肌肉協(xié)同理論在專項(xiàng)技術(shù)分析中的應(yīng)用
——以射箭運(yùn)動(dòng)為例

張百發(fā)，徐昌橙，周興龍，羅冬梅

（北京體育大學(xué)，北京 100084）

中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）內(nèi)數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的神經(jīng)纖維從腦干發(fā)出，同總數(shù)在15萬(wàn)左右的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元關(guān)聯(lián)，進(jìn)而控制周身700余塊肌肉，幫助人體完成協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)（Neilson et al.，1993）。神經(jīng)肌骨系統(tǒng)的復(fù)雜特性使其在能勝任眾多動(dòng)作任務(wù)的同時(shí)產(chǎn)生龐大的冗余自由度，中樞神經(jīng)系統(tǒng)究竟采取何種控制方式克服冗余自由度完成各種優(yōu)美協(xié)調(diào)的動(dòng)作是多年來(lái)神經(jīng)生理學(xué)（Bizzi et al.，1991）、機(jī)器人科學(xué)（Alessandro et al.，2013）、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)（劉宇，2010）等學(xué)科的交叉熱點(diǎn)。20世紀(jì)末起，西方學(xué)界涌現(xiàn)出諸如平衡點(diǎn)假說(shuō)（equilibrium-point hypothesis）（Feldman et al.，1995）、非控制流型假說(shuō)（uncontrolled manifold hypothesis）（Scholz et al.，1999）、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論（dynamic systems theory）（Mero et al.，1994）、對(duì)照設(shè)置假說(shuō)（referent con figuration hypothesis）（Latash，2016）及肌肉協(xié)同理論（muscle synergy hypothesis）（Lee，1984）等一批經(jīng)典人體控制學(xué)說(shuō)及相關(guān)科研成果，逐步將人體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)研究關(guān)注點(diǎn)從外在機(jī)械物理運(yùn)動(dòng)深入到內(nèi)部神經(jīng)系統(tǒng)控制層次。Bizzi（2008）曾表達(dá)一種觀點(diǎn)，自然界內(nèi)諸如基因編碼、語(yǔ)言及感知等復(fù)雜系統(tǒng)均由有限的離散單元整合形成，脊椎動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)或許采用類似模式運(yùn)轉(zhuǎn)。肌肉協(xié)同理論作為體現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)模塊化控制的經(jīng)典理論體系配備成熟的計(jì)算模型，可以幫助體育科研工作者對(duì)專項(xiàng)技術(shù)的神經(jīng)系統(tǒng)控制規(guī)律產(chǎn)生更加科學(xué)的認(rèn)識(shí)。

本研究對(duì)肌肉協(xié)同理論背景、專項(xiàng)技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行梳理與總結(jié)，明確相關(guān)概念和計(jì)算框架，并且以射箭運(yùn)動(dòng)為例展示該理論在實(shí)際中的應(yīng)用效果，以期為今后專項(xiàng)技術(shù)分析提供新的理論方法。

1 理論背景

1.1 肌肉協(xié)同理論的概念

中樞神經(jīng)系統(tǒng)如何有序、高效地控制外周神經(jīng)肌肉骨骼實(shí)現(xiàn)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)是神經(jīng)科學(xué)和運(yùn)動(dòng)科學(xué)研究領(lǐng)域中的一個(gè)基礎(chǔ)性問(wèn)題。Bernstein（1967）提出運(yùn)動(dòng)執(zhí)行過(guò)程中神經(jīng)系統(tǒng)采取降維控制策略，從而避免向參與工作的肌肉單獨(dú)下達(dá)運(yùn)動(dòng)指令的猜想。20年后，Bizzi團(tuán)隊(duì)（Bizzi et al.，1991；Lemay et al.，2001；Saltiel et al.，2001；Tresch et al.，1999b）通過(guò)青蛙實(shí)驗(yàn)等一系列實(shí)驗(yàn)印證了Bernstein的觀點(diǎn)，并提出肌肉協(xié)同（muscle synergy）理論。肌肉協(xié)同是指一組肌肉的協(xié)調(diào)活動(dòng)，神經(jīng)系統(tǒng)事先編碼一組肌肉協(xié)同元并根據(jù)目標(biāo)任務(wù)對(duì)其進(jìn)行排列組合，使肌肉產(chǎn)生協(xié)調(diào)收縮，從而完成預(yù)期的動(dòng)作（Alessandro et al.，2013）。該理論提出的神經(jīng)系統(tǒng)模塊化控制策略類似于牽線木偶的控制形式，木偶師并非直接操控木偶的每一個(gè)部位，相反，木偶師通過(guò)操縱少量線纜使木偶做出各種復(fù)雜優(yōu)美的動(dòng)作。伴隨眾多神經(jīng)生理學(xué)者印證Bizzi的觀點(diǎn)，肌肉協(xié)同理論被越來(lái)越多的人認(rèn)可并在康復(fù)診斷（García-Cossio et al.，2014）、專項(xiàng)技術(shù)分析（Matsunaga et al.，2018）、動(dòng)作發(fā)展（Dominici et al.，2011）、肌電控制（Rasool et al.，2016）等領(lǐng)域取得一定成果。

