Биомеханика цикла основана на эффективной активации мышц и стабилизации кора. Инфракрасная термография (ИРТ) обеспечивает неинвазивный мониторинг мышечной усталости. Этот протокол устанавливает стандартизированную методологию интеграции IRT в биомеханический анализ, с целью оптимизации производительности и предотвращения травм у любителей посредством точного физиологического мониторинга.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Стандартизированный протокол мониторинга мышечной усталости и биомеханики у любителей велоспорта с использованием инфракрасной термографии
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Использование стационарных велосипедов значительно увеличилось, что делает физическую активность более доступной для широкой аудитории. Однако отсутствие точного, неинвазивного мониторинга во время тренировок может скрывать мышечные дисбалансы и неэффективные биомеханические паттерны. Эти факторы, будучи субклиническими на начальных стадиях, могут привести к высокой частоте травм опорно-двигательного аппарата. В настоящее время оценка упражнений опирается на субъективное восприятие усилий или традиционные показатели производительности, что создаёт критический разрыв в раннем выявлении физиологических проблем до их перехода в хронические заболевания. Учитывая важнейшую роль упражнений в общественном здравоохранении, крайне важно внедрять устойчивые стратегии оценки, применимые к различным уровням физической подготовки. В этом контексте инфракрасная термография (МПТ) становится перспективной альтернативой благодаря своей способности количественно измерять температуру поверхности кожи, что является прямым индикатором метаболической активности, терморегуляции и кровотока. Этот проект устанавливает стандартизированный методологический протокол с использованием IRT для мониторинга физиологической реакции во время велосессий в неспортивной популяции. Применение этого протокола показало, что стандартизированный IRT может эффективно обнаруживать субклинические тепловые асимметрии и локализованные «горячие точки» в суставах (например, в колене при 32,8 °C), которые иначе нельзя обнаружить с помощью субъективного восприятия усилий (шкала Борга) или мониторинга ритма педали. Систематически контролируя переменные окружающей среды и субъекта, это исследование анализирует распределение температуры поверхности в нижней части тела для оценки биомеханики и мышечной усталости. В частности, протокол облегчает корреляцию между тепловыми паттернами, уровнем усталости и ритмом педалирования. Этот подход не только поддерживает технологические инновации в профилактической медицине и общественном здравоохранении, но и закладывает основу для инструмента раннего выявления, способного снизить риски травм и оптимизировать благополучие населения, вовлечённого в эту деятельность.
Введение
Биомеханика велоспорта — это многогранная дисциплина, объединяющая принципы человеческого движения, мышечной физиологии и передачи энергии для оптимизации производительности и предотвращения травм. В основе велоспорта цикл представляет собой циклическое чередование фазы силы — когда четырёхцепсы, ягодичные мышцы и желудочно-желудочный мышц генерируют основную часть движущей силы — и фазой восстановления, в ходе которой подколенные сухожилия и сгибатели бедра способствуют возвращению ноги в исходное положение. Эффективная передача энергии педалям зависит не только от активации мышц нижней части конечностей, но и критично зависит от стабилизации кора, что обеспечивает биомеханическую эффективность и минимизирует компенсирующие движения, которые могут предрасполагать велосипедиста к травмам 1,2,3.
В настоящее время исследователи сосредоточены на оценке паттернов активации мышц, усталости и терморегуляционных реакций во времявелоспорта 3,4,5. Этот интерес обусловлен признанием того, что мышечная усталость — это сложное явление, ухудшающее производительность и увеличивающее риск травм, а также что её раннее выявление и управление жизненно важны как для элитных, так и для любителейвелосипедистов 2,6. Среди множества доступных инструментов оценки инфракрасная термография (ИРТ) была признана перспективной, неинвазивной техникой для мониторинга мышечной активности иусталости 5. IRT позволяет визуализировать изменения температуры кожи, которые могут отражать активацию мышц и терморегуляцию во время тренировок, напрямую влияющие на метаболизмспортсменов 5,7.
Несмотря на потенциал, применение IRT в исследованиях и практике биомеханики велосипеда сталкивается с рядом методологических вызовов. Хотя некоторые стандартные операционные процедуры (СОП) были предложены в общем спортивном и клиническом контексте 8,9, признаётся необходимость дальнейшего совершенствования существующих протоколов для удовлетворения уникальных физиологических и конвективных потребностей по охлаждению любительскоговелоспорта 7,10. Вариабельность условий окружающей среды, несоответствия в подготовке предмета и отсутствие консенсуса по выбору интересующих анатомических областей ограничили воспроизводимость и сопоставимость результатов в исследованиях 1,5,7,9. Эти ограничения подчёркивают необходимость жёстких методологических рамок для полного раскрытия потенциала IRT в контекстевелоспорта 7,10,11,12.
