渐增负荷对男性运动员水下海豚腿质心速度的影响——基于统计参数映射分析

学术 2024-11-09 22:22 北京

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2024年第8期

渐增负荷对男性运动员水下海豚腿质心速度的影响

——基于统计参数映射分析

王书新^1,²沈宇鹏^1*

1. 华南师范大学；

2. 广东技术师范大学

摘要目的评估水下海豚腿（underwater dolphin kick，UDK）的负荷-速度曲线（load-velocity profiles，LVP），采用统计参数映射（statistical parametric mapping，SPM）方法分析渐增负荷对UDK质心水平速度的影响。方法招募8名大学生游泳运动员，通过半牵引游泳方法进行7轮渐增负荷的UDK测试（负荷分别为21 N、33 N、45 N、57 N、69 N、81 N、93 N）。采用最小二乘法拟合受试者个性化LVP，并使用混合线性模型或SPM检验不同负荷水平下离散型变量（平均质心水平速度）和连续型变量（质心水平速度）的差异。结果UDK的LVP表现出显著的线性关系（R²=0.896±0.057，SEE=0.069±0.035）。在渐增负荷影响下，平均质心水平速度呈现线性递减趋势（ES=2.24～7.65，P＜0.01）。采用SPM分析发现，渐增负荷对质心水平速度的影响是非线性的，当负荷超过57 N后，负荷对质心水平速度的影响急剧增大（差异时间：11%～63%），其影响主要集中在上打阶段。结论LVP可作为评估游泳运动员UDK水平的有效手段。在制定水中抗阻训练方案时，应谨慎考虑渐增负荷对运动员游泳技术的持续影响，并结合离散型和连续型变量的分析结果，选择适合运动员的个性化负荷水平。

关键词 水下海豚腿；负荷-速度曲线；统计参数映射；质心速度；半牵引游泳

竞技游泳的主要目标是快速地游完指定距离。为此，研究人员和教练员关注于如何最大限度减少阻力和增加推进力（陈洁星等， 2022；李天赠等， 2019；李旭鸿等， 2010；许琦， 2002），不断探索有效训练方案。近来，研究人员对评估运动员水中肌肉力量表现出强烈兴趣（徐心浩等， 2006）。

运动员的肌肉力量是提升竞技水平的关键，制定抗阻训练方案和评估运动员的力量水平是竞技体育的研究重点（陈小平， 2007， 2023；易清等， 2023）。据报道，部分陆地运动项目中运动时的外部负荷与运动速度之间存在明显的线性关系（Thompson et al.， 2021）。通过让运动员在不同的负荷条件下执行特定动作，并记录每次动作的速度，可以建立运动员个体的负荷-速度曲线（load-velocity profiles， LVP）。LVP一方面可以评估运动员的竞技能力，结合具体运动项目科学量化有关指标；另一方面可以帮助分析运动员在不同负荷下的运动表现，从而制定可量化调控的个性化抗阻训练方案（Banyard et al.， 2018；Loturco et al.， 2021；Pérez-Castilla et al.， 2020；Thompson et al.， 2021）。然而，在水下环境，游泳项目LVP的参数可能与陆地项目具有不同的意义。因此，对于游泳运动员很难直接将陆地测量绘制的LVP直接应用到水中训练。对此，研究人员使用水中半牵引游泳的方式对蝶泳、仰泳和爬泳分别建立了水中的LVP。半牵引游泳是将可调节负荷的装置通过导线与运动员的髋关节相连，经过增加负荷来拟合游泳运动员的LVP。针对蝶泳、仰泳和爬泳的研究发现，游泳运动员的LVP均表现出显著的线性拟合关系，通过LVP预测的理论最大速度、理论最大机械力值能够较为准确地反映运动员的实际水平，游泳运动员LVP的斜率与水中的主动阻力表现出高度正相关关系（Gonjo et al.， 2020， 2021；Olstad et al.， 2022）。因此认为，LVP可以作为评估特定项目游泳运动员水中负荷、速度和主动阻力的有效工具，以帮助教练员和运动员制定有效的个性化水中抗阻训练方案。

