大學生排球運動員扣球起跳動作下肢肌肉表面肌電特征研究

賈 誼， 薛瑞婷

(中北大學 體育學院， 山西 太原 030051)

起跳高度是評價排球運動員扣球能力的重要參考指標。[1-3]與高水平運動員相比， 大學生排球運動員由于訓練水平和身體條件等原因， 在完成扣球起跳動作時， 往往會出現(xiàn)起跳高度的損失， 從而影響了動作效率。[4]

眾所周知， 排球扣球起跳動作是一個由中樞神經(jīng)系統(tǒng)所支配的， 人體多環(huán)節(jié)協(xié)同配合完成的高度復雜的動作。[5]其中， 下肢肌肉的協(xié)同配合與發(fā)力尤為重要。 因此， 研究扣球起跳動作過程中的神經(jīng)調(diào)控機制并找到其中的普遍性規(guī)律， 對指導運動訓練具有非常重要的意義。

表面肌電信號分析技術(shù)是一項較為成熟的研究神經(jīng)肌肉控制機制的技術(shù)。 與傳統(tǒng)的針電極探測手段相比， 其具有無創(chuàng)性和便攜性等特點， 因此， 常被用來進行臨床康復的監(jiān)控和運動員動作技術(shù)的分析。[6]本研究旨在通過采集排球運動員扣球起跳過程中， 下肢肌肉的表面肌電信號， 來分析在此過程中， 人體下肢肌肉協(xié)調(diào)配合的規(guī)律和特征， 以此為依據(jù)， 給排球運動訓練提供相應的指導。

1 研究對象與研究方法

1.1 研究對象

研究對象為大學生排球運動員九名， 平均年齡為21.2±0.83歲， 平均身高為188.18±4.63 cm， 平均體重為83.29±8.41 kg。 參加測試期間無損傷。 運動員基本信息見表 1。

表 1 排球運動員基本信息統(tǒng)計表

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)的采集

本研究采用美國產(chǎn)Noraxon l6導遙測肌電DTS系統(tǒng)對九名大學生排球運動員的扣球起跳動作進行數(shù)據(jù)采集， 采樣頻率為1 500 Hz。 使用Basler高速攝像機進行動作視頻的采集， 拍攝頻率為50 Hz。 動作錄像與肌電數(shù)據(jù)進行同步采集。

實驗所需器材包括電極片、 肌肉膠布、 雙面膠、 酒精、 棉簽等。 提前告知排球運動員測試步驟并做好熱身活動， 防止受傷。 粘貼電極時應先對皮膚進行清潔處理， 準確粘貼電極位置， 電極貼于所測肌肉的肌腹位置， 與肌纖維走向一致， 并對其進行適當固定。 對排球運動員的助跑起跳動作進行多次采集， 選取其中三次， 求取平均值。

1.2.2 肌肉的選取

測試選取的是使下肢髖、 膝、 踝三關(guān)節(jié)活動的主要肌肉， 包括： 股直肌、 股內(nèi)側(cè)肌、 股外側(cè)肌、 股二頭肌、 脛骨前肌、 腓腸肌內(nèi)側(cè)、 腓腸肌外側(cè)。

1.2.3 動作時相的劃分

本研究采集范圍為整個起跳階段(從右腳著地開始到雙腳離地結(jié)束)， 起跳階段分為起跳緩沖階段和起跳蹬伸階段。 其中， 起跳緩沖階段從右腳著地(T1時刻)開始到膝關(guān)節(jié)角度最小(T2時刻)結(jié)束； 起跳蹬伸階段從膝關(guān)節(jié)角度最小(T2時刻)開始到雙腳離地(T5時刻)結(jié)束。

1.2.4 數(shù)據(jù)的處理與分析

本研究使用肌電系統(tǒng)對原始肌電信號進行整流、 濾波、 標準化處理后， 使用MyoResearch XP Master Edition分析軟件進行積分肌電等數(shù)據(jù)的分析。

2 結(jié) 果

2.1 起跳緩沖階段排球運動員下肢肌肉的表面肌電特征

從圖 1 可知， 排球運動員右腳著地時， 右腿脛骨前肌和腓腸肌內(nèi)側(cè)最先開始放電活動； 當膝關(guān)節(jié)角度最小時， 右腿股內(nèi)側(cè)肌、 股外側(cè)肌、 股直肌的放電活動最強， 且持續(xù)時間較長， 一直持續(xù)至雙腳離地。 在緩沖階段， 右腿股內(nèi)側(cè)肌、 股外側(cè)肌、 脛骨前肌放電活動較強； 在蹬伸階段， 右腿除股二頭肌和脛骨前肌外， 其他肌肉的放電活動較強。

