高水平短跑運動員途中跑擺動技術(shù)表面肌電(sEMG)特征

張 杰，吳 瑛，康文峰

(1.上海體育學(xué)院體育教育訓(xùn)練學(xué)院，上海 200438;2.上海體育學(xué)院教務(wù)處，上海 200438; 3.河南科技大學(xué)體育學(xué)院，河南洛陽471003)

高水平短跑運動員途中跑擺動技術(shù)表面肌電(sEMG)特征

張 杰1，吳 瑛2，康文峰3

(1.上海體育學(xué)院體育教育訓(xùn)練學(xué)院，上海 200438;2.上海體育學(xué)院教務(wù)處，上海 200438; 3.河南科技大學(xué)體育學(xué)院，河南洛陽471003)

運用表面肌電遙測和高速攝像同步測試方法，結(jié)合功能解剖學(xué)知識，揭示我國部分高水平短跑運動員途中跑擺動技術(shù)肌肉活動特征。結(jié)果表明:短跑途中跑擺動技術(shù)肌電特征表現(xiàn)為明顯的時序性，肌肉間的收縮具有高度協(xié)調(diào)性。在完成擺動技術(shù)動作中，折疊前擺階段，闊筋膜張肌、股直肌等屈髖肌以及脛骨前肌是參與活動的主要肌群;下壓著地階段，臀大肌、股二頭肌長頭、半腱肌是參與活動的主要肌群。在專項力量訓(xùn)練實踐中，教練員應(yīng)結(jié)合髖關(guān)節(jié)屈伸肌群的發(fā)力范圍、發(fā)力特點，優(yōu)選專項力量訓(xùn)練的手段，以提高訓(xùn)練效果。

短跑;擺動技術(shù);表面肌電;肌肉活動特征

在現(xiàn)代高水平運動員的專項訓(xùn)練中，通常采用圍繞關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)運動特征以局部的單肌群進行力量訓(xùn)練［1］，研究表明，發(fā)展擺動技術(shù)的肌肉力量采用的練習(xí)手段與完成短跑專項技術(shù)的肌肉用力特征一致，有助于提高訓(xùn)練效果。表面肌電信號是神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的生物電變化在皮膚表面加以引導(dǎo)、放大，并記錄和顯示所得到的一維時間序列信號［2］。通過研究表面肌電信號的時頻域特征可以有效反映肌肉的活動和功能狀態(tài)，能在一定程度上反映神經(jīng)肌肉的活動。因此，本文基于現(xiàn)代短跑技術(shù)理念，運用表面肌電遙測和高速攝像同步測試方法，深入分析擺動技術(shù)的肌肉活動特征，以進一步認(rèn)識短跑途中跑擺動技術(shù)的動作特點和肌肉活動特點。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以我國6名(健將級3人，一級3人)男性高水平短跑運動員為實驗對象，受試者平均年齡22±3 yr，身高181±9cm，體重70±7 kg。

1.2 實驗方法

1.2.1 數(shù)據(jù)采集 運動學(xué)數(shù)據(jù)運用MotionPro X－4 (美國產(chǎn))高速攝像機對短跑途中跑一個復(fù)步動作進行定點定焦拍攝，攝像機主光軸與運動平面垂直，拍攝范圍7米，拍攝距離35米，機高1.1米，采樣頻率100Hz，曝光時間1/1000s。

肌電數(shù)據(jù)運用Biovision(德國產(chǎn))16通道無線遙測表面肌電測試儀進行采集，采樣頻率1000Hz。所測肌肉為右腿闊筋膜張肌、股直肌、股內(nèi)、股外側(cè)肌、臀大肌、股二頭肌長頭、半腱肌、脛骨前肌、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭、腓腸肌外側(cè)頭。肌電數(shù)據(jù)與運動學(xué)數(shù)據(jù)通過無線同步信號器實現(xiàn)同步采集。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理 運用德國SIMI motion錄像解析軟件對運動學(xué)圖像進行解析，選取Dempster模型作為運動學(xué)分析的慣性參數(shù)。采用二階低通濾波法對原始數(shù)據(jù)進行平滑，截止頻率10Hz。運用DASYlab8.0肌電分析軟件對原始肌電數(shù)據(jù)進行處理，原始肌電經(jīng)帶通濾波(截止頻率20－400Hz)，全波整流，求積分肌電(IEMG)［3－4］。相關(guān)數(shù)據(jù)的時間標(biāo)準(zhǔn)化處理:把完整擺動技術(shù)過程作為100%，對數(shù)據(jù)進行樣條插值，取每1%標(biāo)準(zhǔn)化時刻的數(shù)值。文中數(shù)據(jù)的運算與作圖運用Excel2003及origin7.0軟件完成，運動學(xué)各環(huán)節(jié)角度定義為:大腿角:大腿與通過髖的水平線構(gòu)成的后夾角;小腿角:小腿與通過膝的水平線構(gòu)成的后夾角;膝關(guān)節(jié)角:髖、膝、踝三關(guān)節(jié)所構(gòu)成的后夾角。

