不同高度跳深動力學(xué)及下肢肌肉預(yù)激活調(diào)節(jié)

井蘭香，劉 宇

1 前言

下落騰空階段，機體經(jīng)過一系列神經(jīng)-肌肉反應(yīng)，為對抗著地時引起的沖擊力，于著落地前即產(chǎn)生下肢肌肉激活的現(xiàn)象，稱為下肢肌肉預(yù)激活［12］。著地前機體首先形成肌肉可收縮成分的起始剛度，使肌肉-肌腱復(fù)合體彈性能得以利用［9］，繼而促使關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，并及時制動減速，形成防止關(guān)節(jié)和韌帶損傷的機制。

肌肉預(yù)激活現(xiàn)象存在于各種類型的運動，如不同高度跳深（drop jump，下文簡稱DJ）、不同頻率單腳跳、不同步長短跑和走路［13］等。前人研究將DJ過程下落著地前150 ms內(nèi)下肢肌肉肌電（electromyography，下文簡稱EMG）信號作為研究對象［1］，有研究結(jié)果顯示這一時間變量未隨DJ高度變化而調(diào)整［5，6］，且EMG振幅與DJ高度之間約成線性關(guān)系［21］，但線性斜率比值具有肌肉特異性［21］。上述現(xiàn)象說明中樞神經(jīng)系統(tǒng)能預(yù)期著地發(fā)生的時刻和地面沖擊力的大小，并能調(diào)整下肢肌肉力量和為吸收地面沖擊力做出適宜強度的預(yù)激活。

DJ是提高下肢肌肉爆發(fā)力的重要超等長訓(xùn)練方法，其肌肉動作具有拉長-縮短周期（stretch-shortening cycle，下文簡稱SSC）特征，下肢肌肉在較短時間內(nèi)完成離心、等長和向心收縮之間的轉(zhuǎn)換。DJ過程中前饋運動控制和牽張反射（反饋運動控制）相互作用，形成與地面反作用力（ground reaction force，下文簡稱 GRF）相適應(yīng)的下肢肌肉剛度［13］。兩種機制在控制DJ動作時還取決于著地技術(shù)、DJ高度、著地表面的順應(yīng)性以及是否對高度具有預(yù)見性等因素［22］。不同高度DJ具有不同的沖擊力（GRF），因此，要求下肢肌肉產(chǎn)生相應(yīng)的力量以控制關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，同時，在著地前某一時刻產(chǎn)生不同程度的預(yù)激活。Yasuharu［27］等發(fā)現(xiàn)，30cm高度DJ訓(xùn)練能顯著提高著地前下肢肌肉預(yù)激活，表明實踐和技能的提高可以優(yōu)化DJ著地前的肌肉預(yù)激活策略，控制著地動作，防止關(guān)節(jié)損傷。因此，預(yù)激活現(xiàn)象在力量訓(xùn)練研究領(lǐng)域具有重要參考價值［5］。故本研究的目的是比較三種高度DJ著地前下肢肌肉激活模式，下肢動力學(xué)和運動學(xué)數(shù)據(jù)，為實踐中合理利用DJ進行下肢肌肉超等長訓(xùn)練提供參考。

2 研究對象與方法

2.1 實驗對象

某學(xué)校16名健康男性自愿參與本實驗并保證完成訓(xùn)練，年齡、身高、體重分別為17.25±1.04歲、192.25±5.22 cm、89.92±8.77kg。所有受試者均未經(jīng)歷過系統(tǒng)的DJ訓(xùn)練，并有相似的訓(xùn)練史，且均無下肢關(guān)節(jié)肌肉損傷記錄。

2.2 實驗方法

熱身完畢后，每位受試者站立于測力臺（KISTLER-3D，采樣頻率為1200Hz），先進行3次原地雙手叉腰垂直縱跳，據(jù)此計算最佳縱跳高度，依此高度乘以50%定為最佳 DJ下 落 平 臺 高 度［10，18］。

