应用三轴加速度计数评价功率车骑行下肢稳定性

马国强，陆姣姣，李广凯，杨明祥

自行车是一项人通过器械做功产生速度的典型周期性体能类项目，除了对运动员以有氧和无氧代谢为基础的体能水平要求较高外，运动员的运动表现还会受骑行技术的显著影响[1]。骑行稳定性是指运动员在高速骑行过程中，上下肢和躯干部位协同发力，从而保持身体稳定[2]。运动员高速骑行过程中较好的稳定性可保证肌肉协同发力并充分作用于踏板，有效减少能量的流失，提高工作效率[3]，从而提高骑行的外在运动表现[4]。目前，国内教练员对骑行稳定性的评价仅限于定性描述，国内外研究中少见对骑行稳定性测试与评价的定量研究，针对性的测评方法还有待进一步研究。

三轴加速度计是近年来在能量消耗研究领域被广泛采用的测量工具之一，可通过测量体力活动过程中身体发生震动的次数，相对精确地计算出不同运动量的能量消耗水平，为制定训练方案、评价训练效果提供科学指导[5-6]。然而已有研究中少见采用加速度计测量自行车运动能耗水平的研究[7]，受限于佩戴位置难以全面反映骑行过程中的身体活动，通常会低估骑行的能耗水平[8]。由于佩戴在人体不同部位的三轴加速度计可以准确记录人体运动过程中该部位在矢状轴（Sagittal Axis，SA）、冠状轴（Coronal Axis，CA）和 垂 直 轴（Vertical Axis，VA）3个 轴 向 上的运动频度，并以counts/min的形式给出数据[9]，因此研究假设将三轴加速度计佩戴在自行车运动员下肢关节或环节处，可对运动员骑行过程中下肢踏蹬动作的稳定性进行评价。本文采用室内功率自行车递增踏频骑行和一次力竭骑行2种运动模式，探讨Actigraph GT3X+三轴加速度计3个轴向上的加速度计数，评价自行车运动员不同训练方式下骑行稳定性的有效性。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选择青年男性自行车运动员16人，其中一级运动员7人，二级运动员9人，年龄14~19岁，自行车专项训练年限3~5年，以公路中长距离训练为主。16名被试运动员根据功率车模拟1 km计时骑行成绩排序，前8名分入优秀组（Elite Group，EG），后8名分入普通组（Normal Group，NG）。运动员基本信息见表1。

表1 受试运动员基本信息Table1 Basic Data of Research Subjects

1.2 运动测试方案

所有被试运动员测试前3 d充分休息，未进行大强度的训练和体力活动。所有运动员分别在周二和周五进行室内功率车递增运动负荷骑行测试（Graded Exercise Stress Test，GXT）和模拟1 km计时骑行测试（1 kmTT）[10]，2项测试之间间隔72 h；测试分上、下午各8人完成，运动员测试顺序随机，但2项测试的运动员排序保持一致；测试前集中对运动员讲解测试流程和实验内容。

GXT采用Wattbike Pro功率自行车（英国）进行，运动员到达实验室后佩戴Sunnto心率带（芬兰），并与功率自行车进行遥测配对，之后调节座高、把高至个人合适位置。递增运动负荷测试开始前以功率自行车Load 1（Wattbike采用风阻设计，包括Load 1至Load 10共10个负荷档位）进行10 min热身骑行，休息5 min或心率降至90次/分钟以下开始正式测试。采用踏频递增的骑行模式，负荷设为Load 5，以70 r/min踏频开始，每2 min踏频增加5 r/min，共完成6级踏频递增的骑行，用时12 min。测试结束后功率自行车自动保存数据中的运动学参数，数据过滤时间设为10 s[11]。

模拟1 kmTT采用Wattbike Pro功率自行车内置“1 000 m Standard Workout方案”进行，其运动过程模拟短距离项目中的场地原地1 km计时赛，运动时间在1 min以上，是评价短距离自行车运动员无氧糖酵解供能能力和速度耐力的有效方法。被试运动员到达功率自行车训练房后调节座高、把高至个人合适位置。加速度计佩戴方法与GXT测试相同。先以功率自行车Load 1阻力热身骑行10 min，之后全力冲刺骑行15 s适应测试方式，休息5 min后开始正式测试。负荷设为空气阻力7档和电磁阻力1档，相当于场地50/13齿轮比。运动员听口令后从静止开始离座全力冲刺骑行，功率自行车自动开始里程从1 000 m至0 m倒计，测试结束后功率自行车自动保存数据中的运动学参数，数据过滤时间设为3 s[12]。

