女子體操運(yùn)動(dòng)員何驪澄平衡木項(xiàng)目表面肌電用力特征研究

王 崢， 岳建軍， 徐壯壯， 范智慧

(安徽師范大學(xué) 體育學(xué)院,安徽 蕪湖 241000)

引言

體操作為中國國家隊(duì)的強(qiáng)項(xiàng)之一,平衡木又作為女子團(tuán)體的四個(gè)單項(xiàng)之一和單項(xiàng)比賽，更是中國體操隊(duì)的傳統(tǒng)優(yōu)勢項(xiàng)目，但是其發(fā)揮穩(wěn)定性不高,第二十九屆北京奧運(yùn)會(huì)以來涌現(xiàn)了鄧琳琳、程菲等一批世界冠軍。但近年來，由于隊(duì)員青黃不接，我國在該項(xiàng)目的優(yōu)勢地位并不如前，在第三十屆倫敦奧運(yùn)會(huì)安徽名將鄧琳琳奪冠后，在第三十一屆里約奧運(yùn)會(huì)中，范憶琳僅進(jìn)入決賽并未獲得獎(jiǎng)牌，在近三屆的體操世界錦標(biāo)賽中，一些選手陸續(xù)獲得獎(jiǎng)牌，直至第三十二屆東京奧運(yùn)會(huì)，中國體操隊(duì)平衡木項(xiàng)目才再次回到世界巔峰。體操項(xiàng)目的最終得分由動(dòng)作難度分和完成分組成，平衡木成套動(dòng)作計(jì)入最高8個(gè)難度動(dòng)作的分值，其中最多5個(gè)技巧動(dòng)作，最少3個(gè)舞蹈動(dòng)作[1]。近年國內(nèi)外的比賽統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，計(jì)入難度分的技巧類動(dòng)作主要有4種類型，前空翻、后空翻、后跳轉(zhuǎn)類和側(cè)空翻，且表現(xiàn)出增加趨勢[2]，每個(gè)體操套路都以成功著陸結(jié)束，成功著陸(不邁步或跌倒)是動(dòng)作評估的關(guān)鍵因素，而在空翻類動(dòng)作這種高難度動(dòng)作中，成功落木則更加困難，因此研究高難度空翻動(dòng)作在起跳，騰空，落地的三個(gè)階段人體表面肌電特征具有重要意義[3]。通過分析體操運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作表面肌電相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，獲得運(yùn)動(dòng)員完成正確技術(shù)動(dòng)作的肌電特征，以幫助普通人群對專業(yè)技術(shù)動(dòng)作的理解，為運(yùn)動(dòng)員提高運(yùn)動(dòng)成績進(jìn)行安全有效的訓(xùn)練提供科學(xué)依據(jù)。目前如于佳彬[4]、吳成亮[5]和關(guān)朝陽[6]等，對我國體操運(yùn)動(dòng)員的專項(xiàng)肌肉運(yùn)動(dòng)學(xué)和體操動(dòng)作編排特征進(jìn)行了相關(guān)研究，也有一些研究集中在體操其他項(xiàng)目，如單杠[7-8]和跳馬等，但遺憾的是，有關(guān)女子運(yùn)動(dòng)員平衡木項(xiàng)目肌肉表面肌電的研究較少。本研究旨在分析比賽中使用的空翻類動(dòng)作的表面肌電指標(biāo)，通過對比挺身前空翻動(dòng)作和直體后空翻動(dòng)作表面肌電指標(biāo)差異，探討高水平運(yùn)動(dòng)員完成挺身前空翻動(dòng)作和直體后空翻動(dòng)作的技術(shù)特點(diǎn)，進(jìn)而為運(yùn)動(dòng)員學(xué)習(xí)掌握空翻高難度動(dòng)作提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

