劉述芝,吳 瑛

(1.上海體育學(xué)院 研究生部,上海 200438;2.上海體育學(xué)院 教務(wù)處,上海 200438)

優(yōu)秀跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員起跳環(huán)節(jié)支撐腿表面肌電活動(dòng)特征研究

劉述芝1,吳 瑛2

(1.上海體育學(xué)院 研究生部,上海 200438;2.上海體育學(xué)院 教務(wù)處,上海 200438)

通過表面肌電和運(yùn)動(dòng)學(xué)同步測(cè)試,揭示優(yōu)秀跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員起跳環(huán)節(jié)下肢肌肉表面肌電活動(dòng)特征。研究結(jié)果表明：運(yùn)動(dòng)員起跳過程中比目魚肌、腓腸肌、股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌是起跳腿的主要發(fā)力肌肉;所測(cè)肌肉最大發(fā)力時(shí)的順序?yàn)椋好劰乔凹∈紫劝l(fā)力,股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌次之,腓腸肌、比目魚肌、股二頭肌依次最后發(fā)力至最大;在整個(gè)起跳環(huán)節(jié),踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的拮抗肌共激活水平較高,其中尤以緩沖階段踝關(guān)節(jié)的共激活水平最高。上述特征提示,在專項(xiàng)訓(xùn)練實(shí)踐中,教練員應(yīng)設(shè)計(jì)與跳遠(yuǎn)起跳用力特征相一致的專項(xiàng)力量訓(xùn)練手段,以打造出良好的專項(xiàng)力量素質(zhì)。

跳遠(yuǎn);起跳;支撐腿;緩沖;蹬伸;表面肌電;肌電活動(dòng)

肌電是神經(jīng)、肌肉興奮發(fā)放生物電的結(jié)果,是肌肉運(yùn)動(dòng)單位在收縮時(shí)所產(chǎn)生的生物電活動(dòng)的集合。表面肌電 (Surface Electromyogram,sEM G)信號(hào)是從皮膚表面通過電極引導(dǎo)、記錄下來的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)的一維時(shí)間序列信號(hào),其時(shí)頻特征與肌肉的活動(dòng)狀態(tài)和功能狀態(tài)之間存在著不同程度的關(guān)聯(lián)性,能在一定程度上反映神經(jīng)肌肉的活動(dòng)。由于這種采集技術(shù)簡(jiǎn)便易行,無創(chuàng)傷,對(duì)技術(shù)動(dòng)作的干擾小,易于被受試者接受,因而在競(jìng)技體育科學(xué)研究方面具有重要的實(shí)用價(jià)值[1]。本研究運(yùn)用Bivision便攜式16道生物電遙測(cè)記錄分析系統(tǒng)和JVC高速攝影機(jī)對(duì)6名優(yōu)秀跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員起跳環(huán)節(jié)進(jìn)行同步測(cè)試,目的是正確認(rèn)識(shí)和分析起跳環(huán)節(jié)下肢神經(jīng)肌肉活動(dòng)的內(nèi)在規(guī)律和機(jī)理,從而為跳遠(yuǎn)起跳專項(xiàng)力量訓(xùn)練提供理論依據(jù),在實(shí)踐中科學(xué)地安排與神經(jīng)肌肉系統(tǒng)用力特征相一致的專項(xiàng)力量訓(xùn)練手段和方法,提高專項(xiàng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練水平。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

受試者為6名高水平跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員 (其中國(guó)家級(jí)健將1名,國(guó)家一級(jí)5名),年齡為17±2歲,身高為178±5cm,體重為70±5kg。所有受試者均理解實(shí)驗(yàn)意圖,自愿參與本次試驗(yàn),測(cè)試前24小時(shí)未進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng),無心臟病史及神經(jīng)肌肉病史,下肢關(guān)節(jié)無傷病。

1.2 研究方法

1.2.1 測(cè)試儀器

本研究運(yùn)用1臺(tái)日產(chǎn)JVC9800攝像機(jī) (采樣頻率為25 Hz)和1套德國(guó)產(chǎn)Bivision便攜式16道運(yùn)動(dòng)生物電遙測(cè)記錄分析系統(tǒng) (采樣頻率為1 000 Hz)進(jìn)行同步測(cè)試。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集在上海體育學(xué)院綜合田徑館內(nèi)進(jìn)行,測(cè)試場(chǎng)地布置見圖1。

