小腿、脚) 的姿势，以及各髋关节、膝盖和脚踝的关节角度。然后将这些运动数据导入MATLAB (美国The Mathworks公司) 中进行处理。

切割动作识别及统计分析

作者将一个切割动作的进入速度 (第一帧中第一次迈步时骨盆的水平速度) 和退出速度 (最后一帧中最后一个迈步时骨盆的水平速度) 大于2 m/s，切割角度超过30度且连续脚步序列不超过2秒的动作定义为切割。统计每一次切割动作的特性并利用稳健拟合回归工具 (MATLAB fitlm) 确定最佳拟合线性关系来描述切割动作的分布特征。

图2. (a) 穿戴惯性测量套装的参与者。(b) 根据运动员的运动创建的运动学模型，以及在每一步开始时定义的坐标系统。

结果分析

在三个团队进行的16场比赛中测出422个切割动作。通过分析切割动作得到如下特征数据：

1. 进入、退出速度和加速度：在进入和退出切割动作的过程中，三个组运动员的速度和加速度各不相同。A组比B组或俱乐部组的运动员有更高的进入速度、进入加速度和退出加速度。B组运动员比俱乐部组运动员有更高的退出速度。三组运动员的最终退出速度没有统计差异。不管从平均速度还是加速度来看，对于平均速度和加速度指标，B组的切割动作数量均在A组和俱乐部组之间。

2. 切割动作加速度：通过对三组运动员的迈步加速度大小的比较。在比较进入切割动作的迈步和所有迈步时，A组的加速度大小明显高于其他两组。对于退出时的迈步，俱乐部组的加速度明显较小。三组间切步加速无统计学差异。

3. 切割角度：在3个切割阶段的膝关节屈曲数据中，实验人员还观察到了不同组运动员之间的进一步差异。A组的平均膝盖弯曲度为31.75度；B组为34.98度；俱乐部组为34.96度。从统计学上看，A组的膝盖屈曲度在进入、退出和所有的步法上都低于B组或俱乐部组。在踢腿时，A组的膝盖屈曲度也低于B组。

研究结果：A组运动员可能面临更高的前交叉韧带损伤风险，因为在切割时，更高的速度和加速度会对前交叉韧带造成更大的的负荷。A组运动员在切割过程中观察到的膝关节屈曲角度较小，这也表明他们存在额外的风险。未来的研究和干预应关注竞争更激烈的团队中的球员，因为他们在极限飞盘游戏中表现出更高的受伤风险。

实验结论

本研究以极限飞盘为个案，介绍一种在竞技运动中测量切割动作以及估计全身及下肢运动学的方法。利用这些方法检测了切割运动，并对其进行了运动学分析。通过计算切割运动的加速度、速度和膝关节屈曲角度，可以量化极限飞盘运动员前交叉韧带损伤风险的类型及几率，同时了解不同水平下极限飞盘运动前交叉韧带损伤的患病率、危险因素和保护因素。这种方法可以测量切割运动时的前交叉韧带的张力，通过加强不同部位的肌肉训练有助于改善这种张力。有了这些发现，物理治疗师和运动教练可以为个人或极限飞盘运动员创建专门的在切割动作中减少前交叉韧带损伤的锻炼项目。

期刊简介

Sensors (ISSN 1424-8220) 于2001年创刊，2020年最新影响因子为3.576，在JCR "Instruments & Instrumentation"学科分类中排名居Q1 (14/64)；2020 Citescore 为5.8，在 Scopus "Physics and Astronomy: Instrumentation"学科分类中排名居Q1 (13/128)。作为一个国际型开放获取期刊，Sensors主要刊载传感器科学和技术研究领域的学术文章，采取单盲同行评审，一审周期约为15天，文章从接收到发表仅需3.6天。