马拉松运动员膝关节潜在损伤的预测方法研究*

高 芳

(平顶山学院体育学院，河南 平顶山 467000)

随着马拉松比赛的日益普及以及参赛人数的增加，比赛中运动损伤的频发引发了公众的讨论。在马拉松比赛中，膝关节是常见损伤部位[1]。马拉松教练员对可能造成运动员膝关节损伤的潜在危险因素的主观感知和客观风险之间存在差异，预测马拉松运动员膝关节潜在损伤是预测运动员在比赛中的可能出现不良后果的前提，为了避免马拉松运动员膝关节的各种损伤，需要对膝关节潜在损伤进行预测。精确预测马拉松运动员膝关节的潜在损伤已经引起了许多专业人士的关注，并有许多可行的方法被研究。目前的预测方法大多是专家的观点和历史文献的参考，该方法在一定程度上预测了膝关节的损伤，但仍有许多不利于膝关节损伤的预防和治疗的潜在损伤有待发现[2]。针对上述预测方法的优缺点，在此研究的基础上，本文提出了一种新的预测方法。采用分层抽样的方法，对马拉松运动员的损伤情况进行调查。调查内容包括运动员的性别、锻炼时间、地点、类型和受伤原因等。实验结果表明，该方法可以提高预测精确度，为预防马拉松运动员膝关节损伤提供了前提。

1 马拉松运动员膝关节潜在损伤的预测研究

1.1 马拉松运动员膝关节特点分析

采用问卷调查法、马拉松网络数据库分析法、视频分析法，结合三维运动分析技术，对马拉松运动员膝关节损伤情况及特点进行分析。具体流程如下:

共发放问卷200份，回收188份，回收率94%。剔除8份剩余问题50%以上为空白的无效问卷，问卷有效回收率为90%。有效问卷180份。

用专业摄影机将马拉松运动员的运动记录为视频。利用专业软件对运动视频进行分割，并对分割后的运动视频进行分析。然后结合跑步者剧烈关节损伤的诱发因素，选择相应的指标进行相关性分析。测试如下表1所示

表1 马拉松运动员膝关节损伤检测指标

根据表1检验指标，采用SPSS统计软件对马拉松运动员记录的运动数据进行统计分析，并对统计结果进行差异分析。根据所获得的视频进行结果分析，180名运动员中有126人有膝关节损伤，另外54名无损伤，膝关节损伤占总人数的70%，而无损伤者占30%。半月板损伤发生在60名跑步者中，占膝关节损伤跑步者总数的48%。其中髌骨劳损34例，占总数的27%。跑步者侧副韧带损伤28例，占总数的22%。其余4名运动员膝关节髌骨软骨软化，占总人数的3%。参与问卷调查的跑步者膝关节损伤类型所占比例如图1所示。

图1 马拉松运动员膝关节损伤类型所占比例

从图1可以看出，马拉松运动员膝关节损伤以半月板损伤为主，其次为髌骨劳损和侧副韧带损伤。马拉松运动员膝关节损伤的严重程度可分为三种类型。受伤后，运动员仍可按训练计划进行训练，称为轻度损伤;运动员受伤后一周内不能按照训练计划继续训练，需要减少或停止训练，称为中度损伤;运动员在受伤超过一周后扔无法进行锻炼的称为重度损伤[3]。

表2 马拉松运动员膝关节损伤程度问卷调查结果 (N =126)

表3 马拉松运动员膝关节损伤程度及运动时间问卷调查结果 (N =126)

126份问卷的统计分析结果见表2和表3。结果表明，马拉松运动员膝关节损伤以中度损伤为主。频繁和较长时间的运动给膝关节增加了更多的压力，容易造成膝关节的损伤，同时，令损伤的严重程度增加[4]。