運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)采用JVC9800攝像機(jī)采集,定點(diǎn)拍攝范圍為助跑倒數(shù)第二步至起跳腳離板的全過程。為提高運(yùn)動(dòng)圖像的精確性,測(cè)試對(duì)象的主要關(guān)節(jié)點(diǎn)均貼以反光標(biāo)志點(diǎn)。

肌電采集儀與攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)外同步。所測(cè)肌肉分別為：股二頭肌、股外側(cè)肌、股直肌、股內(nèi)側(cè)肌、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭、比目魚肌、脛骨前肌,具體位置見圖2。常規(guī)清潔處理所測(cè)肌肉表面皮膚后,將雙極表面電極順著肌纖維的方向粘貼于肌腹處皮膚表面,以脛骨粗隆處位置作為零電極,并通過A/D轉(zhuǎn)換器與電腦連接。所有電極均用繃帶牢固固定以減少噪聲信號(hào)干擾。實(shí)驗(yàn)前記錄各塊肌肉的最大自主收縮 (MVC)肌電圖。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

采用上海體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)教研室自編的運(yùn)動(dòng)學(xué)解析系統(tǒng)對(duì)各運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐幅打點(diǎn)解析。人體參數(shù)模型采用德國(guó)模型。數(shù)據(jù)的平滑處理采用低通濾波,截止頻率是10 Hz。EM G原始肌電信號(hào)均進(jìn)行整流、高低通濾波、振幅標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字處理,再對(duì)處理后的信號(hào)數(shù)值進(jìn)行分析。運(yùn)動(dòng)員起跳腿著板至離板時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)為有效特征研究數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 iEM G

積分肌電 (iEM G)是指在一定時(shí)間內(nèi)肌肉中參與活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)單位放電的總量。在時(shí)間不變的前提下,其值的大小在一定程度上反映了參加工作的運(yùn)動(dòng)單位的多少和每個(gè)運(yùn)動(dòng)單位的放電大小。研究證實(shí),運(yùn)用積分肌電可以間接反映肌肉的用力狀況。Bilodeau等研究認(rèn)為,在相同的時(shí)間內(nèi)某一肌肉的iEM G大小和其用力程度成高度正相關(guān)[2]。王奎等在運(yùn)用iEM G評(píng)價(jià)舉重運(yùn)動(dòng)員力量素質(zhì)的研究中指出,平均積分肌電與平均峰力矩和平均做功之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系,提示應(yīng)用積分肌電技術(shù)來評(píng)價(jià)力量素質(zhì)并監(jiān)控力量訓(xùn)練大有可為[3]。華立君等在排球運(yùn)動(dòng)員下肢肌力與肌電特征的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn),在膝關(guān)節(jié)等速測(cè)試運(yùn)動(dòng)期間采集到的股四頭肌肌電信號(hào)可以客觀評(píng)價(jià)積分肌電與肌力指標(biāo)之間的關(guān)系,指導(dǎo)專項(xiàng)力量訓(xùn)練實(shí)踐[4]。劉耀榮通過對(duì)跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)屈伸肌群等速向心收縮時(shí)肌力與sEM G變化特征的研究發(fā)現(xiàn),肌肉在快速收縮時(shí)的做功與iEM G成高度相關(guān)[5]。本研究將起跳環(huán)節(jié)積分肌電排名前5的肌肉界定為主要發(fā)力肌肉,積分肌電處理結(jié)果如表1和表2所示,圖3中t1、t2、t3分別代表著板、緩沖結(jié)束、蹬伸結(jié)束三個(gè)時(shí)刻。