注： T1為右腳著地時刻， T2為膝關(guān)節(jié)角度最小時刻， T3為左腳著地時刻， T4為右腳離地時刻， T5為左腳離地時刻圖 1 排球運動員起跳時右腿肌肉的表面肌電圖

從圖 2 可知， 排球運動員左腳著地前， 左腿脛骨前肌和股直肌已經(jīng)提前開始放電； 在左腳著地后， 左腿脛骨前肌和股直肌的放電活動變小， 左腿股二頭肌和腓腸肌外側(cè)開始放電活動； 當膝關(guān)節(jié)角度達到最小時， 左腿股直肌持續(xù)放電， 而其他肌肉的放電活動較弱。 在緩沖階段， 左腿股直肌、 脛骨前肌的放電活動較強； 在蹬伸階段， 左腳著地后股內(nèi)側(cè)肌、 股外側(cè)肌、 腓腸肌內(nèi)側(cè)、 腓腸肌外側(cè)的放電活動較強， 且小腿肌群的肌肉激活持續(xù)時間比大腿肌群長。

注： T1為右腳著地時刻， T2為膝關(guān)節(jié)角度最小時刻， T3為左腳著地時刻， T4為右腳離地時刻， T5為左腳離地時刻圖 2 排球運動員起跳時左腿肌肉的表面肌電圖

2.1.1 起跳緩沖階段排球運動員下肢積分肌電值的特征

由表 2 可知， 在起跳緩沖階段， 排球運動員右

腿股外側(cè)肌的積分肌電值最大， 為361 μVs， 脛骨前肌的積分肌電值也達到300 μVs以上， 說明其在緩沖階段興奮性較高， 放電活動較強； 股內(nèi)側(cè)肌的積分肌電值在250 μVs以上， 肌肉的動員程度也較高； 腓腸肌內(nèi)側(cè)、 股直肌、 股二頭肌和腓腸肌外側(cè)的積分肌電值較小， 在150 μVs左右， 且其中腓腸肌外側(cè)的積分肌電值最小， 說明其在緩沖階段的放電活動較弱。

由表 3 可知， 在起跳緩沖階段， 排球運動員左腿脛骨前肌的積分肌電值最大， 為205 μVs， 說明其在緩沖階段興奮性較高， 放電量較大； 股內(nèi)側(cè)肌、 股外側(cè)肌、 股直肌和股二頭肌的積分肌電值處于110～140 μVs之間； 腓腸肌外側(cè)和腓腸肌內(nèi)側(cè)積分肌電值最小， 放電活動一致， 均不足100 μVs， 說明其在緩沖階段的放電活動較小。

表 2 排球運動員起跳緩沖階段右腿肌肉的積分肌電值 單位： μVs

表 3 排球運動員起跳緩沖階段左腿肌肉的積分肌電值 單位： μVs

本研究采用配對樣本T檢驗的統(tǒng)計學方式對排球運動員進行起跳緩沖階段左右腿積分肌電值的差異比較。 從表 4 中可知： 股內(nèi)側(cè)肌、 股外側(cè)肌、 股二頭肌、 和腓腸肌內(nèi)側(cè)的P值分別為0.009、 0.007、 0.037和0.008， 由此可知， 在扣球起跳的緩沖階段， 左、 右股二頭肌的肌肉放電量有顯著性差異。 左、 右腿股內(nèi)側(cè)肌、 股外側(cè)肌和腓腸肌內(nèi)側(cè)的肌肉放電量有非常顯著性差異。

表 4 排球運動員起跳緩沖階段左、 右腿積分肌電值對比

2.1.2 起跳蹬伸階段排球運動員下肢積分肌電值的特征

由表 5 可知， 在起跳蹬伸階段， 排球運動員右腿股外側(cè)肌、 股內(nèi)側(cè)肌的積分肌電值較大， 分別為412 μVs和316 μVs， 說明其是蹬伸階段使用的主要肌群； 腓腸肌外側(cè)、 腓腸肌內(nèi)側(cè)的積分肌電值相對較大， 達到200 μVs以上， 說明其是足部完成快速蹬伸動作的主要肌肉； 股直肌、 股二頭肌、 脛骨前肌的肌肉貢獻率在150 μVs左右， 為蹬伸動作的完成起輔助作用， 其中脛骨前肌的肌肉貢獻率最低。