1.3 下肢加速度计数测试方法

在GXT和1 kmTT 2项功率车测试中，在运动员的右腿腓骨头下缘和外踝上缘分别固定一只Actigraph GT3X+三轴加速度计（美国），测量骑行中膝关节和踝关节分别在SA、CA和VA上的加速度计数变化情况[13]。加速度计安装前均经过充电和初始化等标准操作，设备的采样频率设为100 Hz。GXT和1 kmTT的数据过滤时间分别为10 s和3 s。

1.4 数据统计

采用SPSS19.0和Excel对数据进行统计分析。采用Pearson相关分析对运动测试中功率与膝、踝关节加速度计数的相关性进行分析，r＞0.7认为有显著相关性。运动员完成GXT各级负荷骑行和1 kmTT全程骑行时2个实验组下肢膝、踝2个关节三轴加速度计数间的差异，以及1 kmTT的平均功率和平均频率的组间差异，均采用独立样本T检验进行分析，显著性水平设为α=0.05。

2 研究结果

2.1 功率自行车GXT中运动表现和下肢加速度计数变化

2个实验组运动员完成功率车6级递增运动负荷骑行的10 s功率和频率平均值见图1。2组运动员完成前4级骑行的频率基本符合实验设计的70 r/min、75 r/min、80 r/min、85 r/min，且标准差相对较小；而在完成后2组高频骑行时，仅EG组频率基本达到实验设计的90 r/min和95 r/min，且2个实验组10 s平均频率的标准差有逐渐增大的趋势。

图1 2组运动员6级功率车GXT中功率和频率变化Figure 1 The Changes of Power and Cadence of Cyclists in 2 Groups in Six Grade Bicycle Ergometer GXT

在Wattbike功率车初始负荷一定（Load 5）的前提下，运动员GXT中的10 s平均功率与平均频率表现出一致的变化趋势。与平均频率相似的是，2个实验组运动员完成前4级骑行的10 s平均功率未见明显差异，而EG组完成第6级骑行时的10 s平均功率却显著高于NG组，且标准差也有明显增加的变化趋势。

表2可见，EG组运动员完成踏频递增的GXT中，反映运动表现的功率与膝关节VA计数，踝关节VA和SA计数分别具有高度相关性（r＞0.8，P＜0.01），与膝关节SA计数中度相关（0.7＜r＜0.8，P＜0.01），但与膝、踝关节的CA计数间的相关性并不显著（r＜0.7）。

表2 GXT中功率与频率、膝和踝关节三轴加速度计数的相关性Table2 The Correlation between Triaxial Accelerometer Counts of Knee and Ankle and Power and Cadence in GXT

与EG组相似，NG组功率与膝关节VA计数，踝关节VA和SA计数显著相关（r＞0.8，P＜0.01）；但NG组膝关节SA计数与功率未见明显相关的同时，CA计数却出现了中度相关（0.7＜r＜0.8，P＜0.01），而踝关节CA计数与功率间未见明显相关，与EG组相同。

2个实验组运动员GXT中完成6级不同负荷骑行时，膝关节三轴加速度计数间的差异见图2。首先，膝关节3个轴向上的加速度计数为VA＞SA＞CA；其次，三轴的加速度计数均随着骑行频率的提高而有所增加。对EG和NG组间膝关节加速度计数进行比较可见，2个实验组VA计数未见显著差异（P＞0.05）；而EG组SA计数在G1级骑行时显著低于NG组13.3%（P＜0.05），却随着骑行强度的提高迅速增加，在G6级骑行时反而高于NG组5.9%，差异具有显著性（P＜0.05）；与VA计数2组相似不同，NG组的CA计数在各级负荷均显著高于EG组（P＜0.05）。

