北歐腘繩肌訓(xùn)練屈膝肌群的表面肌電特征

董澤華，毛文慧，王 婷

（南京師范大學(xué) 體育科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023）

腘繩肌拉傷是短跑、 足球等高速奔跑運動項目中十分常見的運動損傷類型［1］。 腘繩肌損傷后恢復(fù)期較長且復(fù)發(fā)率較高［2-4］。 而北歐腘繩肌訓(xùn)練（Nordic Hamstring Exercise，以下簡稱NHE）是預(yù)防腘繩肌損傷和增強腘繩肌力量的有效手段［5］。以往研究表明［6］，NHE 可顯著提高股二頭肌、半腱肌、半膜肌肌電活性，增強肌肉力量，促使肌肉厚度增加。 NHE 會使雙側(cè)腘繩肌的離心峰值扭矩增加， 這可能會增加腘繩肌在強力牽拉時所能承受的力量，從而降低受傷風(fēng)險［2，7］。另一方面與傳統(tǒng)腘繩肌彎舉（HC）比較，NHE 能夠更有效地提高足球運動員腘繩肌的最大離心力量［7］。

預(yù)防是應(yīng)對腘繩肌損傷的首要原則， 除提高腘繩肌力量外，增強肌群協(xié)調(diào)性也較為重要。有研究表明［8］，肌群協(xié)同收縮失調(diào)可能是導(dǎo)致腘繩肌損傷的成因之一。 肌肉協(xié)同是神經(jīng)系統(tǒng)用以完成可重復(fù)的多關(guān)節(jié)協(xié)作的一種特殊的肌肉共同激活的方式。 由于肌肉骨骼系統(tǒng)給予了人體較大的運動自由度，使得人體運動中的靈活性得到有效保證，而中樞神經(jīng)系統(tǒng)如何協(xié)調(diào)眾多肌肉之間的活動是運動控制的重要問題［9］。 另一方面，神經(jīng)系統(tǒng)的冗余性導(dǎo)致運動控制研究的核心問題是中樞神經(jīng)系統(tǒng)如何協(xié)調(diào)單個肌肉活動。 肌肉協(xié)同模式在表面肌電活動中識別度較高， 中樞神經(jīng)系統(tǒng)通過協(xié)同肌肉的協(xié)調(diào)激活來簡化大量肌肉自由度的概念已被普遍接受［10］。 穩(wěn)定性和靈活性的概念是我們理解協(xié)同作用的核心， 協(xié)同的主要功能是確保運動控制的穩(wěn)定性［11］。 肌肉協(xié)同的聯(lián)合作用能夠制定不同的肌肉活動模式，這是完成運動動作任務(wù)的必要條件［12］。

通過前人研究［13］我們了解到，在完成NHE 動作過程中，股二頭肌、半腱肌、半膜肌存在明確的肌肉協(xié)作關(guān)系，在肌肉激活時序和激活程度之間存在較強相關(guān)。 但目前針對NHE 中屈膝肌群的表面肌電特征和肌肉協(xié)作關(guān)系的研究主要集中在腘繩肌，而遠端肌如腓腸肌等與腘繩肌在NHE 中是否存在肌肉協(xié)作關(guān)系尚未證實［2，14-15］。 腓腸肌與腘繩肌同為屈膝雙關(guān)節(jié)肌，在跑步、跳躍等眾多運動中存在密切的肌肉協(xié)同關(guān)系［16-17］。因此有理由相信在NHE 過程中腓腸肌與腘繩肌存在肌肉協(xié)作關(guān)系。 本研究的目的是通過測取NHE 動作過程中的運動學(xué)和肌電學(xué)數(shù)據(jù)，分析NHE 中屈膝肌群的表面肌電特征和肌肉協(xié)作模式。 同時根據(jù)上述資料，本研究假設(shè)腓腸肌與腘繩肌在NHE 動作中存在肌肉協(xié)作關(guān)系， 屈膝肌群共同協(xié)調(diào)以穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)，增強運動平衡控制。

1 研究方法

1.1 測試對象

在南京師范大學(xué)招募9 名健康男大學(xué)生作為研究和測試對象，年齡在20～24 歲之間，受試者無下肢膝關(guān)節(jié)外傷、肌肉損傷、感染、疼痛等疾?。粚嶒灉y試前24h 未從事劇烈運動，無肌肉疲勞感， 受試者在了解實驗?zāi)康暮蛯嶒炦^程后自愿簽署《知情同意書》。

