使用红外热成像技术监测业余自行车运动员肌肉疲劳与生物力学的标准化方案

Salvador Ortiz Santos; Georgina del Carmen Mota Valtierra; Ma. Cristina Vazquez Hernández; Jesús Norberto Guerrero Tavares; Blanca Cecilia López Ramírez; Gonzalo Macias Bobadilla

doi:10.3791/69926

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使用红外热成像技术监测业余自行车运动员肌肉疲劳与生物力学的标准化方案

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DOI：

10.3791/69926

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2026年3月20日

Salvador Ortiz Santos¹ , Georgina del Carmen Mota Valtierra¹ , Ma. Cristina Vazquez Hernández² , Jesús Norberto Guerrero Tavares³ , Blanca Cecilia López Ramírez² , Gonzalo Macias Bobadilla¹

¹Facultad de Ingeniería, Universidad Autónoma de Querétaro, ²Tecnológico Nacional de México/IT de Roque, ³Tecnológico Nacional de México/ITS de Abasolo

本文内容

摘要

自行车运动生物力学依赖于高效的肌肉激活和核心稳定性。红外热成像（IRT）可实现对肌肉疲劳的无创监测。本方案建立了将红外热成像技术整合到生物力学分析中的标准化方法，旨在通过精确的生理监测，优化业余自行车运动员的运动表现并预防运动损伤。

摘要

固定自行车的使用显著增加，使体育锻炼对普通人群而言更加便捷。然而，在训练过程中缺乏精确且无创的监测手段，可能掩盖肌肉失衡和低效的生物力学模式。这些因素在初期阶段具有亚临床特征，但可能导致肌肉骨骼损伤的发生率升高。目前，运动评估主要依赖于主观用力感知或常规性能指标，这在生理问题进展为慢性病症之前的早期检测方面形成了关键性空白。鉴于运动在公共健康中的重要作用，迫切需要实施适用于不同健身水平的可持续评估策略。在此背景下，红外热成像技术（IRT）因其能够量化皮肤表面温度——即代谢活性、体温调节和血流的直接指标——而成为一种颇具前景的替代方法。本项目建立了一种标准化的方法学流程，利用 IRT 对非运动员人群在骑行过程中的生理反应进行监测。该流程的应用表明，标准化 IRT 能够有效检测出通过主观用力感知（Borg 量表）或踏频监测无法发现的亚临床热不对称性和关节局部“热点”（例如膝关节温度为 32.8 °C）。通过系统控制环境和受试者相关变量，本研究分析下肢体表温度分布，以评估生物力学状态和肌肉疲劳程度。具体而言，该流程有助于建立热分布模式、疲劳水平与踏频之间的关联。这一方法不仅推动了预防医学与公共卫生领域的技术创新，也为开发一种可降低损伤风险并优化参与该活动人群健康状况的早期检测工具奠定了基础。

引言

自行车运动的生物力学是一门多方面的学科，它结合了人体运动、肌肉生理学和能量传递的原理，以优化运动表现并预防损伤。自行车运动的核心在于动力阶段与恢复阶段的周期性交替：在动力阶段，股四头肌、臀肌和腓肠肌产生大部分推进力；在恢复阶段，腘绳肌和髋屈肌则协助下肢回到初始位置。能量向踏板的高效传递不仅依赖于下肢肌肉的激活，还关键取决于核心稳定性，后者可确保生物力学效率，并最大限度减少可能导致骑车人受伤的代偿性动作¹^,²^,³。

目前，研究人员正致力于评估骑行过程中的肌肉激活模式、疲劳程度以及体温调节反应³^,⁴^,⁵。这一研究兴趣源于人们认识到，肌肉疲劳是一种复杂的生理现象，会损害运动表现并增加受伤风险，因此对精英运动员和业余骑行者而言，肌肉疲劳的早期检测与管理至关重要²^,⁶。在众多可用的评估工具中，红外热成像技术（IRT）已被确立为一种有前景的、非侵入性的监测肌肉活动与疲劳状态的方法⁵。IRT 能够可视化皮肤温度的变化，这些变化可能反映运动过程中潜在的肌肉激活状态和体温调节机制，进而直接影响运动员的新陈代谢⁵^,⁷。