1.2 肌肉協(xié)同理論的生理依據(jù)

早期以Bizzi團(tuán)隊(duì)為代表的神經(jīng)生理學(xué)家們（Bizzi et al.，1991；Giszter et al.，1993；Saltiel et al.，2001）通過(guò)力場(chǎng)（force field）來(lái)展現(xiàn)青蛙脊髓神經(jīng)環(huán)路中的肌肉協(xié)同現(xiàn)象，研究者將青蛙后肢踝關(guān)節(jié)分別固定在水平面活動(dòng)范圍內(nèi)（workspace）的不同位置，反復(fù)刺激青蛙脊髓相同位點(diǎn)，根據(jù)后肢末端力的數(shù)據(jù)繪制得到的矢量圖即為力場(chǎng)，力場(chǎng)中的大部分矢量收斂于一個(gè)平衡點(diǎn)（equilibrium point）。研究發(fā)現(xiàn)，電刺激和化學(xué)物質(zhì)刺激青蛙脊髓均會(huì)向后肢肌肉輸入特定激活模式信息并產(chǎn)生相似穩(wěn)定的力場(chǎng)。研究認(rèn)為，特定力場(chǎng)的產(chǎn)生并非源于脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的隨機(jī)活動(dòng)，而是因?yàn)榇嬖谟诩顾柚虚g神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中肌肉協(xié)同元被激活。該團(tuán)隊(duì)后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)同步刺激牛蛙（Lemay et al.，2001；Mussaivaldi et al.，1994）、老 鼠（Tresch et al.，1999a）脊髓兩處位點(diǎn)時(shí)后肢末端產(chǎn)生的疊加力場(chǎng)與單獨(dú)刺激兩處位點(diǎn)時(shí)后肢末端產(chǎn)生力場(chǎng)的矢量和高度相似。研究發(fā)現(xiàn)，力場(chǎng)（肌肉協(xié)同）遵循矢量疊加原則，表明神經(jīng)系統(tǒng)通過(guò)某種方式消除了神經(jīng)元與神經(jīng)元之間、神經(jīng)元與肌肉之間復(fù)雜非線性的關(guān)系，進(jìn)而提出生物體的隨意運(yùn)動(dòng)可能通過(guò)肌肉協(xié)同元組合實(shí)現(xiàn)。Bizzi等（2008）將肌肉協(xié)同類比為英文字母，根據(jù)上級(jí)神經(jīng)系統(tǒng)下達(dá)的指令，可以疊加組合成各式各樣的英文單詞（自主動(dòng)作）。