1.2 研究方法

1.2.1 測試儀器

本實驗采用Qualisys 紅外高速光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)（Oqus 300，Qualisys AB，Gothenburg，Sweden）、Delsys 無 線 表 面 肌 電測試系統(tǒng)（Trigno，Wireless Biofeedback System，USA）采集運動學(xué)、肌電數(shù)據(jù)。

瑞典Qualisys 紅外高速光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集軟件（QTM-Qualisys Track Manager）、計算機、標(biāo)志桿、標(biāo)志框架、反光球組成。 6 架紅外線攝像機固定于室內(nèi)進行動作捕捉，有效拍攝范圍約長6m，寬2m，高2m，采樣頻率為100Hz。

美國Delsys 公司生產(chǎn)的16 導(dǎo)肌電系統(tǒng)采集儀（Trigno Avanti， Delsys Inc， Natick， MA， USA），采樣頻率為 2 000Hz；該儀器主要由16 導(dǎo)表面肌電傳感器、數(shù)據(jù)接收器和放大器主機、配套軟件組成。 表面肌電傳感器采集和測量濾波的頻率范圍 20～450Hz，信號采集通道數(shù) 16。傳感器尺寸：27mm×37mm×13mm，每個傳感器質(zhì)量14g。肌電電極為雙差分Ag 電極，正負(fù)間距恒定，間距為10mm，基線噪聲小于750μV RMS，分辨率可達16 位，共模抑制比大于80dB。

1.2.2 測試方法

廣義的教育大數(shù)據(jù)是指來源于日常教育活動中學(xué)生們的行為以及學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)。而狹義的教育大數(shù)據(jù)指的是學(xué)生在線學(xué)習(xí)平臺、管理系統(tǒng)以及課程管理平臺等。

受試者以跪姿開始，踝關(guān)節(jié)取背屈位［18］。 肘部完全彎曲，雙手在面前張開。 測試人員將受試者的腳踝牢牢固定，使雙側(cè)踝關(guān)節(jié)在整個運動過程中保持與地面接觸， 同時要求受試者腰腹收緊，從頭到大腿的身體部分保持筆直，頭部位置中正，不可低頭或仰頭。 隨后測試人員通過口令指引受試者“盡可能慢地” 向前傾斜， 受試者努力收縮腘繩肌來抵抗身體前倒的力，勻速落至釋放角（Break point angle：北歐腘繩肌訓(xùn)練動作中的釋放角表示練習(xí)者無法再抵抗重力力矩而開始急速前倒的膝關(guān)節(jié)角度，定義為身體下落角速度首次超過10°/s 時的角度［19］），在失控前倒的最后階段用手掌緩沖。 16 道便攜式無線遙測肌電系統(tǒng)采集儀和Qualisys 紅外高速光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)同步采集受試者完整NHE 動作， 共記錄3 次正式實驗數(shù)據(jù)，每次間隔3min。

1.2.3 測試方法

1）表面肌電測試［20］：選擇優(yōu)勢腿放置肌電電極。 受試者將目標(biāo)部位周圍的毛發(fā)剃掉，然后用酒精清潔皮膚，以備放置肌電電極。 使用無線EMG 電極測量股二頭肌（長頭）和半腱肌、腓腸?。▋?nèi)、外側(cè)頭）、比目魚肌的肌電信號，電極條形長度為10 mm，條形寬度為1 mm，活動記錄點之間距離為1 cm。最大自主等長收縮（MVIC）測試［6］：測試之前，測試人員指導(dǎo)受試者進行10min 的標(biāo)準(zhǔn)化熱身活動。 股二頭?。ㄩL頭）、半腱?。菏茉囌叱矢┡P位，軀干、臀部固定，右側(cè)膝關(guān)節(jié)屈曲20～30°，受試者腘繩肌發(fā)最大力對抗擋板給與的阻力。 腓腸?。ㄍ鈧?cè)頭）、腓腸?。▋?nèi)側(cè)頭）、比目魚?。菏茉囌咦趲в锌勘车囊巫由?，測試人員在后側(cè)抵住椅背，受試者右側(cè)前腳掌抵在墻壁，膝關(guān)節(jié)完全伸直，隨口令盡全力做踝關(guān)節(jié)跖屈動作。 在測試過程中，研究人員通過“發(fā)力”的口令促使受試者全力收縮肌肉，并予以鼓勵，收集每塊肌肉5s 最大等長收縮時的肌電信息，去除第 1s 和最后 1s 數(shù)據(jù)， 取中間 3s 數(shù)據(jù)。 每名受試者進行 2 次MVIC 測試，每次測試間隔2min，取峰值最高一次數(shù)據(jù)。

