1. 引言
竞技游泳的表现深受运动执行效率以及运动员在最小化流体阻力同时产生推进力能力的影响。在四种竞技泳姿中，蛙泳因其上下肢的高度协调性要求以及下肢蹬腿对推进力的主要贡献，被认为是技术最复杂的泳姿之一。脚部方向、踝关节背屈角度以及收腿与蹬腿阶段之间时相的微小变化，都可能导致游泳效率和比赛成绩的显著差异。
传统的游泳技术分析主要依赖于基于视频的运动捕捉系统，包括水上和水下摄像机。虽然这些方法提供了有价值的定性和定量信息，但它们在常规训练环境中存在诸多限制，例如设置复杂、需要专业设施、后期处理耗时等。此外，遮挡、水中的折射效应以及有限的捕获范围会降低测量精度，特别是对于足、踝等远端肢体。
近年来，可穿戴惯性测量单元（Inertial Measurement Units, IMUs）已成为运动领域人体运动分析的有前景的替代方案。IMU与光学系统相比，具有便携、易用、不限制运动员活动、能够在真实训练和比赛环境中收集数据等优势。在游泳中，惯性传感器已被越来越多地用于不同泳姿的划水检测、趟数计数、速度估算和技术分析。实时生物力学反馈系统作为一种赋能技术，因其在动作执行过程中实现了感知、处理和即时反馈的闭环，越来越被视为促进技能习得的关键，这对处于技术巩固关键期的年轻运动员尤为重要。
尽管关注度日增，但与其它泳姿相比，可穿戴惯性传感器在蛙泳特异性下肢分析中的应用仍相对有限。此外，当前方法多集中于赛后分析，在训练期间使用实时反馈有限。将可穿戴传感技术与实时可视化工具结合，可能通过支持训练过程中的技术意识并促进纠正性干预，提供额外益处。因此，本研究的目的是进行一项探索性初步调查，检验基于传感器的训练干预对青少年游泳运动员蛙泳蹬腿表现的影响，特别关注短期训练计划后（i）计时游泳表现和（ii）蛙泳蹬腿被动与主动阶段定性执行情况的变化。
2. 材料与方法
2.1. 研究设计与环境
本研究是一项为期三个月的探索性初步调查，采用单组前-后实验设计，旨在评估传感器辅助训练方法的效果。所有实验和训练课程均在室内泳池的标准化条件下进行，时间、程序、训练内容保持一致，以减少环境和日内节律的干扰。该研究为可行性验证，未设对照组。
2.2. 参与者
共有五名男童（平均年龄：8.8 ± 0.84岁）参与本研究。所有参与者均具备基本的蛙泳能力，处于技术发展的初、中级水平，具有2-3年结构化游泳训练经验，每周训练2-3次。受试者的平均身高为133.4 ± 2.70厘米，平均体重为30.6 ± 2.70公斤。
2.3. 仪器与传感器配置
下肢运动学监测使用可穿戴惯性测量单元（Movella Xsens DOT）。该传感器集成了三轴加速度计、陀螺仪和磁力计。在每位参与者的下肢双侧小腿和足背共放置四个IMU。
此配置旨在捕捉与蛙泳蹬腿相关的踝关节背屈、足部外旋和推进力相关的下肢节段方向和运动模式。传感器通过安全方式进行固定，以最大程度减少游泳活动和从池壁反复蹬离时的位移。传感器坐标系遵循右手笛卡尔参考系，并报告相对于本地东-北-上（ENU）参考系统的方向。关节角度通过足部传感器相对于小腿传感器的方向计算得出，踝关节背屈定义为足与小腿节段之间的相对矢状面旋转，足部外旋定义为足部节段相对于小腿节段的相对横断面旋转。
传感器通过蓝牙低功耗5.0（BLE）实时流式传输至运行KineXYZ应用的平板电脑，并同时进行板载数据记录。在每次训练期间，动作数据通过平板电脑上运行的KineXYZ应用在池边进行实时可视化。该平台基于方向数据显示下肢节段的三维可视化，并显示相对关节角度，能够在练习执行过程中直接观察踝关节背屈、足部外旋和下肢对称性。反馈主要在每次练习重复后，在泳池边与教练一起回顾可视化时提供，因此该系统功能上是近实时反馈。除了实时可视化，记录的IMU数据也被导出用于定量生物力学分析。
2.4. 传感器数据采集与处理
传感器以60 Hz采样频率记录数据。每次记录前，传感器通过Movella根节点配置进行同步以确保时间对齐。参与者采用标准解剖参考姿势（直立位，双脚平行，膝盖伸直，手臂放松）约5秒，以初始化方向估计。默认使用磁力计辅助的传感器融合模式。传感器沿小腿和足背纵向放置，视觉上与各节段的解剖长轴对齐。相对关节角度由足部传感器相对于小腿传感器的方向计算得出，不进行额外的解剖学校准。方向数据使用制造商提供的嵌入式传感器融合算法处理，未应用额外的外部滤波。Xsens DOT传感器具有IP68防护等级，通过弹性固定带固定，无不良事件发生。
2.5. 实验方案与训练计划