非負(fù)矩陣分解（nonnegative matrix factorization，NNMF）是Lee等（1999）提出的分解算法，常用作處理信號(hào)中的多維數(shù)據(jù)，學(xué)者（Lemay et al.，2001；Saltiel et al.，2001；Tresch et al.，1999b）應(yīng)用該算法在脊椎動(dòng)物的肌電信號(hào)中提取肌肉協(xié)同元參數(shù)（Chiovetto et al.，2013）并取得很好效果。Tresch等（1999b）運(yùn)用NNMF算法提取經(jīng)皮電刺激脊髓蛙后肢皮膚時(shí)后肢多通道肌電信號(hào)中的肌肉協(xié)同元參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)，刺激不同皮膚區(qū)域會(huì)引起不同反射性動(dòng)作，同時(shí)各肌肉協(xié)同元的相對(duì)權(quán)重會(huì)發(fā)生改變，研究認(rèn)為，神經(jīng)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)肌肉協(xié)同元相對(duì)權(quán)重生成各類的動(dòng)作。Saltiel等（2001）運(yùn)用NNMF算法提取N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）離子介導(dǎo)刺激青蛙脊髓腰部中間神經(jīng)元時(shí)后肢多通道肌電信號(hào)中的肌肉協(xié)同元參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)，肌肉協(xié)同元存在一些優(yōu)選組合，認(rèn)為脊髓中間神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)優(yōu)先募集少量肌肉模塊形成肌肉收縮指令調(diào)整動(dòng)作。Hart等（2010）發(fā)現(xiàn)，相較于單通道肌電信號(hào)，青蛙脊髓腰段神經(jīng)元電信號(hào)活動(dòng)與算法提取的肌肉協(xié)同元活動(dòng)相關(guān)程度更高。Yakovenko等（2011）發(fā)現(xiàn)，貓執(zhí)行踩踏板任務(wù)時(shí)相應(yīng)控制前肢的大腦運(yùn)動(dòng)皮層椎體細(xì)胞電位活動(dòng)與肌肉協(xié)同元活動(dòng)匹配。此外，Overduin（2012）采用皮質(zhì)內(nèi)微刺激技術(shù)（intracortical microstimulation，ICMS）刺激恒河猴大腦運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)并分解恒河猴手臂、肩部多通道肌電信號(hào)，發(fā)現(xiàn)刺激運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)產(chǎn)生的肌肉協(xié)同元與自然狀態(tài)下執(zhí)行抓握任務(wù)時(shí)的肌肉協(xié)同元相似。上述研究表明，動(dòng)物自主運(yùn)動(dòng)的指令由大腦運(yùn)動(dòng)皮層編碼后下行傳導(dǎo)至脊髓中間神經(jīng)元，募集肌肉協(xié)同元并根據(jù)任務(wù)目標(biāo)賦予匹配的激勵(lì)信號(hào)，進(jìn)而控制肌群協(xié)同收縮。

近期學(xué)者在不同人群的肌電信號(hào)中提取肌肉協(xié)同元參數(shù)，并印證肌肉協(xié)同元與中樞神經(jīng)系統(tǒng)關(guān)系密切。對(duì)腦卒中患者的研究發(fā)現(xiàn)，大腦運(yùn)動(dòng)皮層受損的患者在執(zhí)行伸夠（Cheung et al.，2009，2012）、行走（Clark et al.，2010；Gizzi et al.，2011）等任務(wù)時(shí)多數(shù)肌肉協(xié)同元保存完好，研究認(rèn)為，肌肉協(xié)同元的神經(jīng)基底可能存在于皮質(zhì)以下的神經(jīng)結(jié)構(gòu)中，而患者異常動(dòng)作表現(xiàn)是源于脊髓上級(jí)神經(jīng)系統(tǒng)募集肌肉協(xié)同元的指令發(fā)生錯(cuò)誤。Dominici等（2011）發(fā)現(xiàn)，新生兒行走時(shí)下肢肌肉協(xié)同元會(huì)保留至幼兒時(shí)期，同時(shí)幼兒生成新的模塊與步態(tài)生物力學(xué)特征變化相關(guān)，研究認(rèn)為，肌肉、肌腱的感覺(jué)反饋會(huì)觸發(fā)脊髓神經(jīng)回路發(fā)生適應(yīng)性變化，協(xié)助中樞神經(jīng)系統(tǒng)創(chuàng)建貼合肢體生物力學(xué)特性的模塊，待到動(dòng)作技能發(fā)展成熟神經(jīng)控制器將與肢體環(huán)節(jié)適配從而實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)化的控制。

綜上所述，大多研究表明肌肉協(xié)同客觀存在，它的神經(jīng)基底極可能位于腦干或脊髓的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中，接收來(lái)自大腦運(yùn)動(dòng)皮層的募集指令，并將運(yùn)動(dòng)信息通過(guò)下行神經(jīng)通路下達(dá)給目標(biāo)肌群完成具體動(dòng)作任務(wù)。非負(fù)矩陣分解是在肌電信號(hào)中提取肌肉協(xié)同元參數(shù)的重要數(shù)學(xué)工具。雖然有學(xué)者（Kutch et al.，2012；Tresch et al.，2009）對(duì)肌肉協(xié)同理論提出質(zhì)疑，但多數(shù)研究結(jié)果支持神經(jīng)系統(tǒng)采取該降維控制策略完成動(dòng)作任務(wù)的觀點(diǎn)。