2）運動學(xué)數(shù)據(jù)測試：在受試者外踝、股骨外上髁、大轉(zhuǎn)子粘貼反光標(biāo)記點，使用運動捕捉系統(tǒng)測取運動學(xué)數(shù)據(jù)。 靜態(tài)建模時，將膝關(guān)節(jié)伸展角度定義為大腿相對于小腿的運動，將數(shù)據(jù)輸出保存為V3D 格式以待進一步處理。

1.2.4 同步方法

測試前， 將表面肌電測試儀與運動捕捉數(shù)據(jù)采集軟件（QTM-Qualisys Track Manager）通過傳導(dǎo)線同步連接并設(shè)置為由觸發(fā)器（Trigger）統(tǒng)一啟動。 測試時，當(dāng)受試者回答“準(zhǔn)備好”后，操作者1 開啟無線肌電測試儀并同時喊“就緒”，操作者2聽到“就緒”時按下觸發(fā)器（Trigger）啟動并同時喊“開始”，受試者聽到“開始”口令后完成動作。

1.2.5 測試要求

1.2.6 數(shù)據(jù)處理

1）肌電數(shù)據(jù)：通過Delsys 肌電系統(tǒng)采集儀獲得的數(shù)據(jù)，運用Delsys Analysis 軟件對原始肌電數(shù)據(jù)進行全波整流， 肌電信號經(jīng)Butterworth4 階帶通濾波，截止頻率為10～450Hz，計算均方根（RMS），并對均方根（RMS）進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，處理完畢后輸出保存為Excel 文件。

2）運動學(xué)數(shù)據(jù)：采用數(shù)據(jù)采集軟件（QTM-Qualisys Track Manager）對獲得的數(shù)據(jù)進行二維運動分析。 膝關(guān)節(jié)屈曲角的計算是通過在大轉(zhuǎn)子、 股骨外上髁和外踝上的反射標(biāo)記進行數(shù)字化。 大轉(zhuǎn)子與股骨外上髁的連線和股骨外上髁與外踝的連線形成一個角度，定義為前傾角（本研究將動作開始時刻身體前傾角度定義為90°，前傾角度變化區(qū)間為90°～0°）。將運動學(xué)數(shù)據(jù)保存為V3D 格式運用Visual3D 軟件進行處理，通過前傾角除以時間計算膝關(guān)節(jié)伸展角速度。

3）數(shù)據(jù)長度標(biāo)準(zhǔn)化：將計算處理完畢的角速度、膝關(guān)節(jié)伸展角度、肌電激活百分比以數(shù)值形式導(dǎo)入OriginPro（2016）軟件進行統(tǒng)一插值，標(biāo)準(zhǔn)化為同等時間長度并輸出為Excel 文件保存。

2 研究結(jié)果

2.1 動作過程中屈膝肌群肌電激活/ 失活時序特征

動作開始階段， 半腱肌最先激活并表現(xiàn)出較高的肌電激活水平，隨后腓腸?。ㄍ鈧?cè)頭）與比目魚肌依次激活，股二頭肌激活較遲，腓腸?。▋?nèi)側(cè)頭）最后激活。 動作結(jié)束階段肌肉失活時序與激活時序相比，測試肌肉失活時序較集中：比目魚肌最先失活，腓腸?。▋?nèi)、外側(cè)頭）、半腱肌、股二頭肌隨后依次失活，除比目魚肌外其余肌肉失活時序較為相近。

圖1 下肢所測肌肉平均激活/失活時序

2.2 下落階段不同前傾角度屈膝肌群協(xié)作特征

在NHE 動作中屈膝肌群肌肉激活水平與前傾角度密切相關(guān)，動作前中期，肌電活動水平隨前傾幅度的加大而逐漸增加。 在臨近釋放角發(fā)生時刻，腓腸?。▋?nèi)、外側(cè)頭）的肌電活動水平達到峰值；釋放角發(fā)生時刻，半腱肌的肌電活動水平達到峰值；在72%～83%區(qū)間內(nèi)，比目魚肌、股二頭肌的肌電活動水平依次到達峰值； 短暫波動后所有測試肌肉的肌電活動水平隨前傾角度的快速縮小而急劇減弱。

