“歐洲步”上籃蹬地斜跨步動作下肢運動特征研究

沈兆鑫，李 磊，趙翔宇

1 前言

當前，體育工程與運動訓練的聯(lián)系越來越緊密，智能動作捕捉系統(tǒng)等機械科研設(shè)備在運動數(shù)據(jù)采集、智能處理等方面具有很強的優(yōu)勢。“歐洲步”上籃動作因其腳步變化多，身體晃動幅度大，對防守隊員極具迷惑性等特點成為當下最時興的籃球進攻技術(shù)［1］，是馬努·吉諾比利、詹姆斯·哈登、揚尼斯·阿德托昆博等明星球員的招牌動作［2］。但筆者通過搜集查閱文獻發(fā)現(xiàn)，鮮有關(guān)于“歐洲步”動作的研究，因此本實驗利用三維運動捕捉系統(tǒng)、肌電測試儀、測力臺等體育科研儀器對這一動作進行實驗探究，以期揭示該動作的運動規(guī)律和特征，并依此對訓練和損傷預(yù)防等給出相關(guān)建議。

2 實驗設(shè)計

2.1 研究對象

研究對象為八名北京體育大學籃球?qū)ｍ椷\動員，且滿足以下要求：（1）男性；（2）年齡在18－25歲之間；（3）運動等級為一級以上（包含一級），投籃優(yōu)勢手為右手；（4）身體狀況良好，測試前24h內(nèi)無劇烈運動，無飲酒，近六個月內(nèi)無下肢損傷史。受試者基本信息見表1。

表1 受試者基本信息

2.2 研究方法

選取八名北京體育大學籃球一級運動員，運用表面無線肌電測試系統(tǒng)Delsys（2000Hz）、紅外光點高速運動捕捉測試系統(tǒng)Motion（200Hz）和測力臺Kistler（1000Hz），三者同步采集“歐洲步”上籃蹬地斜跨步動作的下肢表面肌電、運動學和動力學研究指標。

2.3 運動階段劃分

為了便于數(shù)據(jù)處理、分析和討論，將“歐洲步”上籃動作按運動階段劃分為邁步收球階段、蹬地斜跨步階段和起跳上籃階段，見圖二。

圖一 “歐洲步”上籃動作運動階劃分段示意圖

2.4 指標選取

本研究在進行表面肌電測試時選取肌電的時序特征、積分肌電和肌肉貢獻率這三個指標；在進行運動學測試時所選取的指標有髖、膝、踝關(guān)節(jié)的三維角度；在進行動力學測試時所選取的指標有垂直地面地面反作用力和沖量。

2.5 測試設(shè)置

2.5.1 表面肌電測試

結(jié)合運動解剖學、運動生物力學和“歐洲步”動作特征，選取左右側(cè)下肢臀大肌、股直肌、股二頭肌、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭、脛骨前肌，共10塊肌肉，經(jīng)刮毛、酒精棉球擦拭后，用雙面膠粘貼好肌電傳感器，粘貼時要沿著肌纖維方向行走。肌電傳感器粘貼位置見表2：

表2 肌電傳感器粘貼位置

2.5.2 運動學測試

使用Motion紅外光點高速運動捕捉系統(tǒng)進行動作測試。為了實驗需要，受試者需身穿緊身短褲，頭戴泳帽，腳穿不反光的籃球運動鞋，受試者熱身完且準備就緒后，根據(jù)海倫海耶斯貼點方案，在身上粘貼并固定Marker反光標志點。標志點位置見圖二。

圖二 marker點粘貼示意圖

2.5.3 動力學測試

使用Kistler測力臺測試“歐洲步“上籃動作的動力學指標，測力臺位于實驗場地中央，共四塊。

2.5.4 同步測試

Motion紅外光點高速運動捕捉測試系統(tǒng)和Kistler測力臺兩者之間可以實現(xiàn)內(nèi)同步，與Delsys表面肌電測試儀連接后可以實現(xiàn)外同步，從而最終實現(xiàn)了三者之間的同步測試。

2.6 測試要求

測試開始時，受試者需在距測力臺6到8米外持球充分運球助跑，在距離第一塊測力板一步距離時收球邁步，使右腳踏入第一塊測力臺，隨后在自然連貫狀態(tài)下向左前方斜跨出一步，使左腳踩在第四塊測力板上，之后蹬地起跳，完成上籃動作。