1.3 肌肉協(xié)同理論的計(jì)算模型

根據(jù)肌肉協(xié)同的不同定義，肌肉協(xié)同分為時(shí)間協(xié)同（temporal synergy）、同步協(xié)同（synchronous synergy）和時(shí)變協(xié)同（time-varying synergy），并且分別演變出各自的計(jì)算模型。時(shí)間協(xié)同模型（圖1A）認(rèn)為肌肉協(xié)同元是包含時(shí)間信息的連續(xù)變量，經(jīng)激活尺度系數(shù)（scaling coefficient）向量調(diào)整幅值后進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加即可重構(gòu)出肌電信號(hào)。同步協(xié)同模型（圖1B）認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)涉及肌群中各肌肉固定的權(quán)重（相對(duì)激活程度）為肌肉協(xié)同元，每個(gè)協(xié)同元由其對(duì)應(yīng)的激活尺度系數(shù)的時(shí)間序列激勵(lì)，激勵(lì)后的協(xié)同元疊加可生成肌電信號(hào)。類似于同步協(xié)同模型，時(shí)變協(xié)同模型同樣認(rèn)為目標(biāo)肌群中各肌肉的權(quán)重為肌肉協(xié)同元，但該協(xié)同元隨時(shí)間發(fā)生變化。由圖1C可知，時(shí)變協(xié)同元重構(gòu)原始肌電需要經(jīng)歷空間、時(shí)間上的調(diào)整，在空間上通過(guò)激活尺度系數(shù)c調(diào)整幅值大小，在時(shí)間上通過(guò)延遲系數(shù)t改變激活相位。

圖1 時(shí)間協(xié)同模型（A）（Dominici et al.，2011）、同步協(xié)同模型（B）（李斯，2018）、時(shí)變協(xié)同模型（C）（D’Avella et al.，2003）Figure 1.Temporal Synergies（A）（Dominici et al.，2011）、Synchronous Synergies（B）（李斯，2018）、Time Varying Synergies（C）（D’Avella et al.，2003）

肌肉協(xié)同模型常用算法包括非負(fù)矩陣分解（Lee et al.，1999）、主成分分析（Wold et al.，1987）以及獨(dú)立主成分分析（Bell et al.，1995）等，Tresch（2006）研究表明，肌肉協(xié)同元不受特定算法影響，而是反映出肌肉活動(dòng)的本質(zhì)規(guī)律。上述眾多算法中非負(fù)矩陣分解具有解算矩陣結(jié)果均保持非負(fù)的特征，故在解算肌電、力矩等生物體中采集的參數(shù)具有較大優(yōu)勢(shì)。應(yīng)用非負(fù)矩陣分解算法求解上述模型的具體公式依次如下：

公式1中 M(t)是m×T，t=1，2，3…，T的原始肌電矩陣，m是肌肉數(shù)目，t是肌電信號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)目，Ui為m×Nt的激活尺度系數(shù)矩陣，Nt是時(shí)間協(xié)同元數(shù)目，Ci(t)是Nt×T的協(xié)同矩陣，ε是殘差；公式2中M’(t)是T×m的原始肌電矩陣，Vi(t)為T×Ns的協(xié)同矩陣，Ns是同步協(xié)同元數(shù)目，Wi是Ns×m的激活尺度系數(shù)矩陣；公式3中Nv是時(shí)變協(xié)同元數(shù)目，τi是時(shí)間延遲系數(shù)。