使用自制翻板DJ器械，受試者雙腳站立于平臺中央，腳距與肩同寬，雙手叉腰。測試前告知受試者盡量垂直下落，腳尖先著地后腳跟再著地，減小身體矢狀位移，并鼓勵受試者著地后立即垂直向上跳起；騰空階段直至著地前保持軀干及下肢各關(guān)節(jié)伸展，減少跳起騰空時間的偏差；要求受試者DJ著地后支撐期最大化騰空時間和最小化著地時間［17］，著地時間（contact time，下文簡稱 CT）長于400ms時放棄數(shù)據(jù)，重復(fù)DJ［28］；受試者聽到“預(yù)備”信號后準(zhǔn)備，同步信號后雙腳腳尖由平臺邊緣向測力臺下落。

正式實驗前受試者進行10min慢跑熱身并拉伸下肢肌肉，隨機指派受試者按最佳高度分別進行低（最佳高度減20cm）、最佳、高（最佳高度加20cm）3種高度的DJ練習(xí)。同一高度DJ間歇15～20s，不同高度DJ間歇適當(dāng)延長，每組DJ動作間隔3min，每個動作重復(fù)3次，放棄不可靠動作數(shù)據(jù)。正式測試前要求受試者重復(fù)練習(xí)DJ動作，掌握動作技巧，以增加實驗結(jié)果的可靠性［9］。

仔細(xì)備皮以降低皮膚阻抗，沿肌束方向?qū)送ǖ辣砻婕‰妰x用Ag／AgCl表面電極貼于脛骨前?。╰ibialis anterior，下文簡稱TA）、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭（gastrocnemius medials，下文簡稱GM）、股直?。╮ectus femoris，下文簡稱RF）、股外側(cè)肌（vestus lateralis，下文簡稱 VL）、股二頭肌（biceps femoris，下文簡稱BF）的肌腹中間處的皮膚表面。脛骨粗隆處皮膚位置作為0電極，電極直徑1cm，兩電極間距2cm。用彈性繃帶牢固固定各電極，避免測試過程中移位，并減少噪聲信號干擾。肌電信號參數(shù)設(shè)置為增益（gain）1000，采樣頻率1200Hz，12bit，共模抑制比（common-mode rejection ratio，下文簡稱CMRR）為100dB。

與EMG信號同步采集測力臺數(shù)據(jù)，由測力臺數(shù)據(jù)直接讀取GRF、下落后CT、垂直跳起前著地支撐時間（flight time，下文簡稱FT）。圖1表示DJ自同步信號開始至腳尖離地階段內(nèi)5塊肌肉整流肌電信號與GRF曲線，可以看出所有肌肉在同步信號至著地前不同時刻出現(xiàn)不同程度的激活現(xiàn)象。

圖1 本研究DJ下肢肌肉整流肌電信號及GRF示意圖（“｜”表示著地時刻）Figure 1.Rectified EMG Signal and GRF of DJ with Assigned Moment of Touchdown

2.3 數(shù)據(jù)分析

由CT和FT計算DJ的估測平均功率值，計算方法按照 Bosco等［3，4］提出的 Bosco表達（Bosco expression，下文簡稱BE）公式:BE＝，其中，Tt＝FT＋CT，為跳躍總時間。騰空高度（即腳尖離地至最高點時間段內(nèi)的質(zhì)心垂直位移）根據(jù)H＝計算，其中t為騰空時間的。

數(shù)據(jù)采集后，DASYLab 8.0EMG信號分析系統(tǒng)將原始EMG信號進行整流，濾波范圍為10～40Hz，根據(jù)前人研究［9］計算積分肌電（integral EMG，下文簡稱 iEMG），iEMG＝（t）｜·dt）和最大振幅（maximal amplitude of EMG，下文簡稱AmaxEMG）。本研究中DJ預(yù)激活時間統(tǒng)一采集著地前150ms內(nèi)數(shù)據(jù)，一是因為DJ著地前肌肉EMG預(yù)激活可能會較遲出現(xiàn)（例如在著地前100ms時出現(xiàn)，遲于著地前150ms時刻），導(dǎo)致著地前肌肉EMG預(yù)激活須具有較高的上升率，才能在著地后達到應(yīng)有的肌肉活性水平，這種情況對AmaxEMG影響較大；二是因為DJ高度的影響可能會使著地前EMG預(yù)激活出現(xiàn)較早，著地前預(yù)激活時間延長（例如從著地前100ms～150ms時間內(nèi)出現(xiàn)），EMG信號逐步積累至著地后早期階段達到相應(yīng)的肌肉活性水平，相比AmaxEMG，此種情況對iEMG的影響較大。

