空力力を考慮した離陸中のプロのスキージャンパーの筋骨格シミュレーション

はじめに：筋骨格シミュレーションは、さまざまな競争力のあるスポーツでのアスリートの動きを分析するために広く使用されていますが、スキージャンプでは決して使用されません。スキージャンプの離陸中の空力力は、動的シミュレーションで説明するのが困難でした。この研究の目的は、空力力を考慮してスキージャンプの離陸の筋骨格シミュレーションの効率的なアプローチを確立し、筋肉の機能と活動を分析することでした。方法：カメラベースのマーカーレスモーションキャプチャが実装され、8つのプロのジャンパーの離陸運動学を測定しました。シミュレーション用に適切な全身筋骨格モデルが構築されました。逆ダイナミクスの反復に基づく方法が開発および検証され、離陸地面反力を推定しました。体の運動学と計算流体ダイナミクスシミュレーションに基づいて計算された空力力は、筋骨格モデルに外力として加えられました。下肢の筋肉の活性化と関節のトルクの寄与は、静的最適化によって計算されました。結果：推定された離陸地面反力は、過去の研究の結果と同様の傾向を示しています。シミュレートされた筋肉の活性化と以前の研究からのEMGの間の全体的な矛盾が観察されましたが、大腿骨の前脛骨筋、gluteus gluteusの活性化は特定のEMG結果と類似していたことは注目に値します。下肢の伸筋の中で、ソレウス、vastus lateralis、上腕二頭筋の長い頭、大gluteus maximus、および半膜膜嚢は、高レベルの活性化と関節伸長トルクの寄与を示しました。ディスカッション：この研究の結果は、スキージャンプの離陸中に筋肉の作用の理解を進めました。私たちが開発したシミュレーションアプローチは、離陸パフォーマンスを改善するためのジャンパーの物理的なトレーニングを導くのに役立つ可能性があり、スキージャンプの他の段階に拡張することもできます。

Introduction: Musculoskeletal simulation has been widely used to analyze athletes' movements in various competitive sports, but never in ski jumping. Aerodynamic forces during ski jumping take-off have been difficult to account for in dynamic simulation. The purpose of this study was to establish an efficient approach of musculoskeletal simulation of ski jumping take-off considering aerodynamic forces and to analyze the muscle function and activity. Methods: Camera-based marker-less motion capture was implemented to measure the take-off kinematics of eight professional jumpers. A suitable full-body musculoskeletal model was constructed for the simulation. A method based on inverse dynamics iteration was developed and validated to estimate the take-off ground reaction force. The aerodynamic forces, which were calculated based on body kinematics and computational fluid dynamics simulations, were exerted on the musculoskeletal model as external forces. The activation and joint torque contributions of lower extremity muscles were calculated through static optimization. Results: The estimated take-off ground reaction forces show similar trend with the results from past studies. Although overall inconsistencies between simulated muscle activation and EMG from previous studies were observed, it is worth noting that the activation of the tibialis anterior, gluteus maximus, and long head of the biceps femoris was similar to specific EMG results. Among lower extremity extensors, soleus, vastus lateralis, biceps femoris long head, gluteus maximus, and semimembranosus showed high levels of activation and joint extension torque contribution. Discussion: Results of this study advanced the understanding of muscle action during ski jumping take-off. The simulation approach we developed may help guide the physical training of jumpers for improved take-off performance and can also be extended to other phases of ski jumping.