2 肌肉協(xié)同理論在專項(xiàng)技術(shù)分析中的應(yīng)用

體育領(lǐng)域?qū)W者常用“專家-新手”范式來(lái)觀察動(dòng)作技能水平與肌肉協(xié)同元關(guān)系，希望藉此找到運(yùn)動(dòng)員更加優(yōu)化的神經(jīng)控制模式。動(dòng)作技能要達(dá)到協(xié)調(diào)高效的專業(yè)水平需要長(zhǎng)年刻苦訓(xùn)練，在這過(guò)程中大腦運(yùn)動(dòng)皮層、脊髓層面的神經(jīng)元活動(dòng)會(huì)伴隨技能水平提高產(chǎn)生適應(yīng)性變化（Adkins et al.，2006 ；Jensen et al.，2005 ；Nielsen et al.，2008）。雖然前人研究表明，動(dòng)作訓(xùn)練可以幫助恢復(fù)腦損傷患者消失的肌肉協(xié)同元，但仍不確定隨著運(yùn)動(dòng)技能水平的提高運(yùn)動(dòng)員神經(jīng)系統(tǒng)是否會(huì)衍生新的肌肉協(xié)同元，擴(kuò)充肌肉協(xié)同元數(shù)目（Routson et al.，2013）。Matsunaga等（2018）研究發(fā)現(xiàn)，羽毛球?qū)I(yè)運(yùn)動(dòng)員完成扣球動(dòng)作的肌肉協(xié)同元數(shù)目較初學(xué)者多，運(yùn)動(dòng)員特有的協(xié)同元中兩側(cè)腹內(nèi)斜肌及持拍側(cè)前臂肌群在球-拍碰撞時(shí)共同激活，研究認(rèn)為，該肌肉協(xié)同元功能為維持身體平衡協(xié)助完成擊球動(dòng)作，提示初學(xué)者練習(xí)揮拍動(dòng)作時(shí)過(guò)度關(guān)注手臂揮動(dòng)，而忽視軀干肌的配合。Vaz等（2016）比較游泳初學(xué)者與專業(yè)運(yùn)動(dòng)員完成25 m全力蛙泳時(shí)肌肉協(xié)同元，發(fā)現(xiàn)兩組人群3個(gè)肌肉協(xié)同元相似，但是初學(xué)者第二個(gè)協(xié)同元較專業(yè)運(yùn)動(dòng)員延遲激活，研究認(rèn)為，該協(xié)同元反映專業(yè)運(yùn)動(dòng)員上下肢協(xié)調(diào)配合的技術(shù)特點(diǎn)，減小阻力增加滑行動(dòng)作的效率。關(guān)于劃船（Turpin et al.，2011）與臥推（Kristiansen et al.，2015）技術(shù)動(dòng)作的研究表明，此類自由度相對(duì)少的技術(shù)動(dòng)作初學(xué)者與運(yùn)動(dòng)員肌肉協(xié)同元相同，提示學(xué)習(xí)此類技術(shù)動(dòng)作過(guò)程中神經(jīng)系統(tǒng)不會(huì)發(fā)展出新的肌肉協(xié)同元，而是整合利用其他熟悉動(dòng)作的肌肉協(xié)同元。Sawers等（2015）的研究印證了該觀點(diǎn)，研究通過(guò)比較專業(yè)芭蕾舞者與初學(xué)者在平衡木、地面上自然行走時(shí)的肌肉協(xié)同元，發(fā)現(xiàn)沿地面行走時(shí)兩組人群肌肉協(xié)同元數(shù)目相同，而進(jìn)行平衡木行走時(shí)初學(xué)者部分肌肉協(xié)同元消失，研究認(rèn)為，芭蕾舞訓(xùn)練會(huì)整合修飾舞者沿地面行走時(shí)已有的肌肉協(xié)同元來(lái)適應(yīng)各類舞蹈動(dòng)作，類似動(dòng)作技能遷移，隨著動(dòng)作技能水平提高修飾后的肌肉協(xié)同元會(huì)在更加困難的相似動(dòng)作任務(wù)（如平衡木行走）中被共享，保證完成動(dòng)作的靈活性。

肌肉協(xié)同元與動(dòng)作的生物力學(xué)變量關(guān)系密切（Ivanenko et al.，2003），體育科研工作者通過(guò)分析二者關(guān)聯(lián)來(lái)探討肌肉協(xié)同元的具體任務(wù)，幫助教練員深入理解技術(shù)特點(diǎn)。Hug等（2010）發(fā)現(xiàn)，自行車運(yùn)動(dòng)員騎行時(shí)具有3個(gè)肌肉協(xié)同元，其中功能為控制下肢從屈曲狀態(tài)向蹬伸狀態(tài)過(guò)渡的肌肉協(xié)同元個(gè)體間變異性較大，研究認(rèn)為，該肌肉協(xié)同元異質(zhì)性特點(diǎn)與相應(yīng)時(shí)段下肢關(guān)節(jié)機(jī)械功率異質(zhì)性特點(diǎn)吻合，提示此肌肉協(xié)同元或可反映自行車運(yùn)動(dòng)員技術(shù)特點(diǎn)。Frere等（2012）發(fā)現(xiàn)，體操運(yùn)動(dòng)員完成大回環(huán)動(dòng)作時(shí)具有3個(gè)肌肉協(xié)同元，2個(gè)肌肉協(xié)同元在下擺末期同時(shí)激活，研究認(rèn)為，該時(shí)段人體角加速度達(dá)到峰值肩關(guān)節(jié)受到極大負(fù)荷，2個(gè)肌肉協(xié)同元共同作用加固穩(wěn)定肩關(guān)節(jié)，提示同一運(yùn)動(dòng)任務(wù)可由多種肌肉協(xié)同元共同控制。林輝杰等（2014）在鐵餅運(yùn)動(dòng)中發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，我國(guó)優(yōu)秀鐵餅運(yùn)動(dòng)員擲鐵餅動(dòng)作由4個(gè)肌肉協(xié)同元配合實(shí)現(xiàn)，協(xié)同元2、4在第一單支撐期共同激活，研究認(rèn)為，可將第一單支撐期細(xì)化出2個(gè)階段，即第一單支撐前期與后期，前者側(cè)重“人-餅”系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)加速，后者側(cè)重該系統(tǒng)的平動(dòng)加速，建議教練員安排該動(dòng)作訓(xùn)練與教學(xué)內(nèi)容時(shí)，要充分考慮肌肉協(xié)同元在不同動(dòng)作階段間內(nèi)在的聯(lián)系。