2.3 下落階段不同角速度肌肉激活特征

NHE 動作過程中股二頭肌、半腱肌、腓腸?。▋?nèi)、外側(cè)頭）、比目魚肌的肌電激活水平與釋放角前后的角速度呈現(xiàn)密切關(guān)聯(lián)。 在釋放角發(fā)生前，身體前傾的角速度始終控制在10°/s 以下，肌電激活水平隨身體逐漸前傾而不斷增強，在釋放角附近肌電活動水平達到峰值；在釋放角發(fā)生后，角速度急劇增加，在經(jīng)過短暫維持后，所有測試肌肉的肌電激活水平迅速減弱。

3 分析與討論

本研究主要檢查在北歐腘繩肌訓(xùn)練動作中屈膝肌群的表面肌電特征和肌肉協(xié)作關(guān)系，研究結(jié)果顯示如下特征：在進行北歐腘繩肌訓(xùn)練動作中，股二頭肌、半腱肌、腓腸肌（內(nèi)、外側(cè)頭）和比目魚肌的肌電變化趨勢呈現(xiàn)較高的一致性，半腱肌最先激活，腓腸?。ㄍ鈧?cè)頭）激活程度最高。

3.1 屈膝肌群肌電激活水平與角速度、前傾角度關(guān)系

如圖2、圖3 所示，NHE 動作中屈膝肌肌電激活水平與前傾角度呈現(xiàn)密切相關(guān)，隨著受試者前傾幅度的增加，半腱肌、股二頭肌、腓腸?。▋?nèi)、外側(cè)頭）和比目魚肌的肌電激活水平均不斷提高，而此時角速度曲線基本穩(wěn)定，僅有輕微波動，未出現(xiàn)較大變化。 這是由于在NHE 過程中軀干位置的漸進阻力矩會提高神經(jīng)肌肉的激活水平［14，21］。這說明在NHE 動作過程中，半腱肌是在釋放角前的主要發(fā)力肌。另一方面，NHE 動作的支點是膝關(guān)節(jié)，杠桿臂包括整個上半身和下肢，由于NHE 動作不允許軀干彎曲或骨盆傾斜， 因此向前運動的微小增加會導(dǎo)致髖伸肌的內(nèi)部力矩的急劇增加［20］。 面對逐步增大的力矩需要屈膝收縮對抗前傾的外部力矩， 這也可以解釋動作開始階段腘繩肌肌電激活水平急劇上升的現(xiàn)象。 而當(dāng)前傾角度到達釋放角前，腓腸?。ㄍ鈧?cè)頭）和半腱肌肌電激活水平依次到達峰值，其余肌肉在釋放角發(fā)生后，即71%～79%區(qū)間內(nèi)達到峰值。 這是由于到達釋放角時腘繩肌的腘繩肌已被最大限度激活［19，22］。 在到達釋放角后，角速度急劇增加，所有測試肌肉的肌電激活水平在短暫維持后迅速下落并依次失活。 在軀干前傾抵達釋放角前，腘繩肌、小腿三頭肌的肌電激活程度均以達到較高水平，除股二頭肌外，其余肌肉肌電激活百分比均在臨近釋放角位置達到峰值。 由此可以得出，在NHE 中，屈膝肌的肌電激活水平與前傾角度的變化和釋放角發(fā)生位置存在密切關(guān)聯(lián)。