1.2 马拉松运动员膝关节损伤的诱发因素分析

基于1.1节膝关节损伤现状及特点的基础上，分析了膝关节损伤的诱发因素。具体步骤如下:通过对126名马拉松运动员膝关节损伤原因的统计分析，90名马拉松运动员发现缺乏热身是膝关节损伤的重要原因，占总数的71.4%。14名马拉松运动员认为，不合理的训练负荷使身体过度疲劳，占总数的11.1%。同时运动员认为身体碰撞、自我保护意识薄弱、身体素质差也是膝关节损伤的主要因素，占总数的8%。调查结果如表4所示，其余因素如缺乏针对性的康复训练、带伤参加训练或比赛、不良气候因素等均未被选择。

表4 马拉松运动员膝关节损伤诱发因素调查分析结果 (N =126)

通过对比分析可知，马拉松运动员膝关节损伤的主要原因有:准备活动不合理、身体疲劳、伸展运动不足。准备活动是马拉松运动员开始跑步前最基本的身体热身运动。准备的目的是充分调动运动员的神经系统、运动神经系统和内脏器官，以适应马拉松训练或比赛的特殊要求，为即将到来的训练或比赛做好准备[5]。科学合理的准备活动是保证马拉松运动员在训练或比赛中身体安全的必要条件。如果运动员缺乏准备活动或准备活动不合理，则容易发生膝关节损伤。

表5 马拉松运动员针对性准备活动和降温活动情况问卷调查结果 (N =126)

从表5可知，在126名膝关节受伤的马拉松运动员中，71.4%的人逐渐意识到训练或比赛准备活动的重要性。有36名膝关节损伤的马拉松运动员由于长期的马拉松训练经验而忽视了自我保护措施，如马拉松训练结束后的冰敷和伸展运动，以及受伤后的保护措施。

表6 马拉松运动员自我保护意识问卷调查结果 (N =126)

对于表6中描述这些问题,有必要加强运动员的关于膝关节损伤的自我保护相关知识,使运动员意识到自我保护的重要性,并且可以为后续预测膝关节损伤提供准确的历史数据。

表7 马拉松运动员膝关节损伤治疗问卷调查结果 (N =126)

从表7的结果可以看出，在126名膝盖受伤的马拉松运动员中，有23.8%的人在膝盖受伤后没有接受任何治疗。61.9%的马拉松运动员在膝盖受伤后24h内接受了治疗。11.1%在膝关节损伤后24h治疗;3.2%的马拉松运动员在膝盖受伤48h后接受治疗。从汇总的数据可以看出，大部分马拉松运动员在膝关节损伤后，都有意识的进行及时治疗。

综上所述，马拉松运动员膝关节损伤诱发因素的结构如图2所示。

图2 马拉松运动员膝关节损伤诱发因素结构

1.3 马拉松运动员潜在膝关节损伤的预测

在分析1.1节膝关节损伤特点和1.2节膝关节损伤因素的基础上，采用相似性测度法对马拉松运动员膝关节潜在损伤进行预测。具体操作如下:假设膝关节损伤大小图像A以M×N表示，则类似的马拉松运动员的(MCD距离)膝关节损伤图像B应计算为:

(1)

其中i和j表示马拉松运动员膝关节损伤图像中的两个像素点；

R(Ai,j,Bi,j)为灰度绝对差，满足以下条件:

(2)

其中，T表示马拉松运动员的运动强度阈值。MCD距离是当前匹配以确定是否需要模板更新。如果需要更新,遵循以下步骤:采用均匀采样的基本思想，我们从A和B两幅分布相同的图像中选取了部分像素来代替其他所有的像素进行误差计算，这些点均匀分布在两幅图像中。假设以SAD为匹配准则计算出两幅图像中1/4的点，采样点误差计算表达式为：

(3)

其中，S0表示马拉松运动员膝关节损伤的物理因素；Sk表示技术因素；K表示训练密度。

采用中心抽样的基本思想，16 x 16的运动图像中的1/4的点的计算，采样点误差计算如下：

(4)

(5)

(6)

(7)

根据上面的公式，我们得到ab，ac，bc的三个运动矢量的距离，然后选择的最小值作为底部边缘的两个最相似的相邻的运动矢量。基于相邻运动矢量的特征方向和运动强度,使两个最相似的运动矢量的平均角作为潜在损伤的角度预测向量,并使两个最相似的运动向量的平均模作为潜在损伤的模型预测向量。经过计算和简化后，换算系数计算如下:

(8)

根据上面的公式(8),马拉松运动员的运动矢量如下：

(9)

2 结果和分析

本实验使用两台日本卡西欧FH25高速摄像机对马拉松运动员进行实时拍摄。实际拍摄参数设置如下:相机快门速度为1/ 2000;相机拍摄光圈为F3.4;相机拍摄距离92mm，相机拍摄频率120fps (640 * 480)。实验中使用两个三脚架，操作设置为:测量相机三脚架高度1.5m，同时标定相机三脚架保持水平;在拍摄马拉松运动员的整个运动过程中，相机的高度一般与运动员的臀部一样高[7]。使用美国生产的APAS视频分析软件对视频和图像进行分析，操作设定为:使用分析软件剪辑马拉松运动员的运动视频——量子化的马拉松运动员运动视频——平滑和滤过马拉松运动员的运动视频,获得所需的运动数据,分析膝关节运动,在分析时使用松井、丰臣秀吉等人体参数模型分析视频,并根据马拉松运动员人体模型标准选择6个膝关节作为量化点,采用低通滤波器对马拉松运动员的三维数据进行平滑处理[8]。运动视频截止频率为16Hz，马拉松运动员原始数据存储在Excel中。马拉松运动员的训练强度是导致未来马拉松训练或比赛中膝关节潜在损伤的重要因素[9]。马拉松运动员每周膝盖训练的概率调查分析如图3所示。图3显示，当马拉松运动员每周训练一次时，膝关节受伤的概率小于10%;当训练强度为每周两次时，膝关节损伤的概率为20%;训练强度为每周5次时，膝关节损伤的发生率为45%;当训练强度为每周8次时，膝关节损伤的概率达到90%。以上分析表明，训练强度越大，膝关节受伤的概率越大，当每周训练强度大于或等于8次时，膝关节一定会受伤。

图3 马拉松运动员训练强度对膝关节损伤的概率的影响

马拉松运动员在训练中或比赛中膝关节屈曲角度也会影响膝关节损伤，分析不同膝关节屈曲角度下膝关节损伤的概率，结果如图4所示。

图4 不同屈曲角度膝关节损伤发生率的比较

从图2可以看出，随着马拉松运动员膝关节屈曲角度的增加，膝关节损伤的概率也在增加。当膝关节屈曲角度为10°时，其概率小于15%;当膝关节屈曲角度为30°时，概率为32%;当膝关节屈曲角度为60°时，概率为60%;当膝关节屈曲角度达到70°～80°时，发生膝关节损伤的概率约为80%。通过对图3和图4的分析可知，膝关节损伤的概率与马拉松运动员的训练强度和膝关节屈曲角度密切相关。为了准确预测马拉松运动员的潜在损伤，需要控制马拉松运动员的训练强度和膝关节屈曲角度。预测的准确性是衡量马拉松运动员是否会发生潜在的膝关节损伤。将本文的方法和其他研究中提出的方法对膝关节潜在损伤的预测精确度进行了分析。实验结果如图5所示。

图5 不同方法预测精度的比较

图5显示，比较不同方法的预测精度后发现通过彭发胜[10]分析潜在的膝关节损伤的预测精度是较低的，魏剑波[11]中提出的方法比彭发胜[10]有更高的预测精度,但与本方法相比,预测精度还不高。这是由于对马拉松运动员膝关节损伤的内外部因素分析不全面造成的。本文综合分析了膝关节损伤的特点及损伤原因，具有较高的预测精确度。

3 结论

目前用于马拉松运动员膝关节潜在损伤预测的方法存在损伤因素分析不全面、预测精确度低等问题。本文提出了一种新的预测马拉松运动员膝关节潜在损伤的方法。实验结果表明，训练强度和膝关节屈曲角度影响马拉松运动员膝关节损伤的概率，该方法具有较高的预测精确度，为后续预防膝关节损伤奠定了基础。