優(yōu)秀跳遠(yuǎn)運動員起跳環(huán)節(jié)支撐腿表面肌電活動特征研究

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)運動員起跳環(huán)節(jié)支撐腿表面肌電活動特征研究

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)

通過表面肌電和運動學(xué)同步測試,揭示優(yōu)秀跳遠(yuǎn)運動員起跳環(huán)節(jié)下肢肌肉表面肌電活動特征。研究結(jié)果表明：運動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;所測肌肉最大發(fā)力時的順序為：脛骨前肌首先發(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,在專項訓(xùn)練實踐中,教練員應(yīng)設(shè)計與跳遠(yuǎn)起跳用力特征相一致的專項力量訓(xùn)練手段,以打造出良好的專項力量素質(zhì)。

跳遠(yuǎn);起跳;支撐腿;緩沖;蹬伸;表面肌電;肌電活動

肌電是神經(jīng)、肌肉興奮發(fā)放生物電的結(jié)果,是肌肉運動單位在收縮時所產(chǎn)生的生物電活動的集合。表面肌電 (Surface Electromyogram,sEM G)信號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)活動時的一維時間序列信號,其時頻特征與肌肉的活動狀態(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。由于這種采集技術(shù)簡便易行,無創(chuàng)傷,對技術(shù)動作的干擾小,易于被受試者接受,因而在競技體育科學(xué)研究方面具有重要的實用價值[1]。本研究運用Bivision便攜式16道生物電遙測記錄分析系統(tǒng)和JVC高速攝影機對6名優(yōu)秀跳遠(yuǎn)運動員起跳環(huán)節(jié)進(jìn)行同步測試,目的是正確認(rèn)識和分析起跳環(huán)節(jié)下肢神經(jīng)肌肉活動的內(nèi)在規(guī)律和機理,從而為跳遠(yuǎn)起跳專項力量訓(xùn)練提供理論依據(jù),在實踐中科學(xué)地安排與神經(jīng)肌肉系統(tǒng)用力特征相一致的專項力量訓(xùn)練手段和方法,提高專項運動訓(xùn)練水平。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

受試者為6名高水平跳遠(yuǎn)運動員 (其中國家級健將1名,國家一級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驗意圖,自愿參與本次試驗,測試前24小時未進(jìn)行劇烈運動,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 測試儀器

本研究運用1臺日產(chǎn)JVC9800攝像機 (采樣頻率為25 Hz)和1套德國產(chǎn)Bivision便攜式16道運動生物電遙測記錄分析系統(tǒng) (采樣頻率為1 000 Hz)進(jìn)行同步測試。

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,測試場地布置見圖1。

運動學(xué)數(shù)據(jù)采用JVC9800攝像機采集,定點拍攝范圍為助跑倒數(shù)第二步至起跳腳離板的全過程。為提高運動圖像的精確性,測試對象的主要關(guān)節(jié)點均貼以反光標(biāo)志點。

肌電采集儀與攝像機實現(xiàn)外同步。所測肌肉分別為：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干擾。實驗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)院運動生物力學(xué)教研室自編的運動學(xué)解析系統(tǒng)對各運動學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐幅打點解析。人體參數(shù)模型采用德國模型。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,再對處理后的信號數(shù)值進(jìn)行分析。運動員起跳腿著板至離板時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)為有效特征研究數(shù)據(jù)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 iEM G

積分肌電 (iEM G)是指在一定時間內(nèi)肌肉中參與活動的運動單位放電的總量。在時間不變的前提下,其值的大小在一定程度上反映了參加工作的運動單位的多少和每個運動單位的放電大小。研究證實,運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]。王奎等在運用iEM G評價舉重運動員力量素質(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)來評價力量素質(zhì)并監(jiān)控力量訓(xùn)練大有可為[3]。華立君等在排球運動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)等速測試運動期間采集到的股四頭肌肌電信號可以客觀評價積分肌電與肌力指標(biāo)之間的關(guān)系,指導(dǎo)專項力量訓(xùn)練實踐[4]。劉耀榮通過對跳遠(yuǎn)運動員膝關(guān)節(jié)屈伸肌群等速向心收縮時肌力與sEM G變化特征的研究發(fā)現(xiàn),肌肉在快速收縮時的做功與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)束三個時刻。

表1 起跳環(huán)節(jié)所測肌肉的積分肌電值 uvs

圖3 健將級運動員莊××的原始肌電圖

根據(jù)表1所測肌肉積分肌電值,結(jié)合上述積分肌電與肌力的關(guān)系,可以發(fā)現(xiàn),雖然每個運動員所測肌肉對起跳動作用力的貢獻(xiàn)程度不一樣,但是大部分運動員所測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、腓腸肌是運動員支撐腿的主要發(fā)力肌肉,這一點從原始肌電圖 (圖3)也可以看出。這提示教練員在進(jìn)行專項力量訓(xùn)練時要側(cè)重發(fā)展以上4塊肌肉的力量,既要重視加強股四頭肌蹬伸肌群的專項力量訓(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,提高訓(xùn)練效率。