Литература показывает, что основные тематические направления в этой области включают физиологию упражнений, ИРТ, мониторинг температуры кожи, производительность упражнений итерморегуляцию 2,5,7. Исследования показали значительные корреляции между температурой кожи и параметрами активации мышц, например, полученными с помощью поверхностной электромиографии (sEMG), что позволяет предположить, что IRT может служить суррогатным маркером мышечной усталости во время динамическогоупражнения 5. Однако внешние факторы, такие как потливость, температура окружающей среды и индивидуальные различия в терморегуляторной способности, могут влиять на термографические результаты, что требует тщательного контроля и отчётности о экспериментальныхусловиях 7.
Аналогично, достижения в неинвазивном мониторинге мышечной усталости вышли за рамки IRT и включают такие методы, как sEMG, механомиография (MMG), ближний инфракрасный спектроскопия (NIRS) и ультразвуковаявизуализация 13,14,15,16,17. Каждый метод предлагает уникальные данные о работе мышц: sEMG количественно измеряет электрическую активность во время сокращения, MMG фиксирует механические вибрации, NIRS оценивает мышечную оксигенацию, а ультразвук визуализирует мышечную деформацию. Интеграция IRT в этот мультимодальный ландшафт особенно перспективна для велоспорта, где преимуществом является непрерывный, бесконтактный мониторинг. IRT может дополнять другие методы, предоставляя пространственно разрешенные данные в реальном времени о распределении температуры кожи, что может отражать локализованную активацию мышц, асимметрии и возможные места чрезмерного использования илитравмы 14,18.
Для преодоления методологических несоответствий, выявленных в предыдущих исследованиях, предложенный в этом исследовании протокол строго соответствует международным стандартам клинической и спортивной термографии. В частности, параметры подготовки субъекта и контроля окружающей среды — такие как ограничение стимуляторов и физической активности, а также использование стандартизированных периодов акклиматизации — основаны на руководящих принципах, установленных Международной академией клинической термологии (IACT), Американской академией термологии (AAT) и ПротоколомГламоргана 8. Кроме того, экологические и технические условия, включая оценку эмиссивности и термической деформации, соответствуют стандартам ISO 9886 и рекомендациям Европейской ассоциации термологии (EAT). Интегрируя эти установленные нормы, это исследование гарантирует, что измерения IRT являются надёжным отражением физиологических реакций, обеспечивая надёжную основу для мониторинга мышечной усталости и биомеханики у любителей велосипедистов.
Тем не менее, успешное применение IRT в циклической биомеханике требует создания стандартизированных методологий. Это включает определение периодов акклиматизации до тренировки, контроль температуры и влажности окружающей среды, последовательную подготовку объекта и точное определение анатомических областей для термическогоанализа 5,7. Кроме того, разработка надёжных протоколов анализа данных повысит интерпретируемость и полезность данныхIRT 5.
Настоящее исследование устраняет эти пробелы, предлагая и подтверждая комплексную методологическую основу для интеграции IRT в биомеханический анализ у любителей велосипедистов. Систематически контролируя экологические и связанные с субъектом переменные, а также корреляция тепловых данных с установленными маркерами активации мышц и усталости, этот подход направлен на оптимизацию мониторинга мышечной усталости, вклад в предотвращение травм и улучшение результатов результатов 2,5,7,14.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
Протокол исследований проводился в соответствии с этическими принципами Хельсинкской декларации. Благодаря неинвазивному и бесконтактному характеру инфракрасной термографии безопасность участников была гарантирована на протяжении всего процесса мониторинга. Все испытуемые предоставили письменное информированное согласие перед началом любых процедур, соглашаясь на использование своих физиологических данных в исследовательских целях. Исследование следовало внутренним руководящим принципам инженерного факультета Автономного университета Керетаро, обеспечивая анонимность участников и защиту данных.