何驪澄，女，2004年出生于安徽，中國女子體操運(yùn)動(dòng)員，曾獲2021年首屆長三角女子體操邀請賽個(gè)人女子全能第一名、平衡木第一名，2020年全國體操冠軍賽平衡木第三名、自由體操冠軍，第十四屆全運(yùn)會(huì)個(gè)人全能第八名，2020年全國體操冠軍賽全國女子自由操第一名，第十四屆全運(yùn)會(huì)女子團(tuán)體銀牌等等，于2021年5月入選東京奧運(yùn)會(huì)大名單。其突出特點(diǎn)是下肢強(qiáng)壯，爆發(fā)力好，動(dòng)作完成度高，以她為對象研究我國女子平衡木專項(xiàng)肌肉用力特征具有典型性，受試運(yùn)動(dòng)員無肌肉損傷、訓(xùn)練過度等病癥。征得本人同意，愿意配合本次實(shí)驗(yàn)，在標(biāo)準(zhǔn)體操館，連續(xù)完成指定動(dòng)作數(shù)次，以較好的一次為研究對象。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 測試儀器和步驟 Noraxon公司16通道無線遙測表面肌電采集分析系統(tǒng)，采集前用醫(yī)用酒精濕巾擦拭皮膚表面，擦除皮膚表面的油脂和干燥的真皮，將傳感器沿著肌肉走向貼于肌肉肌腹隆起處，同時(shí)要求傳感器的方向與肌纖維方向一致，用醫(yī)用膠帶固定傳感器。傳感器的位置依次為兩側(cè)的腓腸肌內(nèi)側(cè)(medial gastrocnemius)、股二頭肌(Biceps femoris)、股直肌(Rectus femoris)、三角肌(deltoid)、肱橈肌(Radial brachial muscle)，兩側(cè)肌肉張貼傳感器的順序?yàn)閺淖笾劣摇?/p>

1.2.2 肌肉選取 經(jīng)理論初選、預(yù)實(shí)驗(yàn)和專家篩選，并結(jié)合相關(guān)研究文獻(xiàn)取雙側(cè)腓腸肌內(nèi)側(cè)頭、股二頭肌外側(cè)頭、股直肌、三角肌中束，肱橈肌共10塊肌群，選取的肌肉與電極粘貼位置見表1。

表1 測試所選取的肌群Table 1 Selected Muscle Groups in Test

1.2.3 動(dòng)作要求 挺身前空翻動(dòng)作和直體后空翻動(dòng)作起跳階段、騰空階段和落木階段均要求在平衡木上進(jìn)行，同一種空翻動(dòng)作在木上連續(xù)做兩遍，危險(xiǎn)性動(dòng)作加裝泡沫墊，失去平衡的動(dòng)作不列入數(shù)據(jù)收集范圍，安排相關(guān)人員做好運(yùn)動(dòng)員保護(hù)工作。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理 肌電信號(hào)使用NoraxonTelemyo2400R(NoraxonUSAInc，Scottsdale，AZ)采集(采集頻率1500Hz，放大比例1000x)，并使用MyoResearch(NoraxonUSAInc，Scottsdale，AZ)軟件進(jìn)行平滑和過濾(頻率5-1000HZ)處理。同一受試者連續(xù)完成各個(gè)動(dòng)作，因此不需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理和測試出最大等長收縮[9]。分析運(yùn)動(dòng)員完成挺身前空翻和直體后空翻動(dòng)作身體各肌肉指標(biāo)差異，主要指標(biāo)為肌肉的積分肌電(iEMG)值以及均方根值。對各階段肌電進(jìn)行幅值整流，濾波，平滑過濾以及幅度歸一化，將動(dòng)作劃分為起跳(a)、騰空(b)和落木(c)3個(gè)階段(圖1)。

圖1 為平衡木動(dòng)作特征及階段劃分圖示Fig.1 show the action characteristics and stage division of the balance beam注：a為起跳階段，b為騰空階段，c為落木階段

2 結(jié)果

2.1 挺身前空翻和直體后空翻動(dòng)作積分肌電百分比

積分肌電(iemg)百分比也稱肌肉做功百分比，以某肌群積分肌電與完成該動(dòng)作所有肌群積分肌電和的比值來定，用來體現(xiàn)某肌群在完成動(dòng)作時(shí)的重要性[10]，是評價(jià)肌肉協(xié)調(diào)性的一個(gè)重要指標(biāo)[11],也可以用來表達(dá)肌肉在某一動(dòng)作階段貢獻(xiàn)率。