图2 2组运动员GXT中膝关节三轴加速度计数比较Figure 2 The Comparison of Triaxial Accelerometer Counts of Knee in GXT between Cyclists in 2 Groups

2个实验组运动员GXT中完成6级不同负荷骑行时，踝关节三轴加速度计数间的差异见图3。与膝关节相似，踝关节3个轴向上的加速度计数也表现为VA＞SA＞CA，且三轴的加速度计数均随着骑行频率的提高而有所增加；但与膝关节不同的是踝关节的VA计数较高，而CA计数相对较小。

图3 2组运动员GXT中踝关节三轴加速度计数比较Figure 3 The Comparison of Triaxial Accelerometer Counts of Ankle in GXT between Cyclists in 2 Groups

在6级踏频递增的GXT中，EG组运动员完成各级骑行时踝关节的VA和SA计数均稍高于NG组，但未见显著的统计学意义（P＞0.05）；而CA计数与膝关节相似，即NG组6级骑行的CA计数均显著高于EG组（P＜0.05）。

2.2 功率车1 kmTT中运动表现和下肢加速度计数变化

2组运动员完成功率自行车模拟1 km计时骑行测试过程中的功率和频率（3 s平均值）变化见图4。EG和NG组功率和频率均在前3 s达到最高水平，之后逐渐降低，其中频率从135 r/min降至95 r/min左右的同时，功率则从800 W左右迅速降至低于300 W的水平。2组运动员虽表现出相同的变化趋势，但EG组1 kmTT中的功率和频率水平均明显高于NG组，特别是在30~45 s骑行区间内差异较为显著。

图4 2组运动员功率车1 kmTT功率和频率变化Figure 4 The Changes of Power and Cadence in Bicycle Ergometer 1 kmTT of Cyclists in 2 Groups

2个实验组运动员功率车1 kmTT全程的平均功率和平均频率见图5。EG组平均功率较NG组高25.4%，具有显著性差异（P＜0.05）；同时EG组Cmean也较NG组高9.2%，具有显著性差异（P＜0.05）。

图5 2组运动员功率车1 kmTT的平均功率和平均频率对比Figure 5 The Comparison of Average Power and Average Cadence in Bicycle Ergometer 1 kmTT of Cyclists in 2 Groups

2个实验组1 kmTT中功率与膝关节三轴加速度计数间的相关性见表3。EG组膝关节VA和SA计数与功率变化趋势一致，但并未见显著的相关性（r＜0.7），而CA计数虽也没有显著相关性，但却与功率表现出相反的变化趋势；而NG组膝关节VA计 数与 功率中度相关 （0.7＜r＜0.8，P＜0.01），但SA和CA计数均与骑行功率未见显著的相关关系（r＜0.7），与EG组相似，NG组CA计数与功率的变化趋势相反（r=-0.489）。

表3 2组运动员1kmTT中功率与膝关节三轴加速度计数的相关性分析Table3 The Correlation Analysis on Triaxial Accelerometer Counts of Knee and Power in 1 kmTT of Cyclists in 2 Groups

功率车模拟1 kmTT中2组运动员膝关节三轴加速度计数的差异可见图6。膝关节VA计数2组间未见显著差异（P＞0.05）；EG组膝关节SA计数则较NG组高52.8%，具有显著性差异（P＜0.05）；而EG组膝关节的CA计数反较NG组低31.6%，差异具有显著性（P＜0.05）。

图6 1 kmTT中2组运动员膝关节3个轴向加速度计数对比Figure 6 The Comparison of Accelerometer Counts of Knee in Three Axial Directions in 1 kmTT of Cyclists in 2 Groups

2个实验组1 kmTT中功率与踝关节三轴加速度计数间的相关性见表4。2组运动员1 kmTT中的功率与踝关节的VA和SA计数均表现出高度相关（r＞0.8，P＜0.01）；相反2组运动员踝关节CA计数与功率均未见显著的相关关系（r＜0.7）。

表4 2组运动员1 kmTT中功率与踝关节三轴加速度计数的相关性Table4 The Correlation between Accelerometer Counts of Ankle and Power in 1 kmTT of Cyclists in 2 Groups