本研究測試的是同一受試者群體的不同高度DJ動作肌肉預(yù)激活變化趨勢，不進行肌肉間差異性的比較，因此不對EMG信號進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

記錄每個受試者3次成功DJ動作數(shù)據(jù)，采用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件對實驗結(jié)果進行統(tǒng)計，描述性分析結(jié)果以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（）表示。經(jīng)One-way ANOVA 分別做自變量高度因素對因變量iEMG和AmaxEMG的影響分析。進一步分析三種高度因素（低、最佳、高）之間下肢肌肉預(yù)激活水平差異性經(jīng)post-hoc Fisher’s LSD進行兩兩比較，顯著性水平為0.05。

3 實驗結(jié)果

表1顯示，最佳高度條件下DJ反彈跳起FT最長，反彈跳起成績最佳；最高平臺DJ反彈跳起FT最短，反彈跳起成績最?。籆T隨DJ平臺高度增加而增長；低平臺條件下DJ輸出功率最高。

表2顯示，所有測量的肌肉的AmaxEMG和iEMG在不同高度DJ著地前均發(fā)生了顯著改變，這說明下肢肌肉著地前預(yù)激活水平隨著DJ下落平臺高度改變而改變。

表3顯示，進一步post-hoc過程下落平臺高度對下肢肌肉AmaxEMG的影響結(jié)果為:除GM外，其他各肌肉在高下落平臺時DJ著地前產(chǎn)生的AmaxEMG與低下落平臺DJ著地前的AmaxEMG相比具有顯著性差異。最佳平臺DJ與高平臺DJ著地前比較，TA和GM的AmaxEMG具有顯著性差異。

表1 本研究DJ動力學(xué)和運動學(xué)數(shù)據(jù)一覽表Table 1 Kinematics and Kinetics Variables of DJ

表2 本研究高度因素對AmaxEMG和iEMG的影響一覽表Table 2 Effects of Height Factor on AmaxEMG and iEMG

經(jīng)post-hoc過程分析下落平臺高度對下肢肌肉iEMG的影響結(jié)果與上述結(jié)果相近似。但最佳平臺DJ與高平臺DJ著地前比較，GM產(chǎn)生的iEMG沒有隨著高度增加而發(fā)生顯著改變。

低下落平臺DJ著地前下肢肌肉的AmaxEMG、iEMG與最佳下落平臺DJ相比均不具有顯著性差異。

表3 本研究不同高度DJ著地前下肢肌肉活性比較P值一覽表Table 3 P-values for Differences into Muscle Activity from Different Drop Heights

圖2顯示，高平臺條件下DJ著地前TA 的AmaxEMG顯著高于最佳平臺時，GM的AmaxEMG顯著低于最佳平臺時；高平臺條件下DJ著地前TA、VL、RF、BF的Amax-EMG顯著高于低平臺時；低平臺條件下DJ著地前所有肌肉AmaxEMG與最佳平臺時沒有顯著性差異；最佳平臺條件下DJ著地前VL、RF、BF的AmaxEMG與高平臺時相比沒有顯著性差異。

圖2 本研究不同高度DJ著地前下肢肌肉AmaxEMG調(diào)節(jié)示意圖Figure2.Modulation of AmaxEMG Related to Drop Height

圖3顯示，高平臺條件下DJ著地前TA、VL、RF、BF的iEMG顯著高于低平臺時；高平臺條件下DJ著地前TA的iEMG顯著高于最佳平臺時；低平臺條件下DJ著地前所有肌肉iEMG與最佳平臺時沒有顯著性差異；最佳平臺條件下DJ著地前VL、GM、RF、BF的iEMG與高平臺時相比沒有顯著性差異。