從表2、表3的各肌群的積分肌電百分比可以得出挺身前空翻和直體后空翻動(dòng)作中起跳過程的主要做功肌群都是三角肌、腓腸肌、股直肌、肱橈肌，對股二頭肌的需求較低。騰空過程的主要做功肌群則略有不同，前空翻依然是腓腸肌、三角肌、肱橈肌、股直肌，后空翻則是對股直肌的要求較低，股二頭肌代替其成為主要做功肌群之一。而在落地階段，為了控制身體平衡，三角肌成了最主要的做功肌群。通過對比挺身前空翻和直體后空翻動(dòng)作的各個(gè)階段肌肉做功過程可以得出，雖然身體兩側(cè)的同一肌肉做功情況會(huì)略有不同，但是在當(dāng)整個(gè)動(dòng)作完成后，身體兩側(cè)肌肉做功情況基本合理，說明身體協(xié)調(diào)良好。

表2 何驪澄挺身前空翻不同階段各肌群積分肌電百分比Table 2 The percentage of integral EMG of each muscle group in different stages of He Licheng’s forward somersault(%)

表3 何驪澄直體后空翻不同階段各肌群積分肌電百分比Table 3 The percentage of integral EMG of each muscle group in different stages of He Licheng’s straight backflip(%)

2.2 挺身前空翻和直體后空翻動(dòng)作各階段運(yùn)動(dòng)員肌肉激活強(qiáng)度

均方根(RMS)振幅值是人體表面肌電分析中另一重要分析指標(biāo)，主要反映肌肉活性，即肌肉參與運(yùn)動(dòng)的程度[12]。從表4、表5的各肌群的激活強(qiáng)度可知，三角肌在兩種空翻動(dòng)作各個(gè)階段中仍然是激活強(qiáng)度最大，在起跳階段和落地階段，兩動(dòng)作肌肉激活強(qiáng)度無明顯差距，依然是三角肌激活強(qiáng)度最大，而在騰空階段，挺身前空翻動(dòng)作是三角肌和股直肌激活強(qiáng)度更大，直體后空翻動(dòng)作則是腓腸肌、三角肌、肱橈肌激活強(qiáng)度更大。

表4 何驪澄挺身前空翻不同階段各肌群的標(biāo)準(zhǔn)化均方根肌電圖Table 4 Standardized root mean square electromyography of each muscle group at different stages of He Licheng’s forward somersault(%)

表5 何驪澄直體后空翻不同階段各肌群的標(biāo)準(zhǔn)化均方根肌電圖Table 5 Standardized root mean square electromyogram of each muscle group in different stages of He Licheng’s back flip(%)

2.3 挺身前空翻和直體后空翻動(dòng)作肌肉激活模式圖

由圖2可知，三角肌在動(dòng)作開始之前即開始出現(xiàn)較高激活強(qiáng)度的預(yù)激活現(xiàn)象，其穩(wěn)定軀干的作用十分明顯，通過靜力性收縮以維持軀干穩(wěn)定，并一直持續(xù)至動(dòng)作結(jié)束，肱橈肌和股直肌激活時(shí)程較短，起跳騰空階段出現(xiàn)明顯激活，另外從激活時(shí)程的長短來看，三角肌>股二頭肌>腓腸肌>股直肌>肱橈肌。在圖2中，三角肌、股直肌、股二頭肌、腓腸肌、肱橈肌均在發(fā)力階段開始時(shí)激活，但激活持續(xù)時(shí)間存在一定差異，直體后空翻動(dòng)作的激活模式具有同步性的特征，滅活順序?yàn)橛夜芍薄译枘c→左腓腸肌→左三角肌→左三角肌→右三角肌→右肱橈肌→左肱橈肌→左股直→右股二頭。

圖2 挺身前空翻和直體后空翻肌肉激活模式圖Fig.2 Front flip and straight backflip muscle activation pattern diagram注:p1-p2為起跳階段，p2-p3為騰空階段，p3-p4為落地階段