3 肌肉協(xié)同理論在射箭技術(shù)分析中的應(yīng)用

射箭項(xiàng)目隸屬于競(jìng)技準(zhǔn)確類項(xiàng)目群，為保證運(yùn)動(dòng)員自始至終高穩(wěn)定性地發(fā)揮，需要運(yùn)動(dòng)員在有限的時(shí)間內(nèi)保持固定姿勢(shì)，即擁有較強(qiáng)姿勢(shì)控制能力（范凱斌，2009）。日常訓(xùn)練中教練員會(huì)不斷觀察運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作，希望藉此發(fā)現(xiàn)影響運(yùn)動(dòng)員射箭動(dòng)作一致性的細(xì)微動(dòng)作變化。但隨著運(yùn)動(dòng)員技術(shù)水平不斷提高，教練員發(fā)現(xiàn)即便采用高速拍攝也很難發(fā)現(xiàn)射手多次動(dòng)作間的細(xì)微差異（Stuart et al.，1990）。而肌肉協(xié)同理論可以從中樞神經(jīng)系統(tǒng)控制模式的角度發(fā)現(xiàn)、解釋優(yōu)秀射箭運(yùn)動(dòng)員多次動(dòng)作的細(xì)微變化，從而在本質(zhì)上幫助運(yùn)動(dòng)員更好地提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。同時(shí)針對(duì)射箭這類靜態(tài)動(dòng)作技術(shù)及優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員群體的研究可以為肌肉協(xié)同理論提供支撐證據(jù)。

為初步展示肌肉協(xié)同理論在射箭動(dòng)作技術(shù)分析中的應(yīng)用效果，本研究應(yīng)用無(wú)線表面肌電儀（Delsys，2 000 Hz，美國(guó)）采集1名現(xiàn)役國(guó)家射箭隊(duì)優(yōu)秀女運(yùn)動(dòng)員實(shí)射12支箭過(guò)程中上肢、軀干14通道肌電信號(hào)（表1），并提取時(shí)間協(xié)同元；應(yīng)用8鏡頭紅外高速運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)（Qualisys，200 Hz，美國(guó)）同步采集運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，便于劃分動(dòng)作階段。

表1 肌電傳感器貼放位置（Criswell，2010）Table 1 The Positions of Electrodes（Criswell，2010）

本研究結(jié)合前人文獻(xiàn)（Ertan et al.，2005；Nishizono et al.，1987；Soylu et al.，2006）以及弓、弦的位移特點(diǎn)，確定5個(gè)射箭動(dòng)作特征時(shí)刻（圖2）并劃分出5個(gè)動(dòng)作階段。舉弓階段（bow hold phase）：以舉弓時(shí)刻為起點(diǎn)，以開(kāi)弓時(shí)刻為止，舉弓時(shí)刻定義為連續(xù)5幀以上畫面弓前點(diǎn)在垂直方向上的位移變化超過(guò)0.5 mm的首幀，開(kāi)弓時(shí)刻定義為弓前點(diǎn)位移至垂直方向最高點(diǎn)時(shí)刻。開(kāi)弓階段（drawing phase）：以開(kāi)弓時(shí)刻為起點(diǎn)，以靠弦時(shí)刻為止?？肯視r(shí)刻定義為右臂肘關(guān)節(jié)外側(cè)點(diǎn)在前后方向的位移上至少連續(xù)5幀位移不超過(guò)0.5 mm的首幀。固勢(shì)階段（sighting phase）：以靠弦時(shí)刻為起點(diǎn)，以撒放時(shí)刻為止，撒放時(shí)刻通過(guò)同步采集的高速攝像視頻確定。跟隨階段（follow through phase）：以撒放時(shí)刻為起點(diǎn)，以結(jié)束時(shí)刻為止，結(jié)束時(shí)刻定義為撒放時(shí)刻后0.5 s（Spratford et al.，2017）。