要求整個動作流暢自然，無刻意的改變步幅、腳踩測力臺縫隙等情況，每個受試者需完成三次測試。

2.7 數(shù)據(jù)處理

2.7.1 表面肌電信號的處理

本研究運用表面肌電的時域分析方法，分析肌肉放電時序特征、積分肌電和肌肉貢獻率。

首先，使用EMGworks Analysis軟件對原始肌電數(shù)據(jù)進行歸零、帶通濾波（20－400Hz）、翻正處理，然后在翻正基礎(chǔ)上計算得到均方根振幅（RMS）和積分肌電（iEMG），之后導入到Excel中。

時序是指肌肉的激活和失活順序以及持續(xù)時間，本研究將肌電信號中均方根振幅（RMS）大于最大值的15%的部分視為肌肉活動區(qū)域［3］，以此確定肌肉活動的起點和止點以及持續(xù)時間。標準化處理時將單人完成動作時間除以全部受試者完成動作的總時間，用時間百分比來表示。

積分肌電能夠反映參加肌肉活動的運動單位的數(shù)量。對積分肌電進行標準化處理時，本研究以單位時間內(nèi)某塊肌肉積分肌電值占該人所有動作最大積分肌電值的百分比來計算，計算公式是：iEMGnorm＝iEMGi／iEMGmax［4］，通過此方法可以排除個體和肌肉自身力量的差異。

肌肉貢獻率可以評定每塊肌肉在完成動作過程中的參與程度。每塊肌肉貢獻率可根據(jù)標準化后的積分肌電來計算得到。

2.7.2 運動學數(shù)據(jù)的處理

利用Cortex軟件進行數(shù)據(jù)處理。根據(jù)采集的標志點建立骨骼肌肉模型來計算關(guān)節(jié)角度和人體重心。之后導出Kin文件和Force文件，Kin文件包含身體重心和各個標志點的三維坐標，F(xiàn)orce文件包含每塊測力臺的三維力值。

在計算關(guān)節(jié)角度時，Cortex軟件可建立骨盆、大腿、小腿、足的坐標系。其中大腿在圍繞骨盆坐標系的X、Y、Z軸運動時，可分別得到髖關(guān)節(jié)在矢狀面、額狀面和水平面的運動角度［5］，規(guī)定屈為正值，伸為負值；內(nèi)收為正值，外展為負值；內(nèi)旋為正值，外旋為負值。小腿在圍繞大腿坐標系的X、Y、Z軸運動時，可分別得到膝關(guān)節(jié)在矢狀面、額狀面和水平面的運動角度，規(guī)定屈為正值，伸為負值；外翻為正值，內(nèi)翻為負值；內(nèi)旋為正值，外旋為負值。足在圍繞小腿坐標系的X、Y、Z軸運動時，可分別得到踝關(guān)節(jié)在矢狀面、額狀面和水平面的運動角度，規(guī)定背屈為正值，跖屈為負值；內(nèi)翻為正值，外翻為負值；內(nèi)旋為正值，外旋為負值。

2.7.3 動力學數(shù)據(jù)的處理

處理動力學數(shù)據(jù)時，將垂直地面反作用力大于10N的時刻定義為足著地時刻，小于10N的時刻定義為足離開地面的時刻，由此可以計算出各運動階段中各個方向上力的大小和沖量，其中沖量計算公式為I＝Ft。X軸表示前后方向的力，規(guī)定向前為負值，向后為正值；Y軸表示左右方向的力，規(guī)定向左為負值，向右為正值；Z軸表示垂直方向的力，規(guī)定下為負值，向上為正值。對數(shù)據(jù)進行標準化處理時用垂直地面反作用力或沖量除以體重。

2.7.4 數(shù)據(jù)分析

使用Microsoft Excel對原始數(shù)據(jù)進行處理，運用Origin軟件對數(shù)據(jù)進行標準化等整理分析，并制作相關(guān)的圖形。之后用SPSS17.0對相關(guān)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析，統(tǒng)計結(jié)果包括平均數(shù)和標準差，顯著性水平設(shè)置為0.05，P＜0.05表示存在顯著性差異。

3 研究結(jié)果

特此說明，由于左側(cè)股直肌的肌電傳感器出現(xiàn)故障，造成左側(cè)股直肌肌電數(shù)據(jù)異常，所以本文沒有進行左側(cè)股直肌的相關(guān)計算，在后續(xù)的討論和分析中也沒有將其包含在內(nèi)。

