80 cm高度障礙馬肢體角度與越障步態特征關聯性分析

楊鈺瑤，蘇比努爾·卡哈，竇榮乾，殷文彬，孟 軍,2，曾亞琦,2，王建文,2，郭亞亞，楊開鋒，姚新奎,2

(1.新疆農業大學動物科學學院，烏魯木齊 830052；2.新疆馬繁育與運動生理重點實驗室/新疆農業大學馬產業研究院，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】研究障礙馬靜態肢體角度和越障過程中步態特征，探尋障礙馬靜態肢體角度和不同階段步態特征的相關性，對障礙馬匹體型結構選育有實際意義。【前人研究進展】馬匹的肢體角度指標是早期選育馬匹的一個重要特征[1]，其與步態特征緊密相連可作為選育者挑選不同運動類型馬匹的重要指標[2]。在自然狀態站立時通過觀察各個肢體角度對馬匹進行整體評估，根據不同類型賽事選擇相適宜肢體角度[3]。Holmstr?m[4]研究發現，盛裝舞步賽馬和場地障礙賽馬與其它馬匹相比，股骨傾角、髖骨傾角、飛節、膝關節和肩傾角可以作為優秀馬匹關節角度選擇的一個重要指標數據。Fran?ois等[5]經驗證，也得出同樣結果。體型結構指標評判可以用于完善傳統選育方法[6]。王川坤等[7]在不同水平障礙馬越障時步態特征及關節角度初步探究中發現，頭俯仰角，后球關節、前球關節、頸礎角、膝關節、髖骨傾角等在不同越障階段具有重要影響，并且起跳時的髖骨傾角，頭俯仰角；著陸時的飛節角、后球關節等可以用于評估障礙馬的越障性能。在挑選運動性能較好的障礙馬時，馬匹的步態特征指標可以作為選育的參考標準[8-10]。馬匹快步時，髖關節大小會影響運動時的后肢步幅大小[11]。科學地判斷肢體角度和步態特征與運動性能之間關系，對專門化運動馬匹選育工作至關重要[12]。【本研究的切入點】目前我國對于障礙馬肢體角度和步態特征之間的關系研究較少。需研究馬匹肢體角度和4個時期步態特征之間關聯性及內在變化規律，初步篩選出影響越障性能的關鍵肢體角度。【擬解決的關鍵問題】運用運動捕捉技術，研究馬匹靜態肢體角度和步態特征的相關性，分析影響馬匹越障時步態特征相關重要的體型結構指標，為我國障礙馬選育提供依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 馬匹

試驗所采用馬匹均為新疆五家渠市恒尚伯駿馬術俱樂部的障礙馬(溫血馬)20匹，且馬匹體高體尺都基本一致，健康狀況良好，年齡為7～12歲。此馬匹都能越過80 cm障礙高度。試驗中馬匹均采用騎乘跳躍方式越障，騎手身高體重基本一致，具有豐富場地障礙騎乘經驗。

該試驗場地選擇是在室內的障礙賽訓練場，尺寸為(40 m × 60 m)。其試驗地面表層鋪有15 cm厚度復合性纖維沙。

1.1.2 設備

卷尺，JVC-PX100高速攝像機(日本勝利公司)、三腳架。

1.2 方 法

1.2.1 靜態信息采集

讓馬匹自然狀態下保持直立姿勢，使用高速攝像機(幀速率為100 f/s，快門速度為1/1 000s)，拍攝馬匹靜態站立圖像信息，并將圖像導入Kinovea軟件，利用軟件中測定馬匹的頭俯仰角，頸礎角、前球關節、髖骨傾角、股骨傾角、膝關節、后飛節、后球關節等靜態肢體角度。

1.2.2 動態信息采集

在馬匹越障過程中，使用高速攝像機，設置在行進路線左側，機身與鏡頭固定在離地面1.20 m高度，其位置與越障的障礙桿在同一條水平線上，位于馬匹前進路線垂直距離(20±0.5)m，攝像機視野范圍15～18 m，錄制馬匹越障前后2～3個步態周期。