2.2 Peak-timing

運動員起跳時,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定某個動作肌肉發(fā)力先后順序,從而可以判斷它們之間的協(xié)調(diào)性,還可以判斷運動員的訓(xùn)練程度。訓(xùn)練程度高的運動員在完成動作時,肌肉放電整齊且有一定的規(guī)律性,不會出現(xiàn)多余的肌肉放電現(xiàn)象[6-8]。研究表明,肌肉的肌電活動到達(dá)振幅峰值前的時間 (Peak-timing)可以揭示同一動作階段不同肌肉的最大發(fā)力順序。

表2 起跳階段所測肌肉到達(dá)振幅峰值前的時間s

表2顯示,雖然不同運動員各肌群到達(dá)振幅峰值前的時間存在一定差異,但是從整體趨勢分析,跳遠(yuǎn)水平高的運動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,脛骨前肌作為主動肌在遠(yuǎn)固定條件下主動向心收縮使踝關(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)固定條件下被動離心收縮和股后肌群主動向心收縮配合來完成緩沖時的屈膝。當(dāng)由緩沖過渡到蹬伸階段時,腓腸肌、比目魚等小腿三頭肌作為主動肌在遠(yuǎn)固定條件下主動向心收縮使踝關(guān)節(jié)跖屈,使腳跟提起。股二頭肌等股后肌群在遠(yuǎn)固定條件下被動離心收縮和股四頭肌主動向心收縮完成伸膝和伸髖。

2.3 Co-contraction

隨著對肌肉電生理和表面肌電圖技術(shù)認(rèn)識的不斷深入,越來越多的學(xué)者認(rèn)識到主動肌、拮抗肌、協(xié)同肌的功能特性和相互協(xié)調(diào)性在運動中的重要意義。人體經(jīng)由中樞神經(jīng)系統(tǒng)并通過主動肌和拮抗肌的收縮控制肢體活動的振幅、方向等參數(shù)來形成肌肉的具體活動模式和關(guān)節(jié)活動[9]。正常情況下,當(dāng)主動肌收縮時,中樞神經(jīng)系統(tǒng)會控制拮抗肌協(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)荷運動時,強烈的運動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)有共同收縮時間比、拮抗肌與主動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肌的標(biāo)準(zhǔn)化積分肌電比值反映肌肉的協(xié)調(diào)運動方式[11]。具體而言,就是計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)。這是因為在緩沖階段,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)的動員下充分激活參與緩沖。而且通過對踝關(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烈興奮,運動單位募集程度更大,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,則會提高踝關(guān)節(jié)的剛度,容易導(dǎo)致原動肌主動不足,踝關(guān)節(jié)損傷的概率增大[12-14]。因此在進(jìn)行起跳專項力量訓(xùn)練時切不可忽視加強對脛骨前肌的訓(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)屈伸主動肌收縮時,拮抗肌只是作適當(dāng)?shù)碾x心收縮,使拮抗肌和主動肌的用力達(dá)到協(xié)調(diào)。而膝關(guān)節(jié)周圍的拮抗肌共同收縮強度比較明顯,前后差別不大,這可能是由于在起跳的整個階段腓腸肌和股內(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)力時的活動范圍 (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)肌在最大用力時刻所對應(yīng)的髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度是164±23°、145±12°和102±12°,股內(nèi)側(cè)肌最大用力時刻所對應(yīng)的髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度是176±20°、155±13°和107±11°。腓腸肌最大用力時刻所對應(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刻所對應(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)力時刻下肢三關(guān)節(jié)的動作幅度最小,而股內(nèi)側(cè)肌最大用力時刻三關(guān)節(jié)動作幅度最大。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)實踐證實了的力量訓(xùn)練動態(tài)適應(yīng)性原則,即在動作的幅度與方向 (運動的有效幅度與重點區(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作相適應(yīng)[15]。只有參與專項運動的相應(yīng)肌肉或者肌群在力量訓(xùn)練時被募集、肌肉的工作方式和收縮速度與專項技術(shù)一致、肌肉或肌群之間的協(xié)調(diào)配合與專項技術(shù)特點一致以形成正確的“用力順序”,才能打造出良好的專項力量素質(zhì)。因此,在起跳專項力量訓(xùn)練實踐中,雖然教練員不能精確把握關(guān)節(jié)角度,但是在設(shè)計訓(xùn)練手段時要盡量在上述關(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,所測肌肉對起跳的貢獻(xiàn)程度存在個體差異,但多數(shù)運動員呈現(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)肌等股四頭肌是運動員在起跳環(huán)節(jié)中支撐腿的主要發(fā)力肌肉,提示教練員在進(jìn)行專項力量訓(xùn)練時既要重視加強股四頭肌蹬伸肌群的專項力量訓(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)雖然不同運動員起跳過程中各肌群到達(dá)振幅峰值前的時間存在一定差異,但是從整體趨勢分析,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。在安排專項力量訓(xùn)練時要充分考慮這些肌肉的用力順序。在整個起跳環(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刻所對應(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動范圍內(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)委員會重點科研計劃項目 (08490512900)階段性成果

劉述芝 (1980-),女,湖北襄樊人,講師,博士,研究方向為計算機與體育、體育教學(xué)與專項力量訓(xùn)練。