3 討論

3.1 不同空翻動(dòng)作肌肉用力特征

由于在平衡木中會(huì)受到諸多因素的影響，但是這些因素?zé)o法準(zhǔn)確測量，而肌電測試可以得出影響平衡的力量指標(biāo)，向后空翻的技巧動(dòng)作是體操兩大空翻類技巧之一[13]，幾乎在平衡木的所有比賽中都可以看到運(yùn)動(dòng)員使用此類動(dòng)作，直體后空翻和挺身前空翻是一般難度動(dòng)作，也是競技體操運(yùn)動(dòng)員被要求必須掌握的基本技能，由于在比賽過程中會(huì)受到諸多因素的影響，如場地，心理等因素，因此空翻類動(dòng)作也是極易出現(xiàn)失誤的動(dòng)作(東京奧運(yùn)會(huì)平衡木冠軍管晨辰在全運(yùn)會(huì)上就出現(xiàn)失誤，最終與獎(jiǎng)牌無緣)，對身體平衡的控制顯得更加重要，陸愛云在《運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)》中指出“平衡是指當(dāng)作用于物體的合力為零時(shí)物體所處的一種狀態(tài)”。人體保持平衡能力處于一種穩(wěn)定狀態(tài)與人體重心所處的位置和人體支撐面積大小有關(guān)。如果人體重心的重力線落在支撐面之內(nèi)，降低重心就能增加人體的平衡能力，否則將處于失衡狀態(tài)[14]。

本研究中挺身前空翻和直體后空翻在起跳階段的主要做功肌群一致，都是腓腸肌、股直肌、三角肌、肱橈肌，而在騰空階段，挺身前空翻的主要做功肌群為股直肌和三角肌，且身體左右側(cè)肌肉做功貢獻(xiàn)差距較大，直體后空翻的主要做功肌群為三角肌、腓腸肌、肱橈肌、橈肌在兩動(dòng)作起跳過程中有較明顯的參與，肱橈肌的生理功能是屈曲肘關(guān)節(jié)、將旋后的前臂旋前以及將旋前的前臂旋后，此肌肉能成為起跳過程主要做功肌肉的原因是通過上臂積極的擺動(dòng)以帶動(dòng)軀干和腿部積極伸展。

在比賽中，空翻動(dòng)作作為核心動(dòng)作之一，為了獲得較高的技巧分，運(yùn)動(dòng)員必須完成各種形式的空翻動(dòng)作，且在空翻過程中，身體的重心不斷變化，也是極易出現(xiàn)失誤造成落木的動(dòng)作之一。在落木控制階段，挺身前空翻動(dòng)作身體兩側(cè)三角肌做功達(dá)到了68%，遠(yuǎn)高于其他肌群，三角肌的主要解剖功能是使上臂在肩關(guān)節(jié)處屈和旋內(nèi)，中部纖維收縮使上臂外展，后部纖維收縮使上臂在肩關(guān)節(jié)處伸和旋外，整體收縮，能夠使上臂外展，對加固和穩(wěn)定肩關(guān)節(jié)有一定作用?？梢?，空翻類動(dòng)作較一般的動(dòng)作，身體重心的把控，軀干穩(wěn)定的控制都更為困難。三角肌為起到控制平衡的作用，是最主要的做功肌群，所以保持平衡是所有姿勢運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。股直肌、三角肌都是挺身前空翻的主要做功肌群，但令人意外的是左側(cè)三角肌和股直肌做功分別達(dá)到了24%和20%，而身體右側(cè)只占到9%和4%。究其原因主要是與動(dòng)作性質(zhì)相關(guān)，為了完成挺身前空翻的動(dòng)作，在起跳時(shí)，身體右側(cè)已經(jīng)翻轉(zhuǎn)，而左腿需要完成蹬地等動(dòng)作。