表 5 排球運動員起跳蹬伸階段右腿肌肉的積分肌電值 單位： μVs

由表 6 可知， 在起跳蹬伸階段， 排球運動員左腿股外側(cè)肌、 股內(nèi)側(cè)肌的積分肌電值較大， 分別為429 μVs和350 μVs， 說明其是蹬伸階段使用的主要肌群； 腓腸肌外側(cè)、 腓腸肌內(nèi)側(cè)和股直肌的積分肌電值相對較大， 達到200μVs以上， 說明是踝關(guān)節(jié)完成快速蹬伸動作的主要肌肉； 股二頭肌和脛骨前肌的積分肌電值較??； 且脛骨前肌的積分肌電值最小。

表 6 排球運動員起跳蹬伸階段左腿肌肉的積分肌電值 單位： μVs

本研究采用配對樣本T檢驗的統(tǒng)計學方式進行起跳蹬伸階段左右腿積分肌電值的差異比較。 從表 7 可知， 在起跳蹬伸階段， 排球運動員左、 右腿七塊肌肉的積分肌電值均無顯著性差異， 積分肌電值左腿大于右腿。

表 7 排球運動員起跳蹬伸階段左、 右腿積分肌電值對比

2.1.3 起跳緩沖階段排球運動員下肢肌肉貢獻率的特征

由表 8 可知， 在起跳緩沖階段， 排球運動員右腿股外側(cè)肌的肌肉貢獻率最大， 為18%以上， 脛骨前肌的肌肉貢獻率也達到13%， 說明其在緩沖階段起著非常重要的作用； 股直肌、 股內(nèi)側(cè)肌、 腓腸肌內(nèi)側(cè)的肌肉貢獻率在8%左右， 貢獻率雖然不高， 但也起著不可或缺的作用； 股二頭肌和腓腸肌外側(cè)的肌肉貢獻率最小， 說明其在緩沖階段的利用率較低。

表 8 排球運動員起跳緩沖階段右腿肌肉的貢獻率 單位： %

由表 9 可知， 在起跳緩沖階段， 左腿脛骨前肌的肌肉貢獻率最大， 為7%以上， 說明其在緩沖階段起著非常重要的作用； 股直肌、 股內(nèi)側(cè)肌、 股外側(cè)肌、 股二頭肌的肌肉貢獻率約為4%， 且股直肌和股二頭肌的肌肉貢獻率較一致； 腓腸肌內(nèi)側(cè)和腓腸肌外側(cè)的肌肉貢獻率最小， 不足3%， 說明其在緩沖階段的作用較小。

圖 3 排球運動員起跳緩沖階段左、 右腿的肌肉貢獻率

從圖 3 可知， 起跳緩沖階段左、 排球運動員右腿肌肉的利用率不均衡， 右腿大于左腿。 右腿股外側(cè)肌和脛骨前肌的利用率較高， 是主要做功肌肉； 大腿肌群中股外側(cè)肌的貢獻率最高， 小腿肌群中脛骨前肌的貢獻率最高。

本研究采用配對樣本T檢驗的統(tǒng)計學方式對排球運動員進行起跳緩沖階段左右腿肌肉貢獻率的差異比較。 從表 10 可知， 股直肌、 股內(nèi)側(cè)肌、 股外側(cè)肌、 脛骨前肌、 腓腸肌內(nèi)側(cè)的P值分別為0.044、 0.001、 0.004、 0.029、 0.007， 由此可知， 在起跳緩沖階段， 左、 右腿股直肌、 脛骨前肌的肌肉貢獻率有顯著性差異； 左、 右腿股內(nèi)側(cè)肌、 股外側(cè)肌、 腓腸肌內(nèi)側(cè)的肌肉貢獻率有非常顯著性差異。

表 10 排球運動員起跳緩沖階段左、 右腿肌肉貢獻率對比

2.1.4 起跳蹬伸階段排球運動員下肢肌肉貢獻率的特征

由表 11 可知， 在起跳蹬伸階段， 右腿股外側(cè)肌的肌肉貢獻率最大， 達到13%以上， 股內(nèi)側(cè)肌的肌肉貢獻率也高達8%， 說明其在蹬伸階段起著非常重要的作用； 腓腸肌內(nèi)側(cè)、 腓腸肌外側(cè)和脛骨前肌的肌肉貢獻率在6%以上， 是完成蹬伸動作的輔助肌群； 股二頭肌和股直肌的肌肉貢獻率最小， 不足5%， 說明其在蹬伸階段的利用率較低。