表1 起跳環(huán)節(jié)所測(cè)肌肉的積分肌電值 uvs

圖3 健將級(jí)運(yùn)動(dòng)員莊××的原始肌電圖

根據(jù)表1所測(cè)肌肉積分肌電值,結(jié)合上述積分肌電與肌力的關(guān)系,可以發(fā)現(xiàn),雖然每個(gè)運(yùn)動(dòng)員所測(cè)肌肉對(duì)起跳動(dòng)作用力的貢獻(xiàn)程度不一樣,但是大部分運(yùn)動(dòng)員所測(cè)肌肉在起跳過程中的用力大小趨于一致,即：比目魚肌>股外側(cè)肌>股內(nèi)側(cè)肌>腓腸肌>股直肌>股二頭肌>脛骨前肌。由此我們認(rèn)為,在跳遠(yuǎn)起跳環(huán)節(jié)中比目魚肌、股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌、腓腸肌是運(yùn)動(dòng)員支撐腿的主要發(fā)力肌肉,這一點(diǎn)從原始肌電圖 (圖3)也可以看出。這提示教練員在進(jìn)行專項(xiàng)力量訓(xùn)練時(shí)要側(cè)重發(fā)展以上4塊肌肉的力量,既要重視加強(qiáng)股四頭肌蹬伸肌群的專項(xiàng)力量訓(xùn)練,又要發(fā)展小腿三頭肌等小腿后群肌的力量,以達(dá)到協(xié)調(diào)用力的目的,從而抓住訓(xùn)練的重點(diǎn),提高訓(xùn)練效率。

2.2 Peak-timing

運(yùn)動(dòng)員起跳時(shí),各肌肉間的協(xié)調(diào)配合非常重要。通過肌電圖可以很好地評(píng)定某個(gè)動(dòng)作肌肉發(fā)力先后順序,從而可以判斷它們之間的協(xié)調(diào)性,還可以判斷運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練程度。訓(xùn)練程度高的運(yùn)動(dòng)員在完成動(dòng)作時(shí),肌肉放電整齊且有一定的規(guī)律性,不會(huì)出現(xiàn)多余的肌肉放電現(xiàn)象[6-8]。研究表明,肌肉的肌電活動(dòng)到達(dá)振幅峰值前的時(shí)間 (Peak-timing)可以揭示同一動(dòng)作階段不同肌肉的最大發(fā)力順序。

表2 起跳階段所測(cè)肌肉到達(dá)振幅峰值前的時(shí)間s

表2顯示,雖然不同運(yùn)動(dòng)員各肌群到達(dá)振幅峰值前的時(shí)間存在一定差異,但是從整體趨勢(shì)分析,跳遠(yuǎn)水平高的運(yùn)動(dòng)員在起跳過程中支撐腿各肌肉最大發(fā)力的先后順序仍然表現(xiàn)出規(guī)律性：脛骨前肌首先發(fā)力,股四頭肌次之,小腿三頭肌、股二頭肌最后發(fā)力至最大。在起跳著地瞬間,脛骨前肌作為主動(dòng)肌在遠(yuǎn)固定條件下主動(dòng)向心收縮使踝關(guān)節(jié)背屈,股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌等伸膝肌群作為拮抗肌在遠(yuǎn)固定條件下被動(dòng)離心收縮和股后肌群主動(dòng)向心收縮配合來完成緩沖時(shí)的屈膝。當(dāng)由緩沖過渡到蹬伸階段時(shí),腓腸肌、比目魚等小腿三頭肌作為主動(dòng)肌在遠(yuǎn)固定條件下主動(dòng)向心收縮使踝關(guān)節(jié)跖屈,使腳跟提起。股二頭肌等股后肌群在遠(yuǎn)固定條件下被動(dòng)離心收縮和股四頭肌主動(dòng)向心收縮完成伸膝和伸髖。

2.3 Co-contraction

隨著對(duì)肌肉電生理和表面肌電圖技術(shù)認(rèn)識(shí)的不斷深入,越來越多的學(xué)者認(rèn)識(shí)到主動(dòng)肌、拮抗肌、協(xié)同肌的功能特性和相互協(xié)調(diào)性在運(yùn)動(dòng)中的重要意義。人體經(jīng)由中樞神經(jīng)系統(tǒng)并通過主動(dòng)肌和拮抗肌的收縮控制肢體活動(dòng)的振幅、方向等參數(shù)來形成肌肉的具體活動(dòng)模式和關(guān)節(jié)活動(dòng)[9]。正常情況下,當(dāng)主動(dòng)肌收縮時(shí),中樞神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)控制拮抗肌協(xié)調(diào)地放松或作適當(dāng)?shù)仉x心收縮。如果進(jìn)行大負(fù)荷運(yùn)動(dòng)時(shí),強(qiáng)烈的運(yùn)動(dòng)單位興奮可能超過選擇性抑制的能力,而引起拮抗肌的共同收縮 (co-contraction)或共激活 (co-activation),這即是根據(jù)具體要求由中樞神經(jīng)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)的主動(dòng)肌和拮抗肌的協(xié)調(diào)性。在文獻(xiàn)中散在的有關(guān)描述共同收縮的相關(guān)指標(biāo)有共同收縮時(shí)間比、拮抗肌與主動(dòng)肌活化程度的直接比值及協(xié)同收縮率[10]。本研究采用拮抗肌與主動(dòng)肌的標(biāo)準(zhǔn)化積分肌電比值反映肌肉的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)方式[11]。具體而言,就是計(jì)算在起跳過程中下肢三關(guān)節(jié)屈伸的3組單、雙關(guān)節(jié)主動(dòng)肌/拮抗肌,即髖關(guān)節(jié) (股二頭肌BF/股直肌 RF)、膝關(guān)節(jié) (股內(nèi)側(cè)肌MV/腓腸肌內(nèi)側(cè)頭 M G)和踝關(guān)節(jié) (腓腸肌內(nèi)側(cè)頭M G/脛骨前肌TA)的共同收縮比值。