水下海豚腿（underwater dolphin kick，UDK）是游泳比赛中运动员在出发和转身后使用的一种水下游泳技术。使用UDK时，运动员双臂伸直并保持身体流线型，主要通过腿部动作推动身体前进。研究显示，增强UDK的速度能够提升出发和转身后的表现，从而有助于提高整体游泳成绩（郑闽生等， 2009；Connaboy et al.， 2009）。然而，游泳运动员使用UDK时，在水下以极快的速度前进，其LVP特性也会发生相应的改变。因此，需要重新评估UDK的LVP特性，而不是将其他泳姿的LVP结果直接应用。

为了更精确地掌握运动员在不同负荷条件下的游泳速度变化，研究人员试图通过分析连续时间序列数据获得进一步的结论。传统的统计参数，如平均速度和速度波动率，被视为评估运动员机械效率和表现的简单离散型参数，主要基于平均值和标准差进行计算，可能忽略了丰富的潜在信息和细节，造成大量的数据压缩，降低了检测整个动作周期内速度变化的敏感性。此外，离散型数据无法揭示整个周期内速度-时间序列的细节行为，因为其只提供平均值，无法检测动作周期内不同时间点的差异。在这一背景下，作为一种连续时间序列分析的统计方法，统计参数映射（statistical parametric mapping， SPM）运用随机场理论，可以比较连续型数据的变化差异，其具有两大优势：1）统计结果直接展示在原始采样空间中，时空生物力学背景一目了然；2）无需对分析信号的时空焦点做出预设假定（Morais et al.， 2023）。因此，应用SPM方法比较和分析游泳周期内质心水平速度的变化，有助于深入理解渐增负荷对半牵引游泳速度变化的影响。

综上所述，本研究旨在评估UDK的LVP，并基于SPM方法探讨渐增负荷对UDK质心水平速度的影响。

1 研究对象与方法

1.1　研究对象

以8名男性大学生游泳运动员作为研究对象（表1），均拥有超过8年的专业训练经历，游泳主项成绩约等于世界纪录的83%，并且目前仍在积极参与训练计划。受试者身体状况良好，无任何可能影响实验结果的伤病记录。为确保实验结果的准确性，实验前24 h要求受试者避免熬夜、饮酒等可能影响体能的活动。所有测试均已获得受试者的明确同意。此外，本研究涉及的所有程序均已通过华南师范大学伦理委员会的审查和批准（批准编号SCNU-SPT-2022-101）。

表1 受试者信息Table 1 Subject Information

1.2　实验设计

本研究实验在符合国际标准的游泳池（长50 m，宽21 m）进行，水温维持在27 ℃，室温控制在28 ℃。所有受试者均穿着符合世界游泳联合会规定的泳装。实验开始前，详细记录受试者的身体数据。测试前每位受试者进行了大约30 min的热身活动，以模拟常规比赛环境下的身体状态。热身活动完成后，受试者进行10～20 min的放松和休息，以准备接下来的测试（Neiva et al.， 2013）。

测试方案：1）受试者进行2次15 m的UDK测试，选择其中的最佳成绩作为无负荷状态下的测试结果，记为L0。在测试中，受试者听到起始信号后，从水下1 m处全力蹬离池壁，使用UDK进行15 m游泳。2）在20 min的积极恢复后，受试者进行7轮（L1～L7）渐增负荷的半牵引游泳测试。每轮负荷之间设置5 min的休息时间。研究报道，选择较低负荷和较少测试次数对于拟合LVP更为有利（Gonjo et al.， 2022）。因此，本研究中7轮负荷分别设置为21 N、33 N、45 N、57 N、69 N、81 N和93 N。

1.3　速度-时间数据采集

研究发现，髋关节水平速度与人体游泳时质心水平速度存在高度相关性，且平均误差接近零（Fernandes et al.， 2012）。基于此，本研究将髋关节水平速度近似地作为人体质心水平速度的代表。

在测试中，采用线性速度测量仪（SWIMSPORTEC，德国）记录时间和质心水平速度。该设备通过一根非弹性细线与受试者的髋关节相连，以31 Hz的采样频率测量过程中的质心水平速度。为进一步提高数据质量和准确性，对测量仪所获取的原始数据应用四阶巴特沃斯滤波法进行平滑处理，手动排除速度-时间曲线上的起始和结束动作，在曲线中选取3个平滑的完整动作周期进行分析。