表 11 排球運動員起跳蹬伸階段右腿肌肉的貢獻率 單位： %

由表 12 可知， 在起跳蹬伸階段， 排球運動員左腿股外側(cè)肌的肌肉貢獻率最大， 達到11%， 股內(nèi)側(cè)肌的肌肉貢獻率也高達9%， 說明其在蹬伸階段起著非常重要的作用； 腓腸肌內(nèi)側(cè)、 腓腸肌外側(cè)、 股直肌、 股二頭肌、 脛骨前肌的肌肉貢獻率也在5%以上， 肌肉活動分配較均勻， 無較大或較小數(shù)據(jù)的存在。

表 12 排球運動員起跳蹬伸階段左腿肌肉的貢獻率 單位： %

圖 4 排球運動員起跳蹬伸階段左、 右腿的肌肉貢獻率

從圖4可知， 在起跳蹬伸階段， 排球運動員左、右腿肌肉貢獻率差距較小。 除股外側(cè)肌和腓腸肌外側(cè)之外， 其余五塊肌肉的貢獻率均是左腿高于右腿， 且左、 右腿股外側(cè)肌和腓腸肌外側(cè)的肌肉貢獻率差值較其他肌肉的大； 排球運動員在完成整個蹬伸動作時， 大腿肌群中股外側(cè)肌的肌肉貢獻率較高； 小腿肌群中的各肌肉貢獻率大小較一致。

本研究采用配對樣本T檢驗的統(tǒng)計學方式對排球運動員進行起跳蹬伸階段左、 右腿肌肉貢獻率的差異比較。 從表 13 可知， 在起跳蹬伸階段， 左、 右腿七塊肌肉的獻率沒有顯著性差異。

表 13 排球運動員起跳蹬伸階段左、 右腿肌肉貢獻率對比 單位： %

3 分析與討論

在起跳緩沖階段， 排球運動員的左、 右腿股內(nèi)側(cè)肌、 股外側(cè)肌、 股二頭肌和腓腸肌內(nèi)側(cè)的積分肌電值存在顯著性差異的原因可能是： 首先， 右腿作為優(yōu)勢側(cè)， 其積分肌電值大于左腿， 且膝關(guān)節(jié)作用肌肉股內(nèi)側(cè)肌、 股外側(cè)肌為右腿主要發(fā)力肌肉， 右腿大于左腿； 其次， 在起跳緩沖階段， 排球運動員左、 右膝關(guān)節(jié)活動的不同， 導致左、 右腿股二頭肌產(chǎn)生較大的差異； 另外， 排球運動員是助跑起跳， 沒有制動， 依靠右腿助跑并起跳， 肌肉會連續(xù)性使用， 為輔助大腿肌群做制動動作， 腓腸肌內(nèi)側(cè)的放電活動會比較強， 左腿作為擺動腿， 其腓腸肌內(nèi)側(cè)的放電活動本身較弱， 會造成左、 右腿腓腸肌內(nèi)側(cè)的積分肌電值產(chǎn)生顯著性差異。

在起跳蹬伸階段， 排球運動員的左、 右腿肌肉的積分肌電值均無顯著性差異， 其原因可能如下幾點： 第一， 排球運動員在起跳蹬伸階段， 為保證動作穩(wěn)定性而有意識地犧牲了部分起跳高度。 有學者認為， 雖然雙腳起跳的高度僅有單腳起跳高度的50%[7,8]， 但其穩(wěn)定性卻是單腳起跳時的2～3倍。[9,10]很顯然， 在本研究中， 排球運動員通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)控， 將更多的精力放在了對擊球點準確性的把控上， 這就勢必會影響到其下肢肌肉的協(xié)同模式， 根本原因還是由于他們訓練水平或技能水平有限， 繼而對擊球時間和擊球點的把握不夠精準導致。 第二， 與其他項目不同， 排球扣球起跳動作需要運動員雙臂同時下擺， 以最大程度降低人體重心的方式進行制動， 以防止身體觸網(wǎng)犯規(guī)。 這種擺臂方式也決定了排球扣球起跳動作， 在起跳蹬伸階段必須以雙腳同時發(fā)力的方式起跳， 否則， 會出現(xiàn)由于身體前沖過猛而觸網(wǎng)犯規(guī)的情況。