表3 起跳階段拮抗肌共同收縮比值

從表3可以看出,緩沖階段髖、膝、踝三關(guān)節(jié)拮抗肌共同收縮水平由高到低依次為：踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié),而在蹬伸階段的共同收縮水平由高到低依次為：膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)。這是因?yàn)樵诰彌_階段,作用于踝關(guān)節(jié)的垂直沖擊力較膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)大,為了維護(hù)踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性,不至于踝背屈幅度過大,腓腸肌內(nèi)側(cè)頭等小腿三頭肌在神經(jīng)系統(tǒng)的動(dòng)員下充分激活參與緩沖。而且通過對(duì)踝關(guān)節(jié)拮抗肌共同收縮水平進(jìn)行縱向比較發(fā)現(xiàn),緩沖階段共同收縮水平顯著大于蹬伸階段共同收縮水平,說明在緩沖階段拮抗肌強(qiáng)烈興奮,運(yùn)動(dòng)單位募集程度更大,甚至超過選擇性抑制的能力。從原始肌電圖可以看出,在蹬伸階段脛骨前肌作為拮抗肌幾

乎不參與工作,只是作協(xié)調(diào)的放松。但是踝關(guān)節(jié)背屈時(shí)拮抗肌共同收縮水平如果超過維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定性的適宜水平值時(shí),則會(huì)提高踝關(guān)節(jié)的剛度,容易導(dǎo)致原動(dòng)肌主動(dòng)不足,踝關(guān)節(jié)損傷的概率增大[12-14]。因此在進(jìn)行起跳專項(xiàng)力量訓(xùn)練時(shí)切不可忽視加強(qiáng)對(duì)脛骨前肌的訓(xùn)練。無論是在緩沖階段還是在蹬伸階段,髖關(guān)節(jié)的共同收縮水平均小于1,說明當(dāng)髖關(guān)節(jié)屈伸主動(dòng)肌收縮時(shí),拮抗肌只是作適當(dāng)?shù)碾x心收縮,使拮抗肌和主動(dòng)肌的用力達(dá)到協(xié)調(diào)。而膝關(guān)節(jié)周圍的拮抗肌共同收縮強(qiáng)度比較明顯,前后差別不大,這可能是由于在起跳的整個(gè)階段腓腸肌和股內(nèi)側(cè)肌均是主要發(fā)力肌肉所致。

2.4 Exertion scope

表4 起跳階段支撐腿主要肌肉最大發(fā)力時(shí)的活動(dòng)范圍 (ˉx±sd) (°)