关于泳姿的相关参数，划频（stroke frequency，SR）和划幅（stroke length， SL）分别被定义为每单位时间内的动作次数和每次动作覆盖的距离。平均质心水平速度则被定义为划频与划幅的乘积。速度波动率用以描述质心水平速度在每个周期内的变化情况（Barbosa et al.， 2012）。此外，本研究还通过速度-时间曲线计算了以下非线性参数：近似熵、样本熵、速度复杂性、分形几何和度量自相似性（Barbosa et al.， 2017；Chen et al.， 2009）。

1.4　半牵引游泳测试

在本研究中，一个完整的UDK动作周期是指从脚趾的一个垂直最高点运动至下一个垂直最高点。每个动作周期由下打阶段（down kick， DK）和上打阶段（upward kick， UK）构成，其中DK是指从脚趾的最高点运动至最低点，而UK则是从脚趾的最低点运动至下一个最高点（Atkison et al.， 2014）。研究认为，质心水平速度在DK增加，并在DK完成时获得最大值（1^st peak）；在UK开始到水平阶段获得第二个高峰（2^nd peak），在UK结束阶段获得最小值（Ruiz-Navarro et al.， 2022）。因此，在本研究中将速度-时间曲线与动作阶段进行简单对应，以便于分析负荷对UDK技术的影响（图1）。

图1 速度-时间曲线示例

Figure 1 Example of Velocity-Time Profile

注：1^st peak表示第1个波峰；2^nd peak表示第2个波峰；start表示一个动作周期的开始，也是下打阶段的开始；end表示一个动作周期的结束，也是上打阶段的结束。

在进行半牵引游泳测试时，采用改良版的史密斯架为受试者提供外部负荷（图2）。该史密斯架顶部和底部各固定一个定滑轮，正上方挂有一个动滑轮。通过一根柔软且无弹性的绳索，将滑轮系统与受试者髋关节处的腰带连接，从而施加负荷。为了消除受试者从池壁蹬离时对测试结果的影响，绳索设计中包含了2 m的无负荷长度。此外，通过手动选择3个连续的动作周期，计算每位受试者在不同负荷测试中的平均质心水平速度，并使用该速度值与相应负荷建立个性化LVP。

图2 半牵引游泳测试示意图

Figure 2 Schematic Diagram of Semi-tethered Swimming Test

他人研究中采用了5.0 kg或2.5 kg的标准配重片作为半牵引游泳的负荷（Dominguez-Castells et al.， 2012）。考虑到器材所受到的机械效应（如滑轮组和摩擦力等），使用测力计通过以下回归方程对负荷进行校准（R²=0.987 9）。该方程考虑了力学传感器所提供的力值（x）与实际施加的力值（y）之间的关系。因此，本研究采用的5 kg、10 kg、15 kg、20 kg、25 kg、30 kg、35 kg的标准配重片在水中产生的实际负荷分别为21 N、33 N、45 N、57 N、69 N、81 N、93 N。

（1）

1.5　统计分析

采用最小二乘法对LVP进行个性化拟合，并报告决定系数（R²）和标准误差估计（standard error of estimate， SEE），用于评估回归模型的拟合优度。

数据重复性和非独立性可能导致随机和固定效应的偏差，因此采用混合线性模型（linear mixed-effect model，LMM）评估不同负荷水平对离散型参数的影响。在此模型中，多级负荷被设定为固定效应因子，而参与者被视为随机效应（沈宇鹏等， 2021）。结果中报告了效应量（effect size，ES）和P值，以判断差异的程度和显著性，显著性水平设定为P＜0.05。

针对连续变量，采用统计参数映射双样本t检验分析曲线数据（Pataky， 2010），分别比较了L0与L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7之间的差异。计算选定UDK的3个完整动作周期的速度-时间曲线，并将其标准化为43个数据点，时间序列表示为3个完整周期的时间百分比。

数据的整理与统计利用Excel 2021和Python 3完成。作图则通过Origin Pro 2021软件实现。SPM分析利用Python中的开源spm1d代码包（www.spm1d.org）进行。