对功率自行车模拟1 kmTT中2组运动员踝关节三轴加速度计数进行比较（见图7），发现EG组踝关节VA、SA和计数均稍高于NG组，EG组踝关节CA稍低于NG组，但差异均未见统计学意义（P＞0.05）。

图7 1 kmTT中2组运动员踝关节3个轴向加速度计数对比Figure 7 The Comparison of Accelerometer Counts of Ankle in Three Axial Directions in 1 kmTT of Cyclists in 2 Groups

3 分析与讨论

自行车运动是一项人与器材相结合的典型体能类项目，比赛中不仅对运动员的体能水平要求极高，还需要运动员通过完美的骑行技术和合理有效的战术，通过自行车将运动能力有效转化为运动表现，获得理想的运动成绩。在自行车比赛和训练过程中，当完成一组或多组大强度/运动量骑行时，经常可见运动员随着肌肉疲劳的逐渐累积，踏蹬圆滑度下降，骑行稳定性降低的现象[14]。特别是人体处在坐骑姿态高速骑行时，躯干及臀部出现明显的上下震动或左右摇动，以及单侧下肢难以保持在矢状面内完成踏蹬动作，髋关节出现明显的外展或内收的错误动作。一方面运动员使用的传动系数和专项力量水平不匹配时会导致踏蹬发力动作的变形，另一方面也与运动员是否从小接受专门的骑行技术训练，是否掌握了正确的踏蹬技术有关。目前，国内外针对自行车骑行稳定性的研究较少，实际运动训练中多依赖教练员经验，缺乏科学有效的定量测评方法。本文采用室内功率自行车进行逐级递增负荷和一次力竭2种骑行，来验证采用膝、踝关节三轴加速度计数变化评价骑行稳定性的可行性和有效性。

功率自行车逐级递增负荷骑行是自行车运动员有氧代谢能力测试的常用方法，为了观察不同踏频水平下是否能够采用加速度计数变化反映膝、踝关节稳定性的改变，本文采用了固定功率车档位、逐级增加频率的递增负荷方案。结果可见，EG运动员完成第5、第6级负荷时的功率与频率显著高于普通组，并达到了负荷方案设定的频率要求，相反NG运动员可见第6级骑行时的频率难以达到95 r/min的预设水平，在固定档位的情况下功率较低，反映了NG专项力量水平低于EG。而2组运动员在1 kmTT中使用了相同的功率车档位进行一次力竭骑行，由于自行车骑行功率反映了踏蹬力与频率的乘积关系，而较好的爆发力和力量耐力又有利于运动员在测试的开始和结束阶段维持更好的频率水平，因此NG相对EG较差的专项力量水平带来了1 kmTT测试全程相对较低的频率和功率水平；同时，专业自行车运动员在安静状态开始的一次力竭测试中，通常可在开始时的1~3 s达到最大功率，之后受惯性和疲劳累积的影响逐渐下降，而功率下降则直接影响平均功率水平，反映了运动员的专项力量及速度耐力水平。无论是递增负荷还是一次力竭，通常可见最后阶段运动员骑行动作的变形，从而给骑行效率带来了不利影响。

作为踏蹬动作中屈伸幅度最大的膝关节，不同水平运动员测试中3个轴向的加速度计数存在着较大的差异。首先，在VA方向，所有运动员的加速度计数最高，GXT第6级和1 kmTT中分别达到4 500 counts/min和1 200 counts/min的水平，显著高于其他2个方向，且本研究2组运动员间未见显著差异，提示髋、膝2个关节的屈伸带来的膝关节VA向的运动频度基本一致，可能并不是运动表现差异的主要原因。研究表明，在亚极量强度自行车骑行中，功率的产生主要来自膝关节的伸展[15]；而在最大强度自行车骑行中，伸髋关节则成为产生功率的主要动作[16-17]。尽管存在争论，但踏蹬周期中腘绳肌在髋关节能够产生明显的正向功率来抵消膝关节的负功率，因为与膝关节相比，髋关节的力臂更长[18]。在最大强度骑行中，腘绳肌可能提供了显著的髋关节正向功率，在伸小腿的最后阶段要显著大于膝关节的负向功率。因此自行车项目需要更加重视发展髋关节的力量，特别是屈髋肌群肌力，从而保证髋、膝关节屈伸动作的平衡和协同发力，提高踏蹬圆滑度，减少错误动作发生的几率；其次，在SA方向，2组运动员存在一定差异，GXT中仅EG运动员膝关节SA计数与功率显著相关，逐级递增，1 kmTT中EG运动员则明显高于NG。膝关节SA前后方向的加速度计数差异可能与运动员是否能够快速通过上下2个踏蹬“死点”有关，EG双侧下肢存在积极主动的“上提”发力，明显提高了踏蹬圆滑度，可能是运动表现更好的主要原因之一；第三，在CA方向，NG运动员在GXT完成最后2级高强度骑行以及1 kmTT中，加速度计数均显著高于EG，提示在大强度骑行时NG运动员膝关节左右方向的摆动明显增加，可能与屈伸髋、膝关节的大肌群疲劳，代偿发力增多，踏蹬动作的稳定性下降有关，膝关节左右方向的摆动除了会造成一定程度的能量损失，影响运动表现，长此以往还可能增加膝关节受损的风险。