在起跳緩沖階段， 排球運動員的左右腿股直肌、 股內(nèi)側(cè)肌、 股外側(cè)肌、 脛骨前肌、 腓腸肌內(nèi)側(cè)的肌肉貢獻率存在顯著性差異的原因可能是： 首先， 緩沖階段的時候是右腿先發(fā)力且持續(xù)時間長， 左腿后發(fā)力且持續(xù)時間短， 就會造成左、 右腿肌肉的貢獻率存在顯著性差異； 其次， 緩沖階段右腿為控制膝關(guān)節(jié)角度， 大腿前側(cè)肌群的貢獻率會較高， 大腿后側(cè)股二頭肌貢獻率低， 左腿作為擺動腿， 股二頭肌的貢獻率不高； 最后， 左、 右腳在緩沖過程中無腳尖朝外的動作， 腓腸肌外側(cè)的貢獻率均比較低。

在起跳蹬伸階段， 排球運動員左、 右腿肌肉貢獻率均無顯著性差異的原因可能是： 蹬伸階段由于身體重心由右腿過渡到左腿， 雙腳同時蹬地， 為克服身體重力， 表現(xiàn)出左腿肌群放電總量較大， 但為維持機體平衡， 放電量不會存在較大差異。

股直肌在排球運動員整個起跳動作中起到的作用不是很大， 而股內(nèi)側(cè)肌、 股外側(cè)肌在其起跳緩沖和蹬伸階段則起到非常重要的作用。 這可能與排球運動員在起跳過程中的蹬轉(zhuǎn)動作有關(guān)。 在本研究中， 排球運動員是在二號位和四號位的位置做扣球起跳動作， 助跑方向都是斜向球網(wǎng)， 而在落地后， 身體又轉(zhuǎn)向正對球網(wǎng)方向， 因此， 在起跳過程中， 需要排球運動員大腿兩側(cè)， 即股內(nèi)側(cè)和外側(cè)肌群發(fā)力， 從而完成運動員身體的轉(zhuǎn)向。

4 結(jié) 論

在起跳緩沖期， 排球運動員的右腿為主要發(fā)力腿， 雙腿肌電信號呈現(xiàn)不同時序特征； 在完成排球扣球起跳動作時， 其中樞神經(jīng)系統(tǒng)對下肢肌肉的控制存在協(xié)同性和非對稱性特征； 在起跳蹬伸階段， 左右下肢肌肉表現(xiàn)出比緩沖階段更高的協(xié)同性。

[1] Forthomme B, Croisier J, Ciccarone G, et al. Factors correlated with volleyball spike velocity[J]. Am J Sports Med, 2005, 33(10)： 1513-1519.

[2] Gabbett T , Georgieff B . Physiological and anthropometric characteristics of Australian junior national, state and novice volleyball players[J]. Journal of Strength & Conditioning Research, 2007, 21(3)： 902-908.

[3] Smith D J, Roberts D, Watson B. Physical, physiological and performance differences between Canadian national team and Universidad volleyball players[J]. J Sports Sci., 1992, 10(2)： 131-138.

[4] 司璞.普通高校排球教學中運動損傷的成因分析及預防對策[J]. 當代體育科技， 2015(22)： 29-30.

[5] 魏琳潔， 萬緒鵬.高校排球男子高水平運動員強攻起跳的運動力學分析[J]. 首都體育學院學報， 2015， 27(4)： 377-379.

[6] 賈誼， 薛瑞婷， 魏亮.人體快速起跳動作的下肢表面肌電信號特征研究[J]. 中國體育科技， 2017, 53(2)： 64-70.

[7] Hau E, Bardfield S, Cratty B J. et al. Cinematographical methods to assess associated movements in children[J]. Adapted Physical Activity Quarterly, 1989, 6(3)： 255-267.

[8] Dapena, McDonald, Cappaert. A regression analysis of high jumping technique[J]. Medicine & Science in Sports & Exercise, 2010, 22(2)： 246-261.

[9] G Leporace, J Praxedes, GR Pereira. et al. Influence of a preventive training program on lower limb kinematics and vertical jump height of male volleyball athletes [J]. Physical Therapy in Sport, 2013, 14(1)： 35-43.

[10] K Wirth, M Keiner, E Szilvas. et al. Effects of eccentric strength training on different maximal strength and speed-strength parameters of the lower extremity [J]. Journal of Strength & Conditioning Research, 2015, 29 (7)： 1837-1845.