3.1 “歐洲步”蹬地斜跨步動作下肢肌肉放電特征

3.1.1 肌肉放電時序特征（見表3和表4）

表3 “歐洲步”上籃蹬地斜跨步階段的肌肉激活時間

表4 “歐洲步”上籃蹬地斜跨步動作的肌肉活動持續(xù)時間

3.1.2 肌肉積分肌電值（見表5）

表5 “歐洲步”上籃蹬地斜跨步動作的肌肉積分肌電值

3.1.3 肌肉貢獻率（見表6）

表6 “歐洲步”上籃蹬地斜跨步動作的肌肉貢獻率

3.2 “歐洲步”蹬地斜跨步動作的下肢運動學特征

3.2.1 蹬地斜跨步階段的髖、膝、踝關(guān)節(jié)三維運動角度（見表7）

表7 “歐洲步”上籃動作的髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度

3.3 “歐洲步”蹬地斜跨步階段的動力學特征

3.3.1 垂直地面反作用力峰值（見表8）

表8 “歐洲步”上籃動作垂直地面反作用力的峰值

3.3.2 足底沖量（見表9）

表9 “歐洲步”上籃動作的足部沖量

4 分析與討論

4.1 “歐洲步”上籃蹬地斜跨步動作的下肢表面肌電特征分析

4.1.1 肌肉時序特征分析

“歐洲步”上籃蹬地斜跨步階段最早被激活的是右側(cè)股二頭肌和股直肌，這兩塊相對強壯的肌肉可以通過積極地屈膝下壓，對上一運動階段邁步后的著地過程起到緩沖作用，減少膝關(guān)節(jié)受到的沖擊。隨后激活的右側(cè)脛骨前肌同樣參與著地緩沖過程，同時有利于減少落地時不正常的腳踝過度偏轉(zhuǎn)［6］。蹬地時，右側(cè)腓腸肌蹬伸發(fā)力，發(fā)揮跟腱彈性優(yōu)勢。臀大肌也于遠固定條件下使大腿在髖關(guān)節(jié)處伸展，作為原動肌使右腿蹬地發(fā)力［7］。左腿向左前方跨步時，左側(cè)股二頭肌在近固定的情況下，使左大腿在髖關(guān)節(jié)處屈，送髖抬腿，加大步幅。左腳著地時，左側(cè)脛骨前肌使踝關(guān)節(jié)背屈起到緩沖作用，蹬地斜跨步階段結(jié)束。

從肌肉放電持續(xù)時間來看，右側(cè)脛骨前肌的放電持續(xù)時間最長，它參與了右腿作為支撐腿緩沖和作為發(fā)力腿蹬伸兩個重要過程，與之相對應(yīng)的左側(cè)脛骨前肌在左腳落地時起到緩沖作用。右側(cè)股二頭肌的肌肉放電持續(xù)時間居于第二，其幫助伸髖屈膝，使右腿獲得更好的蹬伸發(fā)力角度。腓腸肌內(nèi)側(cè)頭的肌肉放電持續(xù)時間相對較短，雖然腓腸肌在小腿蹬伸發(fā)力過程中發(fā)揮主要作用［8］，但由于這一過程較為迅速，所以左、右兩側(cè)腓腸肌內(nèi)側(cè)頭的肌肉放電持續(xù)時間較短。臀大肌和股直肌的肌肉放電持續(xù)時間短則可能是因為兩者均為下肢較大肌群，其激活閾值較高。通過肌肉放電的持續(xù)時間情況，我們可以有所啟示，在平時的肌耐力訓練過程中，要著重發(fā)展脛骨前肌和股二頭肌，通過大肌群與小肌群的協(xié)調(diào)配合，才能提高技術(shù)動作質(zhì)量，為完成該技術(shù)動作提供強有力的肌耐力基礎(chǔ)，同時還能夠降低運動疲勞所帶來相應(yīng)的損傷風險［9］。