圖3 本研究不同高度DJ著地前下肢肌肉iEMG調(diào)節(jié)示意圖Figure 3.Modulation of iEMG Related to Drop Height

4 討論

實驗結(jié)果表明，DJ高度不同可引起著地前下肢肌肉AmaxEMG和iEMG改變，但對于所有肌肉活性的影響程度不盡相同。不論下肢肌肉解剖結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征怎樣，為適應(yīng)下落高度而產(chǎn)生的力量都具有一個總的動作策略［19，20］。當(dāng)DJ平臺高度增加時，除GM表現(xiàn)出預(yù)激活水平降低或不變，其他肌肉均對DJ平臺高度增加較敏感。說明下肢各肌肉具有獨立的機械特性和功能，能夠特異性地在DJ動作著地前為不同動作階段和收縮特征調(diào)整活性大?。?5］。

影響DJ縱跳成績的因素主要是:1）前饋動作控制機制引起不同高度下落著地前下肢肌肉預(yù)激活，在收縮前產(chǎn)生相當(dāng)水平的肌肉力量；2）高度因素決定機體質(zhì)心系統(tǒng)著地時刻的速度，即決定肌肉拉伸速度，從而影響牽張反射幅度，調(diào)節(jié)傳入神經(jīng)的興奮；3）著地時刻適宜的肌肉-肌腱復(fù)合體拉伸長度和適宜的肌肉／肌腱長度比例，決定肌束產(chǎn)力能力和肌腱彈性能儲存及利用能力［14］。

前饋動作控制是開鏈?zhǔn)秸{(diào)節(jié)過程，需目測DJ平臺高度，將經(jīng)驗性的系統(tǒng)目標(biāo)信號輸入至中樞神經(jīng)系統(tǒng)，DJ動作開始前由中樞決定動作策略機制，激活下肢肌肉。DJ開始后前饋控制信號便執(zhí)行中樞神經(jīng)系統(tǒng)事先決策的策略機制，著地前不進行策略調(diào)整。著地后中樞神經(jīng)系統(tǒng)按照預(yù)測是否與動作結(jié)果存在偏差調(diào)整／不調(diào)整動作策略。Ishikawa［10］等觀察到，當(dāng)DJ平臺高度超過最佳拉伸負(fù)荷時，GM肌肉可收縮成分在著地后30～50ms內(nèi)出現(xiàn)驟然拉長現(xiàn)象。GM可收縮成分拉長使橫橋分離，產(chǎn)力能力降低；肌腱成分縮短，儲存彈性能降低，反彈跳起成績降低。而最低和最佳平臺高度的DJ，整個著地支撐期內(nèi)GM持續(xù)縮短或維持恒定長度。伸膝肌VL無論在何種高度條件下均遵循規(guī)則的SSC，即先拉長后縮短騰空［10］。

反饋調(diào)節(jié)需要本體感受器（如高爾基腱器）參與，將信號反饋至中樞神經(jīng)系統(tǒng)并高度精確地糾正動作偏差，調(diào)節(jié)正在進行中的動作過程。肌肉預(yù)激活能提高肌梭敏感性，提高牽張反射幅度，繼而提高肌肉-肌腱復(fù)合體剛度和產(chǎn)力能力。高于最佳平臺的DJ反彈跳起成績降低是因為高爾基腱器抑制了Ib組傳入神經(jīng)［25］。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，最高平臺條件下DJ下肢肌肉預(yù)激活模式明顯不同于最佳和最低平臺時。最高高度DJ時前饋控制機制使下肢肌肉在著地前按照經(jīng)驗信號系統(tǒng)進行激活，著地后感知偏差并得到調(diào)整，同時抑制傳入神經(jīng)興奮，提示高于最佳平臺時下肢肌肉預(yù)激活與GRF不協(xié)調(diào)，需在著地后離心期內(nèi)重新調(diào)整肌肉-肌腱復(fù)合體的長度，導(dǎo)致離心期末肌肉力量下降。同時隨著高度的增加CT延長，拉伸時間延長會使具有粘彈性特征的肌肉-肌腱復(fù)合體儲存的彈性能降低，向心期不能獲得最大肌肉收縮速度。