2 結(jié)果與分析

2.1 運動學(xué)

根據(jù)研究目的需要，選取擺動腿大腿角度、角速度以及小腿角度、角速度作為分析指標(biāo)，由圖1可知，折疊前擺階段，在擺動初期，大腿角有短暫的減小，隨后由最小值59°增至最大160°。小腿角呈現(xiàn)由減小到增大再略微減小的趨勢。從圖2發(fā)現(xiàn)，大腿角屈角速度與角度變化的趨勢比較相似，但在時間上不同步，表現(xiàn)為大腿角屈角速度出現(xiàn)峰值的時間(44%)早于關(guān)節(jié)角度(67%)。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，在垂直支撐時刻前，小腿角屈角速度與大腿角屈角速度先后均出現(xiàn)峰值。

下壓著地階段，大腿角持續(xù)減小，大腿角伸角速度不斷增大;小腿角持續(xù)減小，并且在擺動技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化時間的62%處，小腿角伸角速度達到峰值，且小腿環(huán)節(jié)角速度峰值大于大腿環(huán)節(jié)角速度峰值。

2.2 表面肌電圖

2.2.1 原始肌電圖 原始肌電圖是由肌電采集系統(tǒng)直接采集，沒有經(jīng)過任何信號處理的肌電信號圖。原始肌電圖能夠很好的反映肌肉激活的順序、停止活動的順序以及它們之間的協(xié)調(diào)性作用關(guān)系［3］22。如圖3，運動員支撐腿蹬離地面瞬間，腓腸肌、股二頭肌、半腱肌的電活動逐漸消失［6－7］，其后，闊筋膜張肌、股直肌、脛骨前肌依次出現(xiàn)強烈的電位活動，垂直支撐時刻后，大腿股后肌群、臀大肌的電位活動最為強烈，并且一直持續(xù)到準(zhǔn)備著地時刻。與此同時，股四頭肌也出現(xiàn)了電活動。隨后，腓腸肌內(nèi)側(cè)頭和脛骨前肌幾乎同時出現(xiàn)電活動。在下壓著地階段，除闊筋膜張肌電位明顯降低外，其它各肌群都保持較高的電活動。擺動期，擺動腿各肌群活動的先后順序為:闊筋膜張肌－股直?。劰乔凹。珊蠹∪?股二頭肌長頭、半腱肌)－臀大肌－腓腸肌內(nèi)外側(cè)頭－股四頭肌(股內(nèi)、股外、股直肌)。

2.2.2 積分肌電(IEMG)及肌肉活動貢獻度 積分肌電(IEMG)是指肌電圖曲線所包絡(luò)的面積，它在一定程度上反映了一定時間內(nèi)肌肉中運動單位的放電總量［3］4。肌肉活動貢獻度是指一塊肌肉在完成某一動作時積分肌電值與所測參與完成該動作所有肌肉積分肌電總和的百分比值，也稱肌肉做功百分比。它可以反映每塊參與活動的肌肉在完成動作中發(fā)揮作用的大小、體現(xiàn)動作中的主要用力肌肉。