2 结果

2.1　LVP

绘制所有受试者的LVP（图3），结果发现，受试者的个性化LVP均显示了良好的拟合关系（R²=0.896±0.057， SEE=0.069±0.035），平均质心水平速度在渐增负荷（L0～L7）上呈现明显的线性递减趋势。

图3 负荷-速度关系曲线

Figure 3 Load-Velocity Profile

注：圆点代表该名受试者平均质心水平速度的实际数值，直线代表受试者LVP，阴影代表95%置信区间。

2.2　离散型数据分析

离散型参数在不同负荷下的差异如表2所示，平均质心水平速度在不同负荷级别上呈现出显著的差异，并随着负荷的逐级增加差异程度呈现明显的线性增长趋势（效应量ES从2.24增加至7.65，P＜0.01）。此外，深入分析发现，划幅和速度波动率在逐级增加的负荷之间呈现出非线性的变化。具体而言，在L1级别负荷下，划幅和速度波动率并未表现出负荷的显著影响（P＞0.05）。然而，随着负荷上升至L2级别，划幅和速度波动率开始呈现明显的差异（P＜0.01）。同样，速度复杂性也显示了相似的非线性变化模式，在L4～L7级别的负荷下才呈现出显著差异（效应量ES从1.86增加至3.65，P＜0.01）。其他参数如划频、分形几何、度量自相似性、样本熵、近似熵未受到渐增负荷的显著影响。

表2 不同负荷下离散型参数的效应量及统计差异Table 2 The Effect Size and Statistical Differences of Discrete Parameters at Different Loads

注：**表示P＜0.01。

2.3　连续型数据分析

图4展示了使用SPM观察到的渐增负荷对质心水平速度的影响。在整个动作周期中，不同的负荷级别导致的影响不同。在渐增负荷的作用下，质心水平速度呈现出明显的非线性变化。值得注意的是，当负荷超过L4（57 N）后，存在差异的时间范围明显增大（差异时间：11%～63%，图4b）。具体的差异如下：

图4 渐增负荷下质心水平速度的SPM比较

Figure 4 Comparison of SPM of Horizontal Velocity of Center of Mass under Incremental Loading

注：a.不同负荷下运动员实际质心水平速度SD云的运动轨迹平均值；b.计算图c橙色阴影区域所占时间百分比，即SPM检验存在差异的时间占总时间的百分比；c. SPM计算的简单主效应，红色虚线代表临界阈值（t=5.268^*），橙色区域表示存在显著性差异（P＜0.05）。

1）L0与L1负荷之间在划水周期大约86%～88%的阶段出现质心水平速度显著差异（P＜0.01），即第3个动作周期的上打结束时；2）L0与L2负荷之间在划水周期大约83%～86%的阶段出现显著差异（P＜0.01），即第3个动作周期的上打结束时；3）L0与L3负荷之间在划水周期大约83%～86%的阶段以及100%时刻出现显著差异（P＜0.05），即第3个动作周期的上打阶段；4）L0与L4负荷之间在划水周期大约83%～86%以及90%～98%的阶段出现显著差异（P＜0.01），即第3个动作周期的上打阶段；5）L0与L5负荷之间在划水周期大约33%～36%、48%～57%、62%～71%、79%～100%阶段出现显著差异（P＜0.01），即3个动作周期的上打阶段；6）L0与L6负荷之间在划水周期14%～36%、48%～69%、81%～100%阶段出现显著差异（P＜0.05），即3个动作周期的上打阶段；7）L0与L7负荷之间在划水周期大约12%～21%、31%～36%、48%～64%、79%～100%阶段出现显著差异（P＜0.05），即3个动作周期的上打阶段。