ПРИМЕЧАНИЕ: Для устранения методологических несоответствий, выявленных в предыдущих исследованиях, предложенный в этом исследовании протокол строго соответствует международным стандартам клинической и спортивной термографии. В частности, параметры подготовки субъекта и контроля окружающей среды соответствуют рекомендациям, установленным Международной академией клинической термологии (IACT), Американской академией термологии (AAT) и Протоколом Гламоргана. Кроме того, технические параметры, такие как оценка эмиссивности и термической деформации, соответствуют стандартам ISO 9886 и рекомендациям Европейской ассоциации термологии (EAT). Осуществимость этого протокола была подтверждена 60 студентами биомедицинской инженерии из Автономного университета Керетаро в возрасте от 20 до 25 лет для обеспечения соблюдения протоколов и базовой однородности. Эта конкретная популяция обеспечивала высокое соответствие ограничениям до тестирования и обеспечивала однородную физиологическую базу для проверки согласованности термографических отсчётов.
1. Подготовка объектов и контроль окружающей среды (воспроизводимость и демографическое воздействие)
- Критерии включения и предметные факторы
- Запишите возраст и пол каждого участника для анализа возрастных различий и сексуальных эффектов.
- Запишите высоту и массу объекта для использования в анатомических параметрах.
- Применять шкалу оценки Борга по воспринимаемой нагрузке (RPE) (6–20). Попросите испытуемого указать на число, отражающее текущий уровень нагрузки до и после теста, чтобы сопоставить физиологические данные с субъективной усталостью.
- Ограничение потребления и подготовка кожи
- Запретить испытуемому употреблять алкоголь и никотин в течение 24 часов до измерения.
- Запрещайте испытуемому употреблять кофеин и заниматься интенсивными физическими нагрузками в течение 3 часов перед тестом.
- Инструктируйте испытуемого не наносить кремы, косметику или мази на нижние конечности в течение 12 часов до теста.
- Убедитесь, что испытуемый достаточно гидратирован, и запишите это в техническом листе до теста.
- Используйте клинические весы, чтобы зафиксировать массу тела перед тестом. Попросите субъекта выпить 300 мл воды за 30 минут до сеанса, чтобы обеспечить стандартизированное базовое состояние гидратации.
- Стандартизация одежды и осанки
- Инструктировать субъекта полностью раздевать нижние конечности тела.
- Предоставьте стандартные велосипедные шорты (чёрный лайкра без видимых швов).
- Стандартизация экологических и условий отдыха
- Разместите цифровой термогигрометр в 1 м от объекта на высоте 1 м. Проверьте, что температура окружающей среды составляет от 18 до 25 °C, а относительная влажность — от 40% до 55%. Записывайте эти значения каждые 5 минут в таблицу.
- Убедитесь, что нет прямых сквозняков, солнечного света или источников тепла/холода, которые могут повлиять на терморегуляцию.
- Проведите 15-минутный статический сидячий отдых для адаптации к условиям окружающей среды.
- Поместите объект на стационарный велосипед в нужной позе.
2. Конфигурация и получение термографических изображений
- Откройте внутреннее меню настроек тепловизора. Перейдите в Параметры объекта и вручную введите 0.98 для эмиссивности (ε). Установите отражённую кажущуюся температуру так, чтобы она соответствовала температуре окружающей среды, измеренной в шаге 1.4.1.
- Используйте термокамеру с инфракрасным термографом (IRF) с минимальным разрешением 320 x 240 пикселей.
- Установите эмиссивность (ε) на 0,98 для поверхности человеческой кожи.
- Используйте лазерный измеритель расстояния или физическую измерительную ленту, чтобы разместить штатив ровно в 100 см от боковой плоскости коленвала велосипеда. Отметьте положения ножек штатива на полу скотчем, чтобы избежать смещения между захватами.
- Введите относительную влажность окружающей среды в настройки приборов.
- Установите атмосферную температуру лаборатории и введите внешнюю температуру.
- Анатомическое положение и приобретение.
- Поставьте термограф на штатив и установите высоту камеры на 30 см над полом.
- Разместите объектив под перпендикулярным углом (≈90°) к нижней части объекта.
- В программном обеспечении для термического анализа выберите инструмент Polygon/Rectangle ROI. Щелкни и перетяни, чтобы очерчить коробку размером 10 x 5 см над прямой мышцем бедренной кости (примерно посередине между передней верхней подвздошной спиной и надколенником). Нажмите «Вычислить», чтобы получить среднюю температуру (T среднее).
- Протокол измерительных точек
- Сделайте термографическое изображение сразу после завершения 15-минутного периода отдыха.
- Чтобы обеспечить захват в течение 5 секунд, пусть исследователь встанет за камерой с предустановленным фокусом. При сигнале «Прекратить педалирование» вытяните доминирующую ногу до позиции 6 часов; немедленно нажмите кнопку захвата/заморозки на триггере камеры.