圖2 射箭動(dòng)作特征畫面Figure 2.The Pictures of Archery Shooting Features

肌電信號(hào)預(yù)處理通過(guò)Matlab R2015b編程實(shí)現(xiàn)。首先將原始肌電數(shù)據(jù)基線歸零，采用4階巴特沃斯帶通濾波（band-pass filter）進(jìn)行處理，濾波器范圍為20～500 Hz（謝平等，2017）。隨后將全波整流（full wave rectification）后的信號(hào)應(yīng)用4階巴特沃斯低通濾波（Low pass filter）截?cái)囝l率20 Hz提取線性包絡(luò)線（Santuz et al.，2018）。最后將全部肌電包絡(luò)線按同一動(dòng)作周期采樣點(diǎn)長(zhǎng)度進(jìn)行插值處理，并以包絡(luò)線在12次實(shí)射過(guò)程中最大幅值進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果如圖3所示。本研究采用時(shí)變協(xié)同模型框架，通過(guò)高斯非負(fù)矩陣算法（gaussian NMF algorithm）在標(biāo)準(zhǔn)化肌電信號(hào)中提取肌肉協(xié)同元，計(jì)算在Rv3.6.1平臺(tái)編程完成。為確定矩陣重構(gòu)后的效果，運(yùn)用決定系數(shù)（coefficient of determination，R2）計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證（Clark et al.，2010），公式如下：

圖3 肌電信號(hào)預(yù)處理后的效果圖Figure 3.The Pictures of EMG Signal Via Pre-Processing

R2介于0～1，R2值越大代表重構(gòu)效果越好，1代表完全重構(gòu)。RSS為殘差平方和（residual sum of squares），TSS為總平方和（total sum of squares），Vmp是原始肌肉激活模式矩陣，V’mp是非負(fù)矩陣分解算法重構(gòu)后的數(shù)據(jù)矩陣。應(yīng)用高斯非負(fù)矩陣分解算法乘性規(guī)則（Gaussian NMF Multiplicative Update Rules）迭代提取基矩陣和系數(shù)矩陣過(guò)程中，當(dāng)連續(xù)20次迭代R2變化小于0.01%達(dá)到收斂閾值，迭代停止（Cheung et al.，2005；Santuz et al.，2018）。由于每次的非負(fù)矩陣分解都是從一個(gè)隨機(jī)矩陣開(kāi)始，為了避免局部最小值（local minima），對(duì)每組肌電數(shù)據(jù)進(jìn)行10次分解后選擇信號(hào)重構(gòu)最優(yōu)的一次，即R2最大的一次作為最終結(jié)果。為確定優(yōu)化的階數(shù)（協(xié)同元數(shù)目），本研究計(jì)算1～10階的非負(fù)矩陣因子分解結(jié)果R2用以評(píng)估最優(yōu)階數(shù)。以分解階數(shù)K為自變量，對(duì)應(yīng)的R2為因變量做線性擬合，并計(jì)算1～10階擬合的R2與實(shí)際R2的均方差（mean squared error，MSE）。如果MSE＞10-5，便用2～10階R2重新進(jìn)行擬合，并計(jì)算R2與實(shí)際R2的MSE，依次類推直至MSE＜10-5或剩下最后2個(gè)分解階數(shù)為止，滿足上述條件，從而確定肌肉協(xié)同結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖4所示。（Santuz et al.，2017）。

圖4 射箭動(dòng)作的時(shí)間協(xié)同模型Figure 4.The Temporal Synergies of Archery Shooting