实验干预在参与者常规的每周游泳训练计划中实施，为期三个月。研究包含五个结构化的传感器辅助干预模块，分布在三个月内。模块之间，参与者继续进行标准游泳训练，不附加传感器反馈。干预的核心是纠正和巩固蛙泳蹬腿技术，特别强调踝关节背屈、足部外旋、收腿阶段的膝盖分离以及蹬腿主动阶段的推进效率。训练内容采用渐进式结构，从陆地和水边的练习开始，发展到水中训练。每次训练持续约60分钟。在所有训练期间，参与者均佩戴上述可穿戴惯性传感器。通过KineXYZ应用提供的实时运动学反馈用于支持技术纠正，该反馈与传统口头教学指导相结合。训练负荷在所有参与者和课程中实现标准化。
2.6. 表现测试与结果测量
参与者在训练计划前后完成四项蛙泳专项表现测试。所有测试均在标准化条件下进行。
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40米扶板蛙泳蹬腿：评估孤立蛙泳蹬腿动作的下肢推进效率。记录最佳时间。
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40米完整蛙泳（无板）：评估无外部支撑的整体蛙泳游泳表现。记录最佳时间。
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蛙泳蹬腿被动（收腿）阶段技术评估：使用基于标准的10分顺序评分系统进行评估。评估方面包括足部外旋、脚底朝后方向、脚趾向外旋转以及收腿阶段的踝关节背屈。由两名评估者（一名经验丰富的游泳教练和研究者）独立评分。
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蛙泳蹬腿主动（推进）阶段技术评估：使用相同的10分评分程序。评估方面包括推进过程中的全脚接触、踝关节背屈的维持、有力且协调的动作执行以及推进后滑行阶段的质量。由相同的两名评估者独立评分。
2.7. 伦理考量
本研究依据《赫尔辛基宣言》进行。根据罗马尼亚非干预性研究的国家法规以及特兰西瓦尼亚大学布拉索夫分校的机构政策，由于研究仅涉及在常规体育训练期间进行的非侵入性表现监测，无需正式伦理委员会批准。在参与前已获得所有参与者监护人的书面知情同意。
2.8. 统计分析
对每个结果测量指标，计算干预后与基线值的平均差异以量化训练计划后的表现变化。对于传感器衍生的运动学变量（峰值踝关节背屈和峰值足部外旋角度），计算每位参与者在基线和干预后的平均值。鉴于探索性性质和小样本量，未对运动学变量应用推断性统计检验。使用配对标准化效应大小（针对依赖样本的Hedges g）量化变化的幅度。
3. 结果
3.1. 基于时间的表现结果
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40米扶板蛙泳蹬腿：所有参与者在干预后完成时间均缩短。平均完成时间从基线到干预后减少了9.06 ± 1.69秒，标准化效应大小为4.79。
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40米完整蛙泳（无板）：干预后平均游泳时间减少了8.17 ± 1.28秒，标准化效应大小为5.30。
3.2. 技术评估结果
两项定性技术结果的评分者间信度良好。被动阶段ICC(A,1)=0.774 (ICC(A,2)=0.873)；主动阶段ICC(A,1)=0.787 (ICC(A,2)=0.881)。基于两名评分者平均分的结果如下：
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被动阶段技术得分：增加了2.05 ± 0.68分，效应大小为2.72。
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主动阶段技术得分：增加了1.35 ± 0.74分，效应大小为1.54。
3.3. 传感器衍生的运动学变量
从IMU方向数据中提取的峰值踝关节背屈和峰值足部外旋角度（每个参与者分析三个连续蹬腿周期的平均值）结果如下：
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峰值踝关节背屈：增加了6.2 ± 0.84°。
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峰值足部外旋：增加了7.2 ± 0.45°。
这两个变量均表现出非常大的标准化效应大小。