4.1.2 肌肉積分肌電和貢獻率分析

積分肌電反映肌肉在運動階段中的放電總量，體現(xiàn)肌肉募集及激活程度［10］。積分肌電值最大的是右側(cè)臀大肌，臀大肌是下肢比較重要的核心肌群，它能調(diào)整腰背筋膜的緊繃度，間接參與維持腰椎的穩(wěn)定性，同時，臀大肌在對抗腳跟觸地對骨盆前方和軀干前方產(chǎn)生的屈曲力方面也發(fā)揮著重要作用［11］。結(jié)合“歐洲步”上籃的動作特征分析，運動員在邁步收球階段右腳著地時，足部受到極大的地面反作用力，為了對抗這種地面反作用力和向前的慣性，臀大肌向心收縮使大腿發(fā)生旋外，限制骨盆和軀干過分前傾，發(fā)揮著緩沖制動和維持身體穩(wěn)定性的重要作用。股二頭肌的積分肌電值次之，它能使腿在膝關(guān)節(jié)處屈，幫助提拉折疊小腿，增大跨步距離。脛骨前肌的積分肌電值也處在比較高的水平，它是小腿前群肌之一，在著地緩沖時，作為拮抗肌起到維持內(nèi)側(cè)足弓形態(tài)，防止足部過度內(nèi)翻的作用，由于踝關(guān)節(jié)的背屈活動度為0度到20度之間，跖屈的活動度為0度到45度之間，背屈活動度明顯小于跖屈活動度，所以足部的背屈運動需要更大的肌肉力量去維持，也更容易疲勞，相應(yīng)的發(fā)生內(nèi)翻等損傷的風險也就越高［12］，所以在平時的訓練中，我們可以對脛骨前肌進行有針對性的訓練。正常情況下，腓腸肌的積分肌電值是相對較低的，但在爬斜坡，蹬自行車等運動中，它能夠作為足跖屈發(fā)力的儲備肌肉被充分激活，起到蹬地發(fā)力的作用，在平時的訓練過程中，可以對其進行有針對性的鍛煉。

肌肉貢獻率可以表明運動過程中每塊肌肉的參與貢獻程度和用力的主次關(guān)系。有研究顯示，右側(cè)優(yōu)勢手籃球運動員長期以左腳啟動和左腳作為支撐腳助跑起跳為主［13］，但通過研究發(fā)現(xiàn)，運動員在完成“歐洲步”上籃動作時，同一類型肌肉的右側(cè)貢獻率更大，所以在平時訓練時，為了能夠更好地完成“歐洲步”上籃動作，獲得更大的斜跨步距離，提升動作的發(fā)揮效果，可以重點對下肢右側(cè)肌肉進行鍛煉。但是在訓練時，也要注意保持左右側(cè)及前后側(cè)肌力的平衡。

4.2 “歐洲步”上籃蹬地斜跨步動作的下肢運動學特征分析

4.2.1 下肢髖關(guān)節(jié)運動角度的分析

如圖三所示，在蹬地斜跨步階段，右側(cè)髖關(guān)節(jié)先發(fā)生屈曲，使大腿繞額狀軸做屈的運動，將身體重心降低，這樣一是為了在著地時進行有效的緩沖制動，二是為蹬地斜跨步積累彈性勢能。y軸的角度變化情況說明右髖在整個過程中始終處在外展的狀態(tài)下，尤其是當右腳著地的瞬間，外展角度一度達到29°左右。

圖三 右側(cè)髖關(guān)節(jié)活動角度變化

如圖四所示，在左腳著地時，左側(cè)髖關(guān)節(jié)屈的角度達到最大，之后開始回伸內(nèi)收，使身體趨于直立位，便于獲得更好的豎直騰空高度［14］。左側(cè)髖關(guān)節(jié)z軸折線圖顯示右腳向右前方邁步著地以后，身體制動緩沖，左側(cè)髖關(guān)節(jié)因慣性產(chǎn)生了一定的旋內(nèi)活動。右腳著地以后，開始向左前方斜跨步，此時，左側(cè)髖關(guān)節(jié)旋外使身體扭轉(zhuǎn)改變方向，待左側(cè)腳著地，為了對抗地面的反作用力，維持身體穩(wěn)定［15］，左側(cè)髖關(guān)節(jié)產(chǎn)生旋內(nèi)使身體方向回正，這一過程對髖關(guān)節(jié)的活動度是一個考驗。

圖四 左側(cè)髖關(guān)節(jié)活動角度變化

4.2.2 下肢膝關(guān)節(jié)運動角度的分析

如圖五所示，右膝在蹬地發(fā)力時，屈曲度逐漸增加，當重心降到最低時，達到屈曲最大值，為70°左右，有利于將肌肉的彈性勢能轉(zhuǎn)化為動能，獲得更好的蹬伸效果。在蹬伸過程中，為了獲得向左前方更遠的跨步距離，右側(cè)膝關(guān)節(jié)發(fā)生內(nèi)翻和旋內(nèi)，使腿部和身體扭轉(zhuǎn)，朝向左前方向跨步，此時如果右膝周圍肌力不足或關(guān)節(jié)活動度受限，則極易發(fā)生膝關(guān)節(jié)或韌帶扭傷［16］。