3 討論

3.1 短跑途中跑擺動技術(shù)動作肌肉活動特點及對訓(xùn)練實踐的啟示

3.1.1 時序性及協(xié)調(diào)性 整體觀察發(fā)現(xiàn)(見圖3)，擺動期擺動腿的肌電活動表現(xiàn)出高度的協(xié)調(diào)性、時序性。折疊前擺階段，支撐腿蹬地結(jié)束后，運動員進入無支撐的騰空期，騰空期的技術(shù)動作表現(xiàn)為大腿帶動小腿加速前擺，在高速前擺的慣性作用下，大小腿充分折疊［7］。對照肌電圖發(fā)現(xiàn):折疊前擺階段，特別是在擺動腿擺過(另一腿)垂直支撐時刻前，屈髖肌(闊筋膜張肌、股直肌)電位強度較高而伸髖肌群(臀大肌、股二頭肌、半腱肌)未見明顯的電位活動，即拮抗肌表現(xiàn)為適時的放松狀態(tài);下壓著地階段，擺動腿的技術(shù)動作表現(xiàn)為大腿積極下壓，小腿回趴，準(zhǔn)備著地。這一階段，伸髖肌(臀大肌、股二頭肌、半腱肌)表現(xiàn)出協(xié)同放電，而股直肌和闊筋膜張肌等屈髖肌的電位活動明顯減弱，也說明了拮抗肌的快速放松能力。短跑是典型的速度型項目，在高速跑動過程中，神經(jīng)系統(tǒng)對肌肉快速收縮和放松的動員能力強、精確性高［8］，擺動期主動肌快速收縮時，拮抗肌適時放松不僅有利于主動肌快速收縮，而且能減少動作周期中能量的消耗，實現(xiàn)能量“節(jié)省化”，提高下肢肌肉的工作能力，肌肉的協(xié)調(diào)放松能力是短跑放松跑的重要體現(xiàn)［9－10］。

3.1.2 雙關(guān)節(jié)肌的活動特點 雙關(guān)節(jié)肌股二頭肌長頭、半腱肌均起自坐骨結(jié)節(jié)，分別止于腓骨頭和脛骨上端內(nèi)側(cè)。折疊前擺階段，有觀點認(rèn)為伸髖屈膝肌(股二頭肌長頭、半腱肌)是影響大小腿折疊角的主要肌群，由于髖關(guān)節(jié)在前擺初期還處于伸展?fàn)顟B(tài)，使這些肌肉保持較高的激活水平，造成了屈膝折疊力量的主動不足［11］。近來，越來越多的研究認(rèn)為:使小腿屈曲的工作不是由股后肌群完成的，而是在支撐期蹬伸的后效應(yīng)引起的隨勢動作［5－7］，特別是在大腿加速前擺的慣性作用下，促進了大小腿迅速折疊。本研究也發(fā)現(xiàn):擺動前期，股二頭肌長頭、半腱肌并沒有出現(xiàn)積極放電且放電頻率較高的現(xiàn)象(見圖3)，可以推斷大小腿的折疊動作并不是騰空期股二頭肌積極收縮的結(jié)果。因此，傳統(tǒng)練習(xí)手段中過多強調(diào)后收腿練習(xí)以提高大小腿折疊能力的有效性值得斟酌，相比較而言，增強屈髖肌的專項力量，改進蹬地技術(shù)，對騰空期大小腿的快速折疊、前擺具有重要意義。

在擺動腿擺過身體垂直支撐面以后，股二頭肌、半腱肌被動拉長，使大腿前擺減速，積極下壓。在下壓過程中，股后肌群同時參與活動以控制小腿進一步伸展。這一階段，股二頭肌作為伸髖動作的原動肌同時作用于膝關(guān)節(jié)使膝關(guān)節(jié)屈，存在多關(guān)節(jié)肌的“主動不足”［12］。所以，在專項力量訓(xùn)練實踐中，長期采用俯臥后屈腿練習(xí)作為股后肌群專項力量訓(xùn)練的手段是一個誤區(qū)，其肌肉工作的性質(zhì)與途中跑過程中肌肉工作的性質(zhì)并不一致，我們必須根據(jù)股后肌群的工作特點，即要充分發(fā)展股后肌群的快速向心力量訓(xùn)練，尤其要重視股后肌群等超長收縮模式下的肌肉力量訓(xùn)練。

雙關(guān)節(jié)肌中的股直肌起于髂前下棘，止于脛骨粗隆，近固定收縮時，使小腿在膝關(guān)節(jié)處伸，也可使大腿在髖關(guān)節(jié)屈。如圖3所示，折疊前擺初期，股直肌的活動強烈，當(dāng)擺動腿擺過身體垂直支撐面后，股直肌的電活動較小，直到準(zhǔn)備著地前再次出現(xiàn)較為明顯的電位變化。折疊前擺階段，股直肌向心收縮使大腿屈并使小腿在膝關(guān)節(jié)處伸，觀察肌電圖發(fā)現(xiàn)，伸膝時股直肌肌電微弱，最優(yōu)秀的運動員股直肌幾乎沒有肌電活動，也就是股直肌的放松能力更強，所以，折疊前擺階段，擺動腿大腿股直肌快速收縮與放松機制，是雙關(guān)節(jié)肌股直肌肌肉力量訓(xùn)練的重點，不僅要發(fā)展股直肌屈髖的速度和力量，還要注重屈髖后股直肌的快速放松能力。