將錄制障礙馬靜態肢體角度和越障時步態特征視頻數據導入Kinovea軟件，試驗使用騎師小腿脛骨長度作為線性參數測量的標尺。并對導入的視頻數據進行數字化處理，逐幀分析起跳階段的后位后蹄支撐相，前位后蹄支撐相、后肢雙支撐相、后肢間隔期、后肢步幅、起跳位置、起跳角度步態特征，懸空階段的后位后蹄擺動相，前位后蹄擺動相、懸空期、跳躍距離指標數據，著陸階段的后位前蹄支撐相，前位前蹄支撐相、前肢雙支撐相、前肢間隔期、前肢步幅、著陸位置、著陸角度步態特征，緩沖階段的后位前蹄擺動相、前位前蹄擺動相、騰空期、騰空期步幅、步頻指標數據。并整理馬匹肢體角度和步態特征各個參數指標數據。

1.3 數據處理

將Kinovea軟件中提取的數據使用Excel 2016進行整理，運用SPSS 26.0統計分析軟件對障礙馬靜態肢體角度和越障時四個階段步態特征進行Pearson相關性分析。

2 結果與分析

2.1 馬匹靜態肢體角度描述性統計量

馬匹靜態肢體角度頭俯仰角，頸礎角、前球關節等參數指標的平均值、標準差、最小值、最大值、和變異系數統計量，從該表可以看出障礙賽馬前球關節，后球關節、后飛節變異系數相對較小，頸礎角變異系數較大，說明在越障馬匹群體內頸礎角離散型程度較高，以便于后期選育。表1

2.2 馬匹步態參數描述性統計量

馬匹四個階段步態的平均值、標準差、最小值、最大值、和變異系數統計量，從該表可以看出障礙賽馬在起跳階段前位后蹄支撐相變異系數相對較小，后肢步幅變異系數較大；在懸空階段前位后蹄擺動相變異系數相對較小，跳躍距離變異系數較大；在著陸階段后位前蹄支撐相變異系數相對較小，前肢步幅變異系數較大；在緩沖階段步頻變異系數相對較小，騰空期步幅變異系數較大；說明在越障馬匹群體內在四個階段后肢步幅，跳躍距離、前肢步幅、騰空期步幅離散型程度較高，以便于后期選育。表2

表1 馬匹肢體角度參數描述性統計量

表2 馬匹步態參數描述性統計量

2.3 馬匹靜態肢體角度與起跳階段步態特征相關性

研究表明，對障礙馬靜態肢體角度和起跳階段步態特征進行相關性分析，試驗組馬匹髖骨傾角和后位后蹄支撐相相關系數為-0.494*、后肢間隔期相關系數為-0.547*、后肢步幅相關系數為-0.470*，即呈顯著負相關(P<0.05)。頭俯仰角和后位后蹄支撐相相關系數為0.495*，即呈顯著正相關(P<0.05)，與起跳位置相關系數為-0.478*，即呈顯著負相關(P<0.05)。表3

2.4 馬匹靜態肢體角度與懸空階段步態特征相關性

研究表明，試驗組馬匹后球關節和前位后蹄擺動相相關系數為0.564**，即呈極顯著正相關(P<0.01)。頭俯仰角和跳躍距離相關系數為-0.512*，即呈顯著負相關(P<0.05)。表4

表3 馬匹肢體角度與起跳階段步態特征相關性

表4 馬匹肢體角度與懸空階段步態特征相關性

2.5 馬匹靜態肢體角度與著陸階段步態特征相關性

研究表明，試驗組馬匹髖骨傾角和后位前蹄支撐相相關系數為-0.488*，即呈顯著負相關(P<0.05)。后飛節和前肢雙支撐相相關系數為0.450*，即呈顯著正相關(P<0.05)，與前肢步幅相關系數為-0.466*，即呈顯著負相關(P<0.05)，而又和前肢間隔期相關系數為-0.592**，即呈極顯著負相關(P<0.01)。后球關節和前肢雙支撐相相關系數為0.568**，即呈極顯著正相關(P<0.01)，而又和前肢間隔期相關系數為-0.721**，即呈極顯著負相關(P<0.01)。表5

表5 馬匹肢體角度與著陸階段步態特征相關性

2.6 馬匹靜態肢體角度與緩沖階段步態特征相關性

研究表明，試驗組馬匹頸礎角和騰空期步幅相關系數為-0.532*，即呈顯著負相關(P<0.05)。前球關節和步頻相關系數為0.524*，即呈顯著正相關(P<0.05)。股骨傾角和后位前蹄擺動相相關系數為0.480*，即呈顯著正相關(P<0.05)。膝關節和騰空期步幅相關系數為0.513*，即呈顯著正相關(P<0.05)。頭俯仰角和前位前蹄擺動相相關系數為0.570**，即呈極顯著正相關(P<0.01)。表6