Vladimir［24］等比較了40cm、60cm、80cm 3種高度 DJ下肢肌肉預(yù)激活，在80cm高度時腓腸肌外側(cè)頭和比目魚肌預(yù)激活明顯高于其他兩種高度時。在此條件下高活性的拮抗肌TA與之形成踝關(guān)節(jié)高剛度機制，于著地后早期階段完成較穩(wěn)定的平衡過程［26］。當(dāng)DJ著地后處于半屈位時，需要爆發(fā)性的動作促使機體由一種位置轉(zhuǎn)向另一種位置，前交叉韌帶受損傷危險性極高［8］。小腿三頭肌對伸膝肌起拮抗作用，能阻止前交叉韌帶損傷［7，11］，最高平臺 DJ伸膝關(guān)節(jié)的主動肌VL預(yù)激活增強，與高活性的拮抗肌、腓腸肌外側(cè)頭以及比目魚肌形成較高的膝關(guān)節(jié)剛度，這對防止膝關(guān)節(jié)損傷是有利的。低、最佳、高3種高度DJ髖關(guān)節(jié)拮抗肌共激活 RF／BF分別為0.57±0.01、0.67±0.01、0.66±0.03，最佳高度和最高高度均高于最低平臺時，起到了穩(wěn)定髖關(guān)節(jié)的作用。可見，最高高度DJ時下肢主動肌和拮抗肌預(yù)激活最大，有利于維持機體平衡并防止關(guān)節(jié)損傷。但肌肉活性增加會使肌肉-肌腱復(fù)合體剛度增加，降低主動肌收縮的動力學(xué)效率和提高牽張反射引起的傳入抑制，導(dǎo)致離心期緩沖拉伸負(fù)荷的能力下降［25］，因此高于最佳高度的DJ動作不能完成最佳SSC過程。

結(jié)合DJ動力學(xué)與下肢肌肉預(yù)激活模式，實踐中DJ動作FT（決定跳躍高度）未必是評價跳躍成績的“黃金”變量。由BE計算公式可以看出，BE與FT及CT之間存在極高相關(guān)性，當(dāng)FT升高時，BE具有更高的增加率。較短的CT包含離心、攤還期、向心3個時間段，縮短攤還期即縮短了總CT，能獲得較好的BE。盡管受試者在最佳平臺下落能獲得最高反彈跳起成績，但我們建議采用低于最佳平臺高度的 DJ方法進行下肢超等長訓(xùn)練［2，16，23］。高于最佳平臺高度DJ，預(yù)激活與GRF不協(xié)調(diào)，肌肉為了緩沖力量會拉長肌肉-肌腱復(fù)合體，延長CT而使整個動作變慢。采用BE作為確定下肢超等長訓(xùn)練最佳平臺高度的參考標(biāo)準(zhǔn)，BE值最大的DJ平臺高度是下肢超等長訓(xùn)練的最佳選擇，當(dāng)BE值升高時，升高DJ平臺；當(dāng)BE值降低，將DJ平臺降低至原來水平［10］。

5 結(jié)論

DJ下肢肌肉預(yù)激活具有肌肉特異性。高于最佳平臺的DJ下肢肌肉預(yù)激活模式與GRF不能協(xié)調(diào)一致，不是最理想的SSC過程。DJ平均輸出功率是較恰當(dāng)?shù)南轮乳L訓(xùn)練參數(shù)。實踐中采用DJ法對下肢肌肉進行爆發(fā)力訓(xùn)練時，應(yīng)注重著地離心期下肢肌肉產(chǎn)力能力，宜以最佳高度或低于最佳高度、著地后經(jīng)過較短攤還期盡力反彈垂直跳起的形式。

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