3.4. 观察到的变化总结
在所有结果测量指标中，从基线到干预后均观察到一致的改善。鉴于缺乏对照组且样本量有限，这些结果应解释为描述性的变化幅度指标，而非干预效果的因果证据。在非常小的样本中，标准化估计值（如Hedges g）在统计上不稳定，可能高估幅度。
4. 讨论
4.1. 在蛙泳生物力学背景下的表现改善
观察到的计时表现改善具有生物力学意义。蛙泳推进力主要来源于下肢，特别是以协调的髋、膝、踝伸展为特征的推进阶段。节段排列和时相的微小改善可带来推进效率和划水经济性的显著提升。传感器定量分析进一步支持了这些发现。干预后观察到的峰值踝关节背屈和足部外旋角度增加，表明在蹬腿的收腿和推进阶段，节段定位得到改善。这些运动学适应与强调最佳足部方向和踝关节位置以实现有效蛙泳推进力的生物力学原理一致。本研究中，峰值踝关节背屈增加了6.2°，而足部外旋增加了7.2°。这些变化的方向与现有的蛙泳推进力学模型相符。在孤立蹬腿条件下观察到的约9秒的更大相对改善，支持了针对性下肢干预可能与推进力学变化相关的假设。
4.2. 可穿戴惯性传感器在游泳训练环境中的应用
近年来，可穿戴IMU在水生应用中获得了越来越多的验证，包括划水阶段分割、趟数检测和速度分析。本研究通过将IMU不仅用作被动监测设备，而且作为直接整合到训练过程中的主动实时反馈工具，为这一不断发展的研究领域做出了贡献。当前的研究结果表明，IMU衍生的关节方向指标对短期的前后技术变化敏感，这支持了将IMU应用从监测扩展到结构化技术改进的可行性，特别是在青少年游泳人群中。
4.3. 实时反馈与青少年运动员的运动学习
本研究干预的一个显著特点是整合了通过KineXYZ平台的实时运动学可视化。运动学习理论强调增强反馈的重要性，特别是在技能习得的早期阶段。即时视觉反馈可以增强动作意识，减少对延迟口头指导的依赖，并支持更快速的错误纠正。观察到的定性技术得分增加与运动学习文献中描述的增强反馈模型相一致。在游泳情境中，大多数基于可穿戴的分析都是在课后进行的。相比之下，本研究中采用的实时可视化在练习执行期间实现了闭环反馈系统。对于仍在巩固神经肌肉协调和本体感觉意识的年轻游泳运动员（8-10岁），这种对节段方向和对称性的即时呈现可能有助于提高意识并支持正确运动模式的内化。
4.4. 对教练和技术整合的实际意义
从实际角度来看，将可穿戴传感器系统整合到常规游泳课程中，可以为教练提供关于下肢力学的客观见解，而这些见解通常难以通过视觉量化，特别是在水下。在蛙泳中，收腿阶段踝关节位置或对称性的细微偏差会显著影响推进力。因此，传感器辅助监测可以补充传统的定性教学指导。本初步研究证明的可行性表明，可穿戴IMU可以在不中断课程结构的情况下，在真实的训练环境中实施。对于青少年游泳运动员，此类技术可以支持个体化的技术监控和进展跟踪。
4.5. 局限性与未来研究方向
尽管结果令人鼓舞，但必须承认几个局限性。首先，研究样本量小，这限制了普遍性。主要目标是可行性评估。其次，尽管干预后观察到改善，但由于缺乏对照组，无法分离传感器反馈与正常训练进步效应的具体贡献。第三，参与者在干预期间持续接受教练的口头反馈，因此无法完全分离实时传感器可视化的独立效应。未来研究应比较传感器辅助反馈与纯口头指导，以阐明可穿戴可视化系统的独立贡献。技术评分并非在盲法条件下进行，评估者知晓干预时间线，可能引入期望偏倚。穿戴传感器对流体动力学可能存在微小影响。此外，样本小、年龄范围窄，限制了研究结果在相似年龄和水平游泳者中的普适性。
5. 结论
这项探索性初步研究检验了传感器辅助训练干预对青少年游泳运动员蛙泳蹬腿表现的可行性及相关的前后变化。结果表明，在游泳环境中将可穿戴惯性传感器整合到结构化训练计划中是可行的，并且可以支持计时表现和蛙泳蹬腿技术执行质量的改善。游泳时间的持续减少，以及蹬腿被动和主动阶段定性得分的提高，表明干预后下肢协调性、推进效率和技术巩固性得到增强。可穿戴传感器提供的实时运动学反馈的使用，似乎有助于提高技术意识和纠正，特别是对于处于技术发展早期阶段的年轻游泳运动员。从实际角度来看，研究结果凸显了传感器反馈作为传统教练方法补充工具的潜在价值。可穿戴惯性传感器允许在常规训练课程中监测动作执行情况，从而在不干扰训练过程的情况下实现更客观的评估和有针对性的技术改进。鉴于研究的探索性质和有限的样本量，结果应谨慎解读。然而，观察到的趋势支持使用更大的队列、更长的干预周期以及更详细的传感器衍生运动学变量定量分析进行进一步研究。