均方根值能夠更好地排除時(shí)間累積的干擾，反映單位時(shí)間內(nèi)肌肉的平均激活強(qiáng)度，采用此指標(biāo)能夠?qū)\(yùn)動(dòng)員進(jìn)行不同肌群激活強(qiáng)度的分析。larys[15]和Yang[16]的研究曾經(jīng)指出，建議用運(yùn)動(dòng)中各肌群肌電峰值對各肌群均方根肌電進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化更加合適，因此本研究采用此方法[17]。由于未經(jīng)訓(xùn)練的人在身體倒立中無法保持穩(wěn)定的平衡，這對于普通人而言，是一項(xiàng)極其困難的任務(wù)，需要高度的肌肉力量和耐力來保持身體的全部重量，以及心血管耐力需要承受相反的位置[18]。相對于支撐階段或者其他階段，身體倒立時(shí)更需要前庭器官、體感以及頭部視覺信息的整合[19]。在起跳過程中，挺身前空翻為三角肌激活程度更大，直體后空翻三角肌、腓腸肌、肱橈肌相對與其他肌群激活強(qiáng)度更大，在騰空階段和落地階段，為了保持身體的穩(wěn)定，依然是三角肌進(jìn)行了更大程度的動(dòng)員，在平衡木上運(yùn)動(dòng)時(shí)，三角肌積極收縮能夠使身體保持平衡，避免落木，人體在平衡木上做動(dòng)作時(shí)，與肢體肌群力量、肌張力之間的相互平衡，密切相關(guān)，在非周期運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中，此能力尤為重要，在長5米、寬0.1米的平衡木上移動(dòng)，翻騰時(shí)都對身體平衡性帶來了很大的考驗(yàn)?？辗悇?dòng)作三角肌動(dòng)員程度大，動(dòng)作難度增加，對身體的平衡的控制更加困難，因此在落地的一瞬間，三角肌在相對集中的時(shí)間內(nèi)猛烈收縮必將導(dǎo)致其均方根肌電值升高。

肌肉激活順序是研究專項(xiàng)動(dòng)作過程中肌肉內(nèi)部協(xié)調(diào)關(guān)系的重要手段，而協(xié)調(diào)則是人體科學(xué)和康復(fù)醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容[20]。肌肉激活人體在某個(gè)運(yùn)動(dòng)階段過程中肌肉的發(fā)力前后順序，可以分析肌肉之間的協(xié)調(diào)程度，以及判斷肌肉用力的合理性，選擇合適的激活臨界值是判斷肌肉正確用力順序的重要指標(biāo)[21]。在實(shí)際測試過程中會(huì)存在各種各樣的干擾因素，因此判斷肌肉激活沒有適用于所有項(xiàng)目的固定方法，有學(xué)者根據(jù)振幅平均值是否過基線水平的2-3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差來判斷[22]，Laplaud等人在相關(guān)研究中[23]指出振幅峰值百分比是判斷激活的較好指標(biāo)，通常用振幅峰值的15%[24]來作為判定肌肉激活的參考點(diǎn)，本研究選用的參考點(diǎn)，將標(biāo)準(zhǔn)化振幅≥15%記為肌肉開始激活，標(biāo)準(zhǔn)化振幅<15%記為滅活，根據(jù)肌肉在動(dòng)作過程中激活時(shí)間早晚可知各肌群的激活順序進(jìn)而可知技術(shù)動(dòng)作的肌肉用力順序。本文將各肌群肌電信號(hào)進(jìn)行時(shí)間和幅值歸一化處理后，以標(biāo)準(zhǔn)化振幅15%作為激活臨界值，在pycharm軟件中作圖得到各肌肉的激活模式圖，據(jù)此分析各塊肌肉在挺身前空翻和直體后空翻中的激活或滅活順序，如圖2所示。在挺身前空翻和直體后空翻動(dòng)作的激活模式圖中可以看出，各肌群在三個(gè)階段當(dāng)中幾乎都處于激活狀態(tài)，各肌群激活持續(xù)時(shí)間存在一定差異，直體后空翻動(dòng)作的激活模式具有同步性的特征。