表6 馬匹肢體角度與緩沖階段步態特征相關性

3 討 論

3.1 肢體角度對起跳階段步態特征的影響

Góme等[13]研究表明，肢體角度變化是影響馬匹越障成功關鍵要素之一。起跳的高度和垂直速度以及后肢向前的推進力是決定越障成功重要因素[14]。試驗結果表明起跳位置和頭俯仰角呈顯著負相關，原因可能是由于當越障高度一定時，根據數學三角模型，馬需要調節起跳位置從而使馬的頭俯仰角始終保持生理最舒適狀態(即自然站立狀態下的頭俯仰角)進行跳躍。Weller等[15]發現髖骨傾角與運動性能相關。在試驗中發現越障較優秀障礙馬都有較大髖骨傾角，有利于提高步幅和速度。起跳時整個軀體靠后肢支撐，如果后肢步幅間距過大和間隔時間過長都會讓馬匹失去平衡導致越障失敗。髖骨傾角越大的馬匹在起跳時后位后蹄支撐相時間就會越短，有助于提高越障時的速度，減少越障時間，間接影響成功越障。

3.2 肢體角度對懸空階段步態特征的影響

馬匹在懸空階段各個肢體角度都是處于伸展狀態，空中停留的時間和跳躍的距離主要是與重心運動軌跡和肢體角度的變化相關[16]。王川坤[17]對不同水平障礙馬匹越障時懸空階段步態特征研究發現，運動性能較好的馬匹跳躍距離越靠近障礙桿。試驗研究結果發現，跳躍距離和頭俯仰角呈顯著負相關，因此頭俯仰角的大小決定馬匹運動性能優良。頭俯仰角較大的馬匹則跳躍距離越近。馬匹的后肢關節角度對肢體的運動有著重要影響，試驗結果表明后球關節和前位后蹄擺動相呈極顯著正相關。后球關節越大，則馬匹的步頻會增加，擺動相和支撐相時間的值都會逐漸減小[18]。

3.3 肢體角度對著陸階段步態特征的影響

Crevier 等[19]研究結果表明，在著陸階段前肢接觸地面雙支撐，主要對整個軀體有一個緩沖的作用，而后肢著陸后主要是推著軀體向前行進。試驗結果表明髖骨傾角和后位前蹄支撐相呈顯著負相關，這可能是髖骨傾角越大的馬匹，在地面支撐的時間則越少，越有利提高速度，運動性能越優良。肢體在越障過程中，由于著陸時角度不同，以及后肢體著陸時有差異性，導致不同的負重模式，故后球關節越大越易維持身體平衡[20]。著陸階段后飛節角和前球節角、后球關節角的活動范圍是明顯大于肩關節角、肘關節角，而近端關節角并沒有遠端關節那樣靈敏，前肢雙支撐相和后球關節呈顯著正相關。

3.4 肢體角度對緩沖階段步態特征的影響

緩沖階段馬匹已經完成第一次越障，此時馬匹會通過調節肢體角度和步態特征，選擇消耗最少的能量來蓄勢完成下一次越障。騰空期步幅是評價速度賽馬匹運動性能重要指標[21]。試驗中研究發現騰空期步幅和膝關節正相關。可能是因為膝關節角較大的馬匹越容易用后肢向前推動發力，步頻就會提高，馬匹行進速度就會提升。Pinto等[22]研究表明，馬匹在奔跑時的后蹬力量、膝關節，髖關節的靈活性等，在一定基礎上都可以影響步幅的大小，與本試驗結果基本一致。

4 結 論

對80 cm高度馬匹靜態肢體角度和越障時4個階段步態特征進行相關性分析表明，障礙馬頭俯仰角變異系數為14.59%，對起跳階段、懸空階段、緩沖階段有顯著影響。髖骨傾角變異系數為20.22%，對起跳階段和著陸階段有顯著影響。后球關節變異系數為3.83%對懸空階段和著陸階段有顯著影響。故頭俯仰角、髖骨傾角、后球關節角等靜態肢體角度可作為重要的障礙馬體型結構指標，用于評估馬匹的越障性能。

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(2) ①、②位置之間，以及③、④位置之間電機體的檢測數據的變化受②、③位置之間電機體變化的影響，同時亦受車體震動、車輪不圓等因素的影響。其變化幅度雖然不大，但是變化規律比較復雜，無法從中得到電機下沉的信息。

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