圖五 右側(cè)膝關(guān)節(jié)活動角度變化

如圖六所示，左側(cè)膝關(guān)節(jié)在蹬地斜跨步階段的關(guān)節(jié)角度變化范圍較大，接近于100°左右，此時左側(cè)膝關(guān)節(jié)處在凌空狀態(tài)下，通過在空中的屈伸來調(diào)節(jié)邁步和著地姿勢。當左腳著地時，運動員通過增加膝關(guān)節(jié)屈曲角度來減少落地時的地面反作用力，此時脛骨向前的剪切力明顯增加［17］，左側(cè)膝關(guān)節(jié)角度在此過程中發(fā)生了比較急速的變化，發(fā)生ACL損傷的風險比較高［18］。

圖六 左側(cè)膝關(guān)節(jié)活動角度變化

4.2.3 下肢踝關(guān)節(jié)運動角度的分析

如圖七所示，在右腳蹬地瞬間，右側(cè)踝關(guān)節(jié)急速內(nèi)翻，所測運動員中有的踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻角度可達40度，同時還有15度左右的旋外，這一時刻發(fā)生踝關(guān)節(jié)損傷的風險極大［19］。

圖七 右側(cè)踝關(guān)節(jié)活動角度變化

如圖八所示，在落地階段，左腿受到地面的反作用力后產(chǎn)生背屈，完成緩沖制動，但在自身重力和慣性作用下，左側(cè)踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻和旋外的角度可達20度，容易發(fā)生踝關(guān)節(jié)扭傷［20］。

圖八 左側(cè)踝關(guān)節(jié)活動角度變化

4.3 “歐洲步”上籃蹬地斜跨步動作的動力學特征分析

4.3.1 峰值力特征分析

如圖九所示，在“歐洲步”上籃動作中，第二步要比第一步的峰值力大3.6±0.82 N／kg，12.76%左右。說明第二步比第一步在垂直方向上的有一個更大的發(fā)力過程。

圖九 “歐洲步”上籃動作的峰值力

4.3.2 足底沖量特征分析

如圖十所示，左腳在前后方向上的沖量顯著性大于右腳（P＜0.05），因為在起跳上籃階段，需要更遠的上籃距離。右腳在水平方向上的沖量顯著性大于左腳（P＜0.05），這是因為在右腳蹬伸斜跨步時，身體變向幅度比較大，而左腳起跳上籃時，身體晃動的幅度減小，從而提高上籃的穩(wěn)定性。左腳在垂直方向上的沖量顯著性大于右腳（P＜0.05），因為左腳在起跳上籃時，需要在垂直方向上集中較大的力量，以獲得更高的起跳高度［21］。

圖十 “歐洲步”上籃動作的足部沖量

5 研究結(jié)論

1.右側(cè)優(yōu)勢手籃球運動員在完成“歐洲步”上籃的蹬地斜跨步動作時，右側(cè)肌肉如右側(cè)臀大肌、右側(cè)股二頭肌、右側(cè)脛骨前肌和右側(cè)腓腸肌的激活和募集程度要強于左側(cè)肌肉，說明該動作是以右側(cè)肌肉活動為主導的技術(shù)動作。

2.在做斜跨步變向動作時，髖關(guān)節(jié)的靈活性和穩(wěn)定性對于完成該動作具有關(guān)鍵性作用；在“歐洲步”上籃動作中的蹬伸和緩沖制動過程中，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的活動度變化較大，具有一定的關(guān)節(jié)或韌帶損傷風險。

3.在“歐洲步”上籃動作中，第一步在水平方向上發(fā)力作用明顯，主要起到增加斜跨步的變向幅度的作用；第二步在向前和垂直方向上發(fā)力作用明顯，主要起到增加上籃的起跳高度和距離的作用。

6 研究建議

1.為了更好地完成“歐洲步”上籃動作，一方面可以有針對性地對腓腸肌進行鍛煉，強化蹬伸能力，以獲得更遠的跨步距離。另一方面，可以加強臀大肌、股二頭肌的力量以及髖關(guān)節(jié)處肌肉的延展性，以增強動作穩(wěn)定性。此外，還應(yīng)提升脛骨前肌和股二頭肌的肌肉耐力，以防運動性疲勞帶來相應(yīng)的損傷。

2.在“歐洲步”上籃的斜跨步著地瞬間，踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生較大的內(nèi)翻，膝關(guān)節(jié)也發(fā)生了較為迅速和明顯的扭轉(zhuǎn)，極易發(fā)生關(guān)節(jié)扭傷，應(yīng)加強相應(yīng)關(guān)節(jié)部處的力量訓練，或佩戴護具，增強其穩(wěn)定性。