不同强度骑行过程中踝关节的变化，也会对踏蹬发力和骑行效率产生一定的影响。Martin等[16]研究发现髋、膝、踝3个关节在30 s最大强度自行车骑行测试中出现疲劳的程度不同，踝关节功率和运动范围的降幅要大于膝关节和髋关节，也就是与髋、膝关节相比，踝关节自由度的改变和踝关节跖屈肌的局部疲劳更为明显，该结果建议运动员应改变运动方式来减小骑行动作的复杂程度。由于踝关节跖屈肌可将下肢产生的功率传递到踏板，因此减少踝关节运动能够增加关节硬度，从而减少疲劳状态下髋关节的能量流失[19]。在每个踏蹬圆周内减少踝关节的运动还可将骑行简化为一个双关节屈伸动作，以便在中枢和/或外周疲劳状态下更容易进行协调[20]。

在专业自行车领域，无论是实际运动场训练、比赛还是室内功率车训练，运动员都会穿着安装了锁扣的专业骑行鞋，与专业踏板锁定后进行踏蹬骑行。这样的连接使运动员不仅可以完成向下踏蹬发力，还可以在上提阶段完成主动发力，从而有效提高整体的发力水平和踏蹬圆滑度。当骑行鞋和踏板连接后，运动员足部以及踝关节在CA向上的活动范围会受到一定的限制[21]。本研究2种运动模式下，踝关节三轴加速度计数的变化存在一定的差异。首先，在踏频递增的6级功率自行车骑行测试中，踝关节在VA和SA的加速度计数随着踏频增加显著升高，即踝关节在SA的活动频率增加，而CA向上的计数未随功率的提高而明显增加，可能与已有研究结论中踝关节活动度随着强度增大、疲劳出现有所降低有关[18]；同时NG踝关节CA计数显著高于EG，NG后2级大强度骑行时膝关节稳定性下降，横向移动增加，从而引起踝关节CA向加速度计数的明显升高。其次，在一次力竭的大强度骑行测试中，与GXT相似，可见踝关节SA上活动度与骑行频率、功率的正相关关系，而CA向上的加速度计数未见明显的下降，部分运动员可能随疲劳积累出现了一定程度的横向摆动；但本文未见不同水平运动员踝关节三轴向上加速度计数的显著差异，可能与一次力竭大强度骑行中踝关节稳定性的个体差异较大，或样本量不足有关。

综上所述，在功率自行车骑行训练中，膝、踝关节加速度计数可科学评价运动员的发力特点和骑行稳定性，并对运动员下肢运动环节是否存在错误动作进行个性化诊断。未来还需对诊断标准进一步定量研究，并将三轴加速度计数评价自行车骑行稳定性的方法逐步推广到实际运动场的测试与评价中。

4 结论

4.1 膝、踝关节的冠状轴加速度计数变化可有效评价下肢运动环节的骑行稳定性，随着疲劳的发生加速度计数增加，下肢稳定性下降。

4.2 膝关节矢状轴加速度计数是反映运动员踏蹬过程中是否有主动抬腿上提，以改善踏蹬圆滑度的有效指标。