尽管红外热成像技术具有潜力，但其在自行车运动生物力学研究与实践中的应用仍面临若干方法学挑战。虽然在一般性体育运动和临床背景下已提出了一些标准操作程序（SOP）⁸^,⁹，但现有协议仍需进一步优化，以应对业余自行车运动特有的生理需求和对流冷却条件⁷^,¹⁰。环境条件的差异、受试者准备过程的不一致，以及在解剖感兴趣区域选择方面缺乏共识，限制了不同研究之间结果的可重复性和可比性¹^,⁵^,⁷^,⁹。这些局限性凸显了建立严格方法学框架的必要性，以充分释放红外热成像技术在自行车运动领域的应用潜力⁷^,¹⁰^,¹¹^,¹²。

文献表明，该领域的主要主题轴包括运动生理学、红外热成像技术（IRT）、皮肤温度监测、运动表现和体温调节²^,⁵^,⁷。研究已证实皮肤温度与肌肉激活参数（例如通过表面肌电图（sEMG）获得的参数）之间存在显著相关性，提示在动态运动过程中，IRT可作为肌肉疲劳的替代指标⁵。然而，出汗、环境温度以及个体体温调节能力的差异等外部因素可能影响热成像结果，因此需要对实验条件进行严格控制并详细报告⁷。

同样，无创性肌肉疲劳监测技术的进步已超越红外热成像（IRT），涵盖了表面肌电图（sEMG）、机械肌电图（MMG）、近红外光谱（NIRS）和超声成像等方法¹³^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷。每种技术均可提供关于肌肉功能的独特信息：sEMG用于量化收缩期间的电活动，MMG捕捉机械振动，NIRS评估肌肉氧合状态，而超声则可可视化肌肉形变。将IRT整合到这一多模态监测体系中，在自行车运动领域尤其具有前景，因为在该场景中连续、非接触式监测具有显著优势。IRT可通过提供空间分辨的、实时的皮肤温度分布数据，补充其他监测手段，这些温度变化可能反映局部肌肉激活情况、左右不对称性以及潜在的过度使用或损伤部位¹⁴^,¹⁸。

为了克服以往研究中发现的方法学不一致性，本研究提出的方案严格遵循临床与运动热成像领域的国际标准。具体而言，受试者准备和环境控制参数——例如对兴奋剂使用和体力活动的限制，以及标准化适应期的应用——均基于国际临床热成像学会（International Academy of Clinical Thermology, IACT）、美国热成像学会（American Academy of Thermology, AAT）以及格拉摩根方案（Glamorgan Protocol）⁸ 所制定的指南。此外，环境与技术设置，包括发射率设定和热应变评估，均遵循 ISO 9886 标准及欧洲热成像协会（European Association of Thermology, EAT）的建议。通过整合这些既定规范，本研究确保了红外热成像（IRT）测量结果能够可靠地反映生理反应，为监测业余自行车运动员的肌肉疲劳与生物力学提供了坚实的框架。

然而，红外热成像技术在自行车运动生物力学中的成功应用需要建立标准化的方法学。这包括定义运动前适应期、控制环境温度和湿度、保持受试者准备条件的一致性，以及为热分析精确定义解剖学感兴趣区域⁵^,⁷。此外，建立可靠的数据分析方案将有助于提高红外热成像数据的可解释性和实用性⁵。

本研究通过提出并验证一种将红外热成像技术（IRT）整合到业余自行车运动员生物力学分析中的综合性方法学框架，弥补了上述不足。通过系统控制环境和受试者相关变量，并将热成像数据与已确立的肌肉激活和疲劳标志物进行关联，该方法旨在优化肌肉疲劳的监测，有助于预防运动损伤，并提升运动表现²^,⁵^,⁷^,¹⁴。

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方案

本研究方案遵循《赫尔辛基宣言》中的伦理原则进行。由于红外热成像技术具有非侵入性和非接触性的特点，因此在整个监测过程中均保障了受试者的安全性。所有受试者在任何操作开始前均签署了书面知情同意书，同意将其生理数据用于科研目的。本研究遵循克雷塔罗自治大学工程学院的内部研究指南，确保受试者的匿名性与数据安全。