3 讨论

本研究旨在评估UDK的LVP，并基于SPM探讨渐增负荷对UDK质心水平速度的影响。结果表明，SPM能够揭示在渐增负荷条件下质心水平速度的非线性变化趋势，并通过将质心水平速度与动作周期相匹配，清晰地展现了负荷对局部动作阶段的具体影响。这一发现为半牵引游泳测试的评估提供了新的研究视角。本研究强调了在构建个体化LVP时，现有的基于线性模型的LVP及其衍生的基于速度的抗阻训练方案或依据最大负荷百分比的训练方法可能存在局限性。本研究结果提示，负荷对质心水平速度产生的非线性化影响可能是决定训练负荷的关键因素，教练员和运动员在制定训练计划时应予以重视。在应用混合线性模型考察外部负荷对平均质心水平速度的影响中发现，平均质心水平速度的变化呈现线性递减。具体而言，当外部负荷开始施加时，平均质心水平速度会立即衰减，并且这种衰减会随着负荷的增加而逐渐加剧。然而，通过SPM方法则观测到连续变化呈现出非线性特征。负荷水平在L1、L2和L3级别时，负荷对质心水平速度产生的影响相对较小，不超过4%。但当负荷水平达到L4级别及以上时，质心水平速度突然出现显著衰减，且随着负荷级别的上升，这种衰减现象进一步扩大，影响范围为11%～63%。因此，在本研究中，可以将L4负荷级别视为一个阈值，当负荷水平超过此阈值时，负荷的影响将变得无法控制。这一点在对非线性参数速度复杂性的检验中也得到印证。速度复杂性反映了运动员周期内速度变化的复杂性和稳定性（Barbosa et al.， 2017）。在负荷水平超过阈值时，速度复杂性表现出与L0存在显著差异，且这种差异在后续的负荷中持续存在。这印证了在阈值以下的负荷水平，运动员可以通过主观努力保持速度和技术的稳定性。然而，当负荷超过阈值水平后，运动员将无法继续维持这种稳定性，并表现出速度和技术的大幅衰退。

SPM方法能够识别动作周期中的关键时刻特征。研究结果显示，负荷对质心水平速度的影响主要集中在上打阶段。这一发现进一步强调了上打阶段对UDK表现的重要性。据前人研究，UDK技术的识别过程中，上打阶段展现出了整个动作周期中的最小速度，这一阶段也是区分运动员技术水平的关键阶段（Atkison et al.， 2014；Veiga et al.， 2023）。因此，鉴于上打阶段的重要性，教练员和运动员应审慎选择训练负荷，以防止对关键动作阶段产生不必要的干扰。

在本研究中，受试者的负荷与平均质心水平速度呈现理想的线性关系，这为确认UDK适用于LVP的训练手段提供了有力支持。结合前人关于爬泳、蝶泳和仰泳的研究，对于大多数泳姿而言，LVP均可作为评估游泳表现的理想手段（Gonjo et al.， 2020， 2021；Olstad et al.， 2022）。然而，需要注意的是，由于不同游泳姿势的LVP表现出相似但并非完全一致的特征，教练员和运动员应当针对特定的游泳姿势来确定其适合的负荷范围，而不是采用一个相同的负荷等级。

综上所述，LVP可以应用于UDK的评估，并据此制定个性化水中抗阻训练方案。在选择训练负荷时，应考虑渐增负荷对游泳速度和技术的非线性影响，综合考虑离散型和连续型变量的结果。

本研究主要存在以下局限性：采用机械负荷结合电子瞬时速度测试仪器，而不是全部电子化设备进行测试。额外负荷对女性运动员、青少年运动员可能会产生不同的影响，目前研究结果尚无法推广到上述两个群体，在后续研究中还需要测试更多的群体。

4 结论

LVP可以视为一种有效评估游泳运动员UDK水平的手段。在利用LVP制定水中抗阻训练方案时，教练员和运动员应审慎考虑渐增负荷对运动员游泳技术产生的持续影响，并综合离散型和连续性变量的检验结果选择适合于运动员的个性化负荷水平。在本研究中，当负荷超过阈值负荷水平后（L4=57 N），运动员在控制上打阶段的速度和技术的稳定性时出现了明显的困难，导致难以控制的衰变。

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转载来源：体育总局科研所书刊部

原文制作：高天艾

原文校对：马婧
原文监制：张雷

学会编辑：徐璠奇

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渐增负荷对男性运动员水下海豚腿质心速度的影响——基于统计参数映射分析

渐增负荷对男性运动员水下海豚腿质心速度的影响

——基于统计参数映射分析

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

1.2 实验设计

1.3 速度-时间数据采集

1.4 半牵引游泳测试

1.5 统计分析