圖2 平均肌電激活百分比隨前傾角度變化曲線

圖3 平均肌電激活百分比隨角速度變化曲線

3.2 屈膝肌群激活時序特征

半腱肌在NHE 動作過程中最先激活，本研究認(rèn)為，半腱肌在前傾開始階段的主要功能可能是協(xié)同控制前傾軀干穩(wěn)定；腓腸肌（外側(cè)頭）在半腱肌后激活，與腘繩肌共同分擔(dān)離心扭矩，減小腘繩肌的扭矩負(fù)荷，并在下落階段協(xié)調(diào)運動控制，增強軀體穩(wěn)定平衡。 比目魚肌的肌電活動最早結(jié)束，半腱肌、腓腸肌（內(nèi)、外側(cè)頭）和股二頭肌幾乎同時結(jié)束肌電活動。 半腱肌的肌電活動持續(xù)時間最長，腓腸?。ㄍ鈧?cè)頭）在所測肌肉中肌電激活水平最高，同時腓腸?。▋?nèi)側(cè)頭）的肌電激活百分比峰值與股二頭肌相近，表明在NHE 運動中腓腸肌雖為遠端肌肉，但雙關(guān)節(jié)肌的力量傳遞機制促使腓腸肌在完成NHE 動作過程積極參與下肢肌群協(xié)同， 在穩(wěn)定運動姿勢和肌肉協(xié)調(diào)控制中發(fā)揮積極作用。 而股二頭肌、半腱肌、腓腸?。▋?nèi)、外側(cè)頭）、 比目魚肌在NHE 動作過程中隨前傾角度的變化而表現(xiàn)的肌電活動變化趨勢呈現(xiàn)較高的一致性， 在開始勻速前傾階段，肌電活動逐漸增強，在水平角度降低至65°～60°區(qū)間時，肌電活動水平急劇增強，肌肉激活率依次達到峰值，在短暫維持后隨前傾角度的快速減小而迅速下降。 由此表明在NHE 動作過程中，神經(jīng)系統(tǒng)在控制肌肉群運動，并使肌肉群作為一個單位激活，該肌肉群作為控制運動的協(xié)同單位［4］。

3.3 屈膝肌群協(xié)作模式

腓腸肌內(nèi)、外側(cè)之間肌電變化曲線差距較大，腓腸?。ㄍ鈧?cè)頭）肌電激活水平在釋放角發(fā)生前后均顯著高于內(nèi)側(cè)，同時腓腸?。ㄍ鈧?cè)頭）的肌電激活水平顯著高于其他肌肉。 腓腸肌作為遠端雙關(guān)節(jié)肌，它同時跨過膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)，通過對比平均肌電激活百分比我們可以發(fā)現(xiàn)， 腓腸肌較比目魚肌在釋放角前、后均表現(xiàn)出更高的激活水平，這可能是因為腓腸肌的雙關(guān)節(jié)肌特性， 在動作過程中起到傳輸力量的作用， 腓腸肌在NHE 動作中通過離心收縮將附近單關(guān)節(jié)肌的力量傳至膝關(guān)節(jié)，在控制軀體動態(tài)平衡的同時增強了膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。而腘繩肌損傷往往發(fā)生于最大離心收縮時刻， 如奔跑時急速髖曲膝伸的動作是發(fā)生腘繩肌損傷的常見動作［23］。 除去腘繩肌力量不足外， 腘繩肌無法承受瞬間強大的離心力矩也是導(dǎo)致其拉傷的重要原因。 而根據(jù)我們的研究結(jié)果推測，腓腸肌與腘繩肌同為屈膝肌，在NHE 動作中起到配合腘繩肌對抗離心扭矩的作用。 另一方面通過增強腓腸肌離心力量或許能夠減少腘繩肌在較大離心扭矩時的壓力，從而降低腘繩肌拉傷的風(fēng)險。在釋放角出現(xiàn)后， 所有測試肌肉的肌電激活水平均呈現(xiàn)徐緩下降趨勢。在釋放角出現(xiàn)后10%區(qū)間內(nèi)，下落角速度臨近峰值時，所有測試肌肉肌電激活水平呈現(xiàn)急速下落趨勢，并在前傾角度 30°～35°區(qū)間內(nèi)依次失活。

3.4 比目魚肌在NHE 動作過程中的作用

本研究新發(fā)現(xiàn)比目魚肌在NHE 動作過程中同樣具有明顯的肌電激活特征，在以往的研究中對于比目魚肌在NHE 動作中的功能作用未有確切表述，本研究認(rèn)為，在NHE 動作中比目魚肌通過積極收縮以穩(wěn)定踝關(guān)節(jié)，起到固定遠端支點的作用。 另一方面，比目魚肌協(xié)同腓腸肌收縮以形成遠端杠桿力臂，在向近端傳遞力量的同時對抗外部對踝關(guān)節(jié)施加的力矩［24］。 但比目魚肌與腓腸肌在NHE 動作中的具體協(xié)同模式尚未厘清，在之后的研究中會著重檢查此項。

4 結(jié)論

在北歐腘繩肌訓(xùn)練動作中， 小腿三頭肌與腘繩肌肌電變化趨勢相近，屈膝肌群在動作運動控制中存在一定協(xié)作關(guān)系。腓腸肌作為遠端雙關(guān)節(jié)肌， 在動作過程中能夠向近端關(guān)節(jié)肌肉傳遞力量、分擔(dān)內(nèi)部力矩，配合腘繩肌穩(wěn)定膝關(guān)節(jié)，增強運動中的平衡控制。