- Восстановление после тренировки: Сделайте третий термографический снимок через 10 минут после завершения упражнения.
3. Выполнение протокола
- Установите стационарный велосипед в режим Ergometer с фиксированной нагрузкой 150 Вт (с учетом веса объекта при необходимости нормированной мощности).
- Поставьте цифровой метроном или используйте встроенную консоль велосипеда для поддержания постоянной частоты в 80 оборотов в минуту. Инструктировать субъекта поддерживать этот темп в пределах ±5 об/мин, чтобы обеспечить устойчивый терморегуляторный отклик.
- Проверьте, что тепловизорная камера настроена в стандартный режим записи с температурным диапазоном от 20 °C до 45 °C и эмиссивностью 0,98.
4. Анализ данных и стандартизация
- Вычислите тепловой сдвиг (ΔT) по формуле: ΔT = T post - Tpre. Выполните этот расчёт для доминантных и недоминантных конечностей, чтобы определить тепловую асимметрию (асимметрия ΔT = |Т справа - Тслева|)
- Избегайте манипуляций и обрезания оригинального термографического изображения.
- Сохранить исходное разрешение изображения и полные метаданные для анализа.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Биомеханика велоспорта:
Циклическая биомеханика работает в цикле педаля. Фаза отталкивания (вниз) генерирует основную силу: квадрицепсы (прямая мышца бедра, вастус латеральный, медиалис и межмедийный) — это основные двигатели, выдвигающие колено и приводящие в движение педаль. Ягодицы помогают с разгибанием бедра, обеспечивая силу и стабильность. Теляты (Gastrocnemius и Soleus) завершают передачу силы. Фаза тяги и восстановления (вверх) готовит ногу: задние сухожилия ...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Исследования основаны на двух принципах: эффективности инфракрасной термографии (ИРТ) как неинвазивного инструмента для измерения физиологического стресса и срочной необходимости стандартизации её методологического протокола. Обоснование использования IRT для оценки усталости при велоспорте подтверждается сетевым анализом (рисунок 2), который устанавливает температуру кожи и мониторинг физических упражнений как центральные темы в литературе...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторы заявляют, что у них нет известных конкурирующих финансовых интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, описанную в этой статье.
Благодарности
Авторы выражают признательность Умберто Агирре Бесерре за критическое прочтение рукописи.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Шкала Борга | Восприятие Боргов | Шкала RPE 6-20 | Шкала 6-20 RPE, используемая для корреляции субъективной усталости с объективными тепловыми асимметриями и субклиническими горячими точками. |
| Управляемая камера | Внутренние объекты | Лаборатория физиологии | Окружающая среда поддерживается на уровне 18 градусов; C до 25 градусов; C и 40– 55% влажности для стабильной температуры кожи и минимизации конвективных помех. |
| Листы журнала данных | Google Forms (цифровая запись) | Стандартизированные формы для учёта антропометрических данных (возраст, пол, ИМТ) и статуса гидратации с целью контроля отдельных терморегуляционных переменных. | |
| Информированное согласие | Местный этический комитет | Институциональный формат | Документация, утверждённая местным Этическим комитетом, обеспечивающая соблюдение Хельсинкской декларации для неинвазивного мониторинга. |
| Инфракрасная камера | Системы FLIR | 49001-2001 | Тепловизор высокого разрешения (320 x 240 px) с разрешением ε = 0,98 для измерения локализованных метаболических тепловых и тепловых сдвигов (Δ T). |
| Инструменты для маркировки | BIC / Body Med | Маркер для кожи / Лента для пола | Безопасные для кожи маркеры и лента для пола фиксируют расстояние между камерой и объектом ровно 100 см и обеспечивают равномерное анатомическое выравнивание ROI. |
| Стадиометр и Масштаб | SECA | 763 (цифровая станция) | Инструменты для записи роста и массы тела; необходим для расчёта нормированной мощности и документирования физиологических исходных показателей, специфичных для субъекта. |
| Стандартизированные короткометражки | Nike | HV0411-010 / CZ9831-010 | Одежда из черного лайкры, используемая для стандартизации эмиссивности кожи и обеспечения беспрепятственного доступа к интересующих областям нижних конечностей (ROI). |
| Стационарный велосипед | Monark | 828E Ergomedic | Электромагнитный эргометр настроен на фиксированную рабочую нагрузку (например, 150 Вт) и постоянную частоту (80 об/мин) для обеспечения устойчивого метаболического тепловыделения. |
| Секундомер | Casio | HS-3V-1RET | Критично важно для рассчитания 15-минутного периода акклиматизации и обеспечения захвата ИК-сигнала в течение 5 секунд после тренировки, чтобы избежать быстрого термического распада. |
| Термометр-гигрометр | Контрольная рота/Отслеживаемый | 4040 | Устройство мониторинга в реальном времени; используется для ввода температуры и влажности окружающей среды в параметры объекта ИК-камеры для коррекции атмосферы. |
| Штатив | Системы FLIR | T197731 | Стабильная опора установлена на высоте 30 см и под перпендикулярным углом (≈ 90 градусов ;) до нижних конечностей для повторяемого захвата изображений. |
Ссылки
- Gou, X., Xiong, W. Research on the application of sports biomechanics in optimizing the effect of physical training. Mol Cell Biomech. 22 (2), 1133(2025).