肌肉協(xié)同元可以反映運(yùn)動(dòng)員長(zhǎng)年訓(xùn)練后完成動(dòng)作技術(shù)時(shí)的神經(jīng)控制策略（Sawers et al.，2015），將協(xié)同元激活時(shí)間區(qū)段、激活尺度系數(shù)同動(dòng)作技術(shù)本身結(jié)合分析，可以推斷出協(xié)同元的功能任務(wù)。本研究提取4個(gè)時(shí)間協(xié)同元，全局決定系數(shù)R2為84%。TS1主要在舉弓階段及開(kāi)弓階段前半程激活，左側(cè)背闊肌、左側(cè)三角肌前束及右側(cè)斜方肌上束激活程度較高，提示TS1功能為控制右側(cè)肩胛骨上提、左側(cè)肩關(guān)節(jié)前屈將弓抬高，待弓開(kāi)始下放時(shí)牽引左側(cè)肱骨向后內(nèi)下方位移從而對(duì)抗拉開(kāi)弓弦時(shí)弓柄受到向體后方向的牽引力（圖4A）。TS2主要在開(kāi)弓階段激活，該協(xié)調(diào)元中起主導(dǎo)作用的肌肉是右側(cè)斜方肌上束、右側(cè)斜方肌中束及右側(cè)三角肌中束，提示TS2功能為通過(guò)控制右側(cè)肩胛骨后縮、右側(cè)肩關(guān)節(jié)外展完成拉開(kāi)弓弦的任務(wù)（圖4B）。TS3的激活時(shí)段為開(kāi)弓階段后半程、固勢(shì)階段及跟隨階段，左側(cè)肱三頭肌長(zhǎng)頭、左側(cè)肱三頭肌外側(cè)頭及左側(cè)肱二頭肌激活程度較高，提示開(kāi)弓階段后半程弓下放結(jié)束后，TS3功能為通過(guò)控制左側(cè)肘關(guān)節(jié)保持伸展?fàn)顟B(tài)，對(duì)抗弓弦拉滿時(shí)的回彈力穩(wěn)定弓的位置（圖4C）。TS4于固勢(shì)階段、跟隨階段激活，右側(cè)背闊肌、右側(cè)指淺屈肌激活程度較高，提示該協(xié)調(diào)元功能同撒放動(dòng)作技術(shù)關(guān)聯(lián)（圖4D）。國(guó)外學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)，指淺屈肌、指總伸肌各自電信號(hào)變化特征及二者相互配合決定撒放技術(shù)質(zhì)量（Clarys et al.，1990；Ertan，2009；Ertan et al.，2003，2011；Tinazci，2011）。我國(guó)教練員通過(guò)長(zhǎng)期訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出，正確的撒放動(dòng)作需要保證背部肌肉的參與，故要求射手完成撒放動(dòng)作后拉弦手輕擦脖子保證形成背部肌肉用力的動(dòng)作記憶（張秀麗等，2008）。TS4的激活尺度系數(shù)表明該協(xié)同元主要反映指淺屈肌、右側(cè)背闊肌的協(xié)同作用，精準(zhǔn)找出我國(guó)優(yōu)秀射箭運(yùn)動(dòng)員的撒放技術(shù)特點(diǎn)。

上述分析初步展現(xiàn)射箭動(dòng)作中時(shí)間協(xié)同元功能，由于以往射箭的生物力學(xué)研究較少關(guān)注舉弓階段、開(kāi)弓階段，后續(xù)研究可考慮結(jié)合動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)深入探討其他協(xié)同元的功能任務(wù)。

4 總結(jié)

肌肉協(xié)同理論是詮釋人體協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的經(jīng)典理論體系，將其應(yīng)用在專項(xiàng)技術(shù)分析中可以幫助體育科研工作者對(duì)專項(xiàng)技術(shù)的神經(jīng)系統(tǒng)控制規(guī)律有更加科學(xué)的認(rèn)識(shí)。本研究明確了肌肉協(xié)同理論相關(guān)概念、生理依據(jù)及數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)綜述了肌肉協(xié)同理論在專項(xiàng)技術(shù)中的應(yīng)用，并且以優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員射箭動(dòng)作為例初步展示了肌肉協(xié)同理論應(yīng)用效果，為肌肉協(xié)同理論在我國(guó)專項(xiàng)技術(shù)分析中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。從相關(guān)領(lǐng)域豐碩的研究成果中可以發(fā)現(xiàn)該理論在動(dòng)作分析中的優(yōu)越性，但同時(shí)存在諸多挑戰(zhàn)，比如明確不同數(shù)學(xué)模型的適應(yīng)環(huán)境，探究運(yùn)動(dòng)員在不同訓(xùn)練階段肌肉協(xié)同元的發(fā)展規(guī)律。為了使該理論能夠早日為動(dòng)作技術(shù)診斷提供確實(shí)可靠的方法學(xué)指導(dǎo)，建議今后進(jìn)行長(zhǎng)期縱向跟蹤測(cè)試，并考慮結(jié)合腦電、核磁影像等技術(shù)手段為該理論在專項(xiàng)技術(shù)評(píng)價(jià)與診斷方面提供支撐。