在起跳過程中股四頭肌和小腿三頭肌是起主要作用的肌群。從表4可以看出,在起跳過程中,股外側(cè)肌在最大用力時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度是164±23°、145±12°和102±12°,股內(nèi)側(cè)肌最大用力時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度是176±20°、155±13°和107±11°。腓腸肌最大用力時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度是 156±15°、144±13°和101±8°,比目魚肌最大用力時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度是174±13°、148±12°和104±14°。其中,腓腸肌最大發(fā)力時(shí)刻下肢三關(guān)節(jié)的動(dòng)作幅度最小,而股內(nèi)側(cè)肌最大用力時(shí)刻三關(guān)節(jié)動(dòng)作幅度最大。這說明在起跳過程中只有在合理關(guān)節(jié)角度時(shí)肌肉才能發(fā)揮出最大輸出功率。蘇聯(lián)維爾霍山斯基曾提出并經(jīng)實(shí)踐證實(shí)了的力量訓(xùn)練動(dòng)態(tài)適應(yīng)性原則,即在動(dòng)作的幅度與方向 (運(yùn)動(dòng)的有效幅度與重點(diǎn)區(qū))、作用力(肌力)的大小、最大作用力的發(fā)揮速率 (或叫力的梯度)、肌肉工作方式方面必須與比賽動(dòng)作相適應(yīng)[15]。只有參與專項(xiàng)運(yùn)動(dòng)的相應(yīng)肌肉或者肌群在力量訓(xùn)練時(shí)被募集、肌肉的工作方式和收縮速度與專項(xiàng)技術(shù)一致、肌肉或肌群之間的協(xié)調(diào)配合與專項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn)一致以形成正確的“用力順序”,才能打造出良好的專項(xiàng)力量素質(zhì)。因此,在起跳專項(xiàng)力量訓(xùn)練實(shí)踐中,雖然教練員不能精確把握關(guān)節(jié)角度,但是在設(shè)計(jì)訓(xùn)練手段時(shí)要盡量在上述關(guān)節(jié)角度范圍內(nèi)控制主要發(fā)力肌肉。

3 結(jié)論

(1)在起跳不同階段,所測(cè)肌肉對(duì)起跳的貢獻(xiàn)程度存在個(gè)體差異,但多數(shù)運(yùn)動(dòng)員呈現(xiàn)共同規(guī)律。比目魚肌、腓腸肌等小腿三頭肌和股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌等股四頭肌是運(yùn)動(dòng)員在起跳環(huán)節(jié)中支撐腿的主要發(fā)力肌肉,提示教練員在進(jìn)行專項(xiàng)力量訓(xùn)練時(shí)既要重視加強(qiáng)股四頭肌蹬伸肌群的專項(xiàng)力量訓(xùn)練,又要發(fā)展小腿三頭肌等小腿后群肌的力量,以達(dá)到協(xié)調(diào)用力的目的。

(2)雖然不同運(yùn)動(dòng)員起跳過程中各肌群到達(dá)振幅峰值前的時(shí)間存在一定差異,但是從整體趨勢(shì)分析,各肌肉最大發(fā)力先后順序仍然表現(xiàn)出規(guī)律性,即：脛骨前肌首先發(fā)力,股四頭肌次之,小腿三頭肌、股二頭肌最后發(fā)力至最大。在安排專項(xiàng)力量訓(xùn)練時(shí)要充分考慮這些肌肉的用力順序。在整個(gè)起跳環(huán)節(jié),踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的拮抗肌共激活水平較高,其中尤以緩沖階段踝關(guān)節(jié)的共激活水平最高,目的是維持踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。

(3)在起跳過程中,股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌、腓腸肌、比目魚肌等在最大用力時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的起跳腿三關(guān)節(jié)角度各不相同,這說明在起跳過程中只有在合理的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)肌肉才能發(fā)揮出最大輸出功率。

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Elite Long Jumpers’Characteristics of M uscle Activation during Take-off

L IU Shu-zhi1,WU Ying2

(1.Graduate School,Shanghai University of Sport,Shanghai 200438,China;2.Academic Affairs Department,Shanghai University of Sport,Shanghai 200438,China)

Simultaneous surface electromyography and kinematic photographing were used to investigate elite long-jumpers,muscle exertion characteristics during take-off phrase.Results：soleus,medial gastrocnemius,lateral vastus and medial vastuswere the dominating exerting muscles;the p roper exerting o rder of measured muscles was ranked according to the time head of peak amp litude：tibialis anterior,lateral vastus,medial vastus,medial gastrocnemius,soleus,biceps femo ris;during take-off phrase,co-activation of antagonistic m uscle was relatively high,esp.that of the ankle and knee;but during buffering phrase,ankle was highest.Thatmeans：w hen designing special fo rce training methods,the coach should pay attention to the physical exertion of muscles during take-off phrase so as to build better fo rce.

long-jump;take-off;suppo rting leg;buffering;pedal to stretch;surface electromyography;muscle activation

G804.2

A

1008-3596(2010)06-0065-05

2010-06-23

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)重點(diǎn)科研計(jì)劃項(xiàng)目 (08490512900)階段性成果

劉述芝 (1980-),女,湖北襄樊人,講師,博士,研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)與體育、體育教學(xué)與專項(xiàng)力量訓(xùn)練。