- Penichet-Tomas, A. Applied biomechanics in sports performance, injury prevention, and rehabilitation. Appl Sci. 14 (24), 11623-11623 (2024).
- Al Ardha, M. A., et al. Identifying the research trend of sport biomechanics over the last 20 years: A bibliometric analysis of the Scopus journal database. Phys Educ Theory Methodol. 25 (1), 172-182 (2025).
- Dhahbi, W. Editorial: Advancing biomechanics: Enhancing sports performance, mitigating injury risks, and optimizing athlete rehabilitation. Front Sports Act Living. 7, 1556024-1556024 (2025).
- Shakhih, M. F. M., et al. Non-obstructive monitoring of muscle fatigue for low intensity dynamic exercise with infrared thermography technique. Med Biol Eng Comput. 59, 1447-1459 (2021).
- Li, N., et al. Non-invasive techniques for muscle fatigue monitoring: A comprehensive survey. ACM Comput Surv. 56 (9), 221-221 (2024).
- Clarys, W., et al. Thermography in bike fitting: A literature review. Sensors (Basel). 25 (8), 2356(2025).
- Quesada, J. I. P. Application of Infrared Thermography in Sports Science. , Springer. Cham. (2017).
- Hadžić, V., Širok, B., Malneršič, A., Čoh, M. Can infrared thermography be used to monitor fatigue during exercise? A case study. J Sport Health Sci. 8 (1), 89-92 (2019).
- Hu, C., Du, N., Liu, Z., Song, Y. Can infrared thermal imaging reflect exercise load? An incremental cycling exercise study. Bioengineering. 12 (3), 280-280 (2025).
- Verderber, L., et al. Assessment of alternative metrics in the application of infrared thermography to detect muscle damage in sports. Physiol Meas. 45 (9), 095014-095014 (2024).
- Raharjo, A., Akhiruyanto, A. Analysis of roll spike techniques in sepak takraw players reviewed based on sport biomechanics. Sports Sci Health. 14 (2), 224-230 (2024).
- Huang, L., et al. Electrical impedance myography applied to monitoring of muscle fatigue during dynamic contractions. IEEE Access. 8, 13056-13065 (2020).
- Sheng, X., et al. Toward an integrated multi-modal sEMG/MMG/NIRS sensing system for human-machine interface robust to muscular fatigue. IEEE Sens J. 21, 3702-3712 (2021).
- Qu, M., et al. Continuously monitoring of muscle fatigue based on a wearable micromachined ultrasonic transducer probe. Sens Actuators A Phys. 365, 114892-114892 (2024).
- Al-Mulla, M., Sepulveda, F., Colley, M. A review of non-invasive techniques to detect and predict localised muscle fatigue. Sensors (Basel). 11, 3545-3594 (2011).
- Cifrek, M., Medved, V., Tonkovic, S., Ostojic, S. Surface EMG based muscle fatigue evaluation in biomechanics. Clin Biomech. 24 (4), 327-340 (2009).
- Guo, W., Sheng, X., Zhu, X. Assessment of muscle fatigue based on motor unit firing, muscular vibration and oxygenation via hybrid mini-grid sEMG, MMG, and NIRS sensing. IEEE Trans Instrum Meas. 71, 1-10 (2022).
- Quesada, J. I. P., et al. Relationship between skin temperature and muscle activation during incremental cycle exercise. J Therm Biol. 48, 28-35 (2015).
- Formenti, D., et al. Dynamics of thermographic skin temperature response during squat exercise at two different speeds. J Therm Biol. 59, 58-63 (2016).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