注意：为了克服以往研究中发现的方法学不一致问题，本研究提出的方案严格遵循临床与运动热成像领域的国际标准。具体而言，受试者准备与环境控制参数依据国际临床热力学学会（IACT）、美国热力学学会（AAT）以及格拉摩根方案（Glamorgan Protocol）所制定的指南进行设定。此外，技术参数设置（如发射率设定与热应变评估）遵循 ISO 9886 标准及欧洲热力学协会（EAT）的建议。该方案的可行性已在60名来自墨西哥克雷塔罗自治大学（Universidad Autónoma de Querétaro）的生物医学工程专业学生中得到验证，受试者年龄介于20至25岁之间，以确保方案依从性与基线同质性。选择该特定人群可确保受试者高度遵守测试前限制条件，并提供生理基线的一致性，以验证热成像采集结果的可重复性。

1. 受试者准备与环境控制（可重复性与人口统计学影响）

纳入标准与受试者因素
1. 记录每位受试者的年龄和性别，用于分析年龄差异和性别效应。
2. 记录受试者的身高和体重，用于解剖学参数的计算。
3. 使用Borg自觉用力评分（RPE）量表（6–20）。指导受试者在测试前后指出代表其当前用力程度的数字，以将生理数据与主观疲劳程度相关联。
摄入限制与皮肤准备
1. 禁止受试者在测量前24小时内摄入酒精和尼古丁。
2. 禁止受试者在测试前3小时内摄入咖啡因或进行剧烈运动。
3. 指导受试者在测试前12小时内不要在下肢涂抹乳霜、化妆品或药膏。
4. 确认受试者已充分补水，并在测试前数据表中记录此情况。
5. 使用临床秤在测试前记录体重。要求受试者在测试前30分钟饮用300 mL水，以确保标准化的基础水合状态。
服装与姿势的标准化
1. 指导受试者完全脱去下肢衣物。
2. 提供标准化的骑行短裤（黑色莱卡材质，无可见接缝）。
环境与静息条件的标准化
1. 将数字温湿度计放置在距离受试者1 m、高度为1 m的位置。确认环境温度在18–25 °C之间，相对湿度在40%至55%之间。每5分钟在电子表格中记录一次这些数值。
2. 确保无直接气流、阳光照射或冷热源干扰，以免影响体温调节。
3. 进行15分钟静坐休息，以适应环境条件。
4. 将受试者安置在固定自行车上，摆成规定姿势。

2. 热成像图像的配置与采集

打开热成像相机的内部设置菜单。导航至物体参数，手动输入发射率（ε）为0.98。将反射表观温度设置为与步骤1.4.1中测得的环境温度一致。
1. 使用最小分辨率为320 × 240像素的红外热成像（IRF）热成像相机。
2. 将人体皮肤表面的发射率（ε）设为0.98。
3. 使用激光测距仪或物理卷尺，将三脚架精确放置在自行车曲柄组侧平面100 cm处。用胶带在地面上标记三脚架支脚的位置，以确保每次拍摄之间无位移。
4. 在仪器设置中输入环境相对湿度。
5. 设置实验室的大气温度，并输入外部温度。
解剖定位与图像采集。
1. 将热成像仪安装在三脚架上，并将相机高度设置为距地面30 cm。
2. 使镜头与受试者下肢末端呈垂直角度（≈90°）。
3. 在热分析软件中选择多边形/矩形感兴趣区域（ROI）工具。点击并拖动，在股直肌（位于髂前上棘与髌骨中点处）上方划定一个10 × 5 cm的矩形区域。点击计算以提取平均温度（T_mean）。
测量时间点协议
1. 在完成15分钟静息期后立即采集热成像图像。
2. 为确保在5秒内完成采集，研究人员应站在相机后方，预先设定好焦距。在听到"停止踩踏"信号时，将优势腿伸展至6点钟位置；立即按下相机触发器上的采集/冻结按钮。
3. 运动后恢复期：在运动结束后10分钟采集第三张热成像图像。

3. 实验实验方案执行

将固定式自行车设置为功率计模式，固定负荷为150 W（若需按受试者体重标准化功率，则相应调整）。
使用数字节拍器或自行车自带的控制台，设定并维持80 RPM的恒定踏频。指导受试者将踏频保持在±5 RPM范围内，以确保产生稳定的体温调节反应。
确认热成像相机设置为标准记录模式，温度范围为20 °C至45 °C，发射率为0.98。

4. 数据分析与标准化

使用公式计算热位移（ΔT）：ΔT = T_post - T_pre。对优势侧和非优势侧肢体均进行此计算，以确定热不对称性（ΔT_asymmetry= |T_right - T_left|）
避免对原始红外热成像图像进行篡改或裁剪。
保留初始图像分辨率和完整的元数据以供分析。