3.1.3 主要用力肌肉與用力范圍 圖4表明:折疊前擺階段，闊筋膜張肌、股直肌、脛骨前肌的貢獻度較大，應(yīng)為主要用力肌肉;下壓著地階段，股二頭肌長頭、半腱肌、臀大肌的貢獻度較大，應(yīng)為主要用力肌肉。在完成擺動技術(shù)過程中，同一動作階段，不同塊肌肉活動的貢獻度存在明顯差異;同一塊肌肉的貢獻度在不同動作階段也明顯不同。為進一步量化主要用力肌肉的這種活動特點，我們把原始肌電圖(見圖3)中各肌肉肌電活動由激活至出現(xiàn)明顯衰減時對應(yīng)的關(guān)節(jié)角度作為該肌肉的發(fā)力范圍(見表1)。這是因為人體的各種運動都是在神經(jīng)系統(tǒng)的支配下，由肌肉收縮牽引骨以關(guān)節(jié)為支點發(fā)生的轉(zhuǎn)動。

表1 短跑途中跑擺動技術(shù)主要用力肌肉活動與關(guān)節(jié)角度對應(yīng)關(guān)系

盡管在實踐中，我們很難精確地掌握各關(guān)節(jié)的角度，但是在進行專項力量訓(xùn)練時，必須根據(jù)肌肉用力的特點與范圍，有針對性地選擇訓(xùn)練手段，提高訓(xùn)練的科學(xué)性，提高運動成績。

4 結(jié)論

(1)在完成短跑途中跑擺動技術(shù)動作過程中，擺動腿的肌電活動表現(xiàn)出高度的協(xié)調(diào)性、時序性。擺動期所測肌肉活動的先后順序:闊筋膜張?。芍奔。劰乔凹。珊蠹∪?股二頭肌長頭、半腱肌)－臀大肌－腓腸肌內(nèi)外側(cè)頭－股四頭肌(股內(nèi)、股外、股直肌)。

(2)擺動初期:運動員支撐腿蹬離地面后，雙關(guān)節(jié)肌(股二頭肌長頭、半腱肌)的活動迅速消失，并不是影響大小腿折疊的主要肌群，當(dāng)(支撐腿)垂直支撐時刻后，擺動腿股后肌群(股二頭肌長頭、半腱肌)的活動明顯，股后肌群作為伸髖動作的原動肌同時作用于膝關(guān)節(jié)，使膝關(guān)節(jié)屈，存在雙關(guān)節(jié)肌的“主動不足”。

(3)在完成短跑途中跑擺動技術(shù)動作過程中，同一動作階段，參與活動肌肉(肌群)的貢獻度不同;折疊前擺階段，以闊筋膜張肌、股直肌為代表的屈髖肌，脛骨前肌應(yīng)為主要用力肌肉;下壓著地階段，臀大肌、股二頭肌長頭、半腱肌應(yīng)為主要用力肌肉，主要用力肌肉在不同關(guān)節(jié)角度、不同動作時相活動的強度不同。

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Top Sprinters＇sEMG Characteristics in Swinging Skills

ZHANG Jie et al
(Shanghai University of Sport，Shanghai China 200438)

By using the methods of sEMG synchronized with high－speed camera and combining functional anatomy knowledge，the paper analyzes high－level sprinters＇characteristics of muscle activity in their swinging skills to guide special strength training，with the results indicating that EMG of swinging skills are characterized by obvious time series and high coordination of muscle contraction.During the phase of forward－swinging，hip flexor muscles(tensor fasciae latae，rectus femoris，tibialis anterior)are highly active.In the phase of pressing，hip extensor muscles(gluteus maximus，biceps femoris，semitendinosus)are the main muscle groups.Therefore，in the training of special strength，we should fully understand its working characteristics in order to optimize special strength training and improve training efficiency.

sprint，swinging skill，surface electromyography，characteristics of muscle activity

G804.2 Document code:A Article ID:1001－9154(2011)09－0051－04

G804.2

A

1001－9154(2011)09－0051－04

上海市科委重點科研計劃項目(08490512900);上海市教委第五期重點學(xué)科建設(shè)資助項目(J51001)

張杰(1979－)，女，河南信陽人，講師，博士研究生，研究方向:體育教學(xué)與訓(xùn)練。

2011－05－24