3.2 挺身前空翻和直體后空翻動(dòng)作表面肌電特征對訓(xùn)練的啟示

挺身前空翻和直體后空翻動(dòng)作中，腓腸肌、三角肌、肱橈肌都是穩(wěn)定的做功肌群，提示在訓(xùn)練中應(yīng)注意：1)高度重視對手臂以及肩部肌肉群的力量練習(xí)，力量訓(xùn)練能夠使運(yùn)動(dòng)員的競技能力提高，newto[25]的一項(xiàng)研究表明，無訓(xùn)練經(jīng)歷的平均年齡在18.6歲的通過8周的臥推和牽拉訓(xùn)練可以使6rm的重量增加22.8%，也可以降低運(yùn)動(dòng)損傷的概率。2)加強(qiáng)腿部肌肉ssc收縮能力訓(xùn)練，運(yùn)動(dòng)員在完成各種起跳動(dòng)作時(shí)，腓腸肌，股直肌的做功都占據(jù)較大比重，這些肌肉的超等長收縮能力在很大程度上決定了運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作的騰空高度和動(dòng)作的舒展度，在肌肉離心收縮之后迅速進(jìn)行向心收縮，通過拉長肌肉的初長度，以產(chǎn)生更大的力量，此外要注意在疲勞狀態(tài)下練習(xí)時(shí)要注意肌肉損傷。3)針對平衡木動(dòng)作的身體兩側(cè)用力的非均衡性特征，力量練習(xí)中也應(yīng)該適當(dāng)增加非均衡性力量練習(xí)，并與對稱均衡性力量練習(xí)相結(jié)合[26]。研究中得出在挺身前空翻的起跳動(dòng)作當(dāng)中，身體左右側(cè)肌肉有較明顯的差異，此外也應(yīng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)員個(gè)性特征，進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)化練習(xí)。4)肩部肌肉作為各個(gè)階段過程的主要做功肌群，為提高身體的穩(wěn)定性，應(yīng)根據(jù)其做功的方式，進(jìn)行專項(xiàng)力量訓(xùn)練，肌肉專項(xiàng)化訓(xùn)練是提高運(yùn)動(dòng)成績，保證訓(xùn)練質(zhì)量的重中之重，打破原有的做功形式，形成新的生態(tài)。訓(xùn)練的動(dòng)作模式與專項(xiàng)動(dòng)作模式不匹配，造成專項(xiàng)轉(zhuǎn)化效率是很低的。Rimmer and Sleivert(2000)采用單腿和水平方向的超等長訓(xùn)練，8周后，10米起跑速度提高了2.6%，可見，訓(xùn)練中動(dòng)作模式的專項(xiàng)化是提高訓(xùn)練轉(zhuǎn)化率的前提[27]。所以進(jìn)行肌肉專項(xiàng)化訓(xùn)練是十分有必要的。5)根據(jù)運(yùn)動(dòng)員個(gè)體情況進(jìn)行差異性訓(xùn)練，本研究存在一定的局限性，所選取的運(yùn)動(dòng)員樣本量太少。在實(shí)際中，由于運(yùn)動(dòng)員的年齡不同，參加訓(xùn)練的年限也不同，在全面掌握運(yùn)動(dòng)員身體特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，要靈活多變地選擇訓(xùn)練形式和訓(xùn)練負(fù)荷。

4 結(jié)論

本研究獲得了挺身前空翻和直體后空翻動(dòng)作在完成時(shí)的基本技術(shù)特征及相關(guān)的肌電學(xué)指標(biāo)，為運(yùn)動(dòng)員學(xué)習(xí)和掌握這類動(dòng)作及運(yùn)動(dòng)員水平的提高提供了科學(xué)參考。起跳時(shí)需要運(yùn)動(dòng)員具備強(qiáng)大的下肢ssc收縮能力和肩部力量素質(zhì)，將平衡木動(dòng)作細(xì)化，主要為多樣的身體翻騰動(dòng)作與手臂的動(dòng)作相結(jié)合，是一個(gè)加速再加一個(gè)制動(dòng)，相當(dāng)于一個(gè)離心和等長收縮，不但要求力量、爆發(fā)力，更要求肌肉的制動(dòng)能力。訓(xùn)練中加強(qiáng)運(yùn)動(dòng)員基本身體素質(zhì)和平衡木專項(xiàng)力量的訓(xùn)練，以加強(qiáng)動(dòng)作的舒展度和完成度。