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结果

自行车运动生物力学：
自行车运动生物力学作用于踏板旋转周期中。下压阶段（向下）产生主要力量：股四头肌（股直肌、股外侧肌、股内侧肌和股中间肌）是主要动力来源，通过伸展膝关节驱动踏板。臀肌协助完成髋关节伸展，提供动力和稳定性。小腿肌群（腓肠肌和比目鱼肌）最终完成力量的传递。提拉与恢复阶段（向上）为下一次发力做准备：腘绳肌屈曲膝关节并将踏板向上拉动。髋屈肌（髂腰肌、缝匠肌）将腿部上提，完成一个完整循环。稳定性至关重要：核心肌群（腹肌和下背部肌肉）保持躯干稳定，确保力量高效传递至踏板，并在高强度运动中防止能量损耗。该肌肉协同机制如图1所示。

热成像分析：
红外热成像已确立为评估运动中生理应激和肌肉疲劳的关键非侵入性工具。其价值在于能够无接触地监测皮肤温度，为运动员提供安全且舒适的检测方式。热成像有助于评估肌肉激活状态和疲劳程度，因此在通过识别异常温度模式和热不对称性来预防损伤及监测恢复过程中具有重要意义。尽管具有诸多优势，该领域目前仍缺乏统一的标准...

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讨论

该研究基于两个支柱：红外热成像（IRT）作为测量生理应激的非侵入性工具的有效性，以及迫切需要对其方法学流程进行标准化。使用IRT评估自行车运动疲劳的合理性已通过网络分析（图2）得到证实，该分析确立了皮肤温度和运动监测作为相关文献中的核心主题¹^,²^,⁴。

所提出的实验方案解决了 "方法学混乱" 如表1和表2所示，研究之间存在极大的变异性。通过严格的环境控制（温度和湿度的标准化）、详细的受试者准备（限制摄入咖啡因和酒精）以及成像参数的标准化（设定发射率、距离和角度），可有效降低偏倚，从而消除外部变量的影响⁸^,⁹^,¹⁰.

图3验证了体温调节的动力学...

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披露

作者声明，他们不存在任何已知的可能影响本文报道工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢 Humberto Aguirre Becerra 对手稿的审阅。

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材料

本文使用的材料清单
姓名	公司	目录编号	评论
博格量表	博格感知	RPE 6-20 量表	使用6-20级RPE量表将主观疲劳感与客观的热不对称性及亚临床热点进行关联分析。
可控室	内部设施	生理学实验室	环境保持在18 °C 至 25 °C 和 40–55% 湿度，以确保皮肤温度稳定并尽量减少对流干扰。
数据记录表	谷歌	Google 表单（数字录入）	用于记录人体测量数据（年龄、性别、BMI）和水合状态的标准化表格，以控制个体间的体温调节变量。
知情同意	当地伦理委员会	机构格式	经当地伦理委员会批准的文件，确保遵循《赫尔辛基宣言》进行非侵入性监测。
红外相机	FLIR 系统公司	49001-2001	高分辨率（320 x 240 像素）热成像仪设置为 ε = 0.98，用于测量局部代谢产热及热位移（ΔT)。
标记工具	BIC / 身体医学	皮肤标记/地面胶带	使用对皮肤安全的标记笔和地面胶带，将相机与受试者之间的距离精确固定为100 cm，并确保解剖学感兴趣区域（ROI）的一致对齐。
测高仪 &和规模	SECA	763（数字站）	用于记录身高和体重的工具；对于计算标准化功率及记录受试者个体生理基线至关重要。
标准化短片	耐克	HV0411-010 / CZ9831-010	采用黑色莱卡服装以标准化皮肤发射率，并为下肢感兴趣区域（ROIs）提供无遮挡的接触 access。
固定自行车	莫纳克	828E Ergomedic	电磁功率计设定为固定负荷（例如，150 W）和恒定踏频（80 RPM），以确保稳态代谢产热。
秒表	卡西欧	HS-3V-1RET	准确计时15分钟适应期，并确保在运动后5秒内完成红外成像，以避免快速的热信号衰减。
温度计-湿度计	控制公司/可追溯	4040	实时监测设备；用于将环境温度和湿度输入红外相机的物体参数中，以进行大气校正。
三脚架	菲力尔系统公司	T197731	高度为30 cm且呈垂直角度的稳定支撑架（≈90°) 用于下肢可重复成像采集。

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