优秀跳远运动员起跳环节支撑腿表面肌电活动特征研究

刘述芝,吴 瑛

(1.上海体育学院 研究生部,上海 200438;2.上海体育学院 教务处,上海 200438)

优秀跳远运动员起跳环节支撑腿表面肌电活动特征研究

刘述芝1,吴 瑛2

(1.上海体育学院 研究生部,上海 200438;2.上海体育学院 教务处,上海 200438)

通过表面肌电和运动学同步测试,揭示优秀跳远运动员起跳环节下肢肌肉表面肌电活动特征。研究结果表明：运动员起跳过程中比目鱼肌、腓肠肌、股外侧肌、股内侧肌是起跳腿的主要发力肌肉;所测肌肉最大发力时的顺序为：胫骨前肌首先发力,股外侧肌和股内侧肌次之,腓肠肌、比目鱼肌、股二头肌依次最后发力至最大;在整个起跳环节,踝关节和膝关节的拮抗肌共激活水平较高,其中尤以缓冲阶段踝关节的共激活水平最高。上述特征提示,在专项训练实践中,教练员应设计与跳远起跳用力特征相一致的专项力量训练手段,以打造出良好的专项力量素质。

跳远;起跳;支撑腿;缓冲;蹬伸;表面肌电;肌电活动

肌电是神经、肌肉兴奋发放生物电的结果,是肌肉运动单位在收缩时所产生的生物电活动的集合。表面肌电 (Surface Electromyogram,sEM G)信号是从皮肤表面通过电极引导、记录下来的神经肌肉系统活动时的一维时间序列信号,其时频特征与肌肉的活动状态和功能状态之间存在着不同程度的关联性,能在一定程度上反映神经肌肉的活动。由于这种采集技术简便易行,无创伤,对技术动作的干扰小,易于被受试者接受,因而在竞技体育科学研究方面具有重要的实用价值[1]。本研究运用Bivision便携式16道生物电遥测记录分析系统和JVC高速摄影机对6名优秀跳远运动员起跳环节进行同步测试,目的是正确认识和分析起跳环节下肢神经肌肉活动的内在规律和机理,从而为跳远起跳专项力量训练提供理论依据,在实践中科学地安排与神经肌肉系统用力特征相一致的专项力量训练手段和方法,提高专项运动训练水平。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

受试者为6名高水平跳远运动员 (其中国家级健将1名,国家一级5名),年龄为17±2岁,身高为178±5cm,体重为70±5kg。所有受试者均理解实验意图,自愿参与本次试验,测试前24小时未进行剧烈运动,无心脏病史及神经肌肉病史,下肢关节无伤病。

1.2 研究方法

1.2.1 测试仪器

本研究运用1台日产JVC9800摄像机 (采样频率为25 Hz)和1套德国产Bivision便携式16道运动生物电遥测记录分析系统 (采样频率为1 000 Hz)进行同步测试。

1.2.2 数据采集

数据采集在上海体育学院综合田径馆内进行,测试场地布置见图1。

运动学数据采用JVC9800摄像机采集,定点拍摄范围为助跑倒数第二步至起跳脚离板的全过程。为提高运动图像的精确性,测试对象的主要关节点均贴以反光标志点。

肌电采集仪与摄像机实现外同步。所测肌肉分别为：股二头肌、股外侧肌、股直肌、股内侧肌、腓肠肌内侧头、比目鱼肌、胫骨前肌,具体位置见图2。常规清洁处理所测肌肉表面皮肤后,将双极表面电极顺着肌纤维的方向粘贴于肌腹处皮肤表面,以胫骨粗隆处位置作为零电极,并通过A/D转换器与电脑连接。所有电极均用绷带牢固固定以减少噪声信号干扰。实验前记录各块肌肉的最大自主收缩 (MVC)肌电图。

1.2.3 数据处理

采用上海体育学院运动生物力学教研室自编的运动学解析系统对各运动学数据进行逐幅打点解析。人体参数模型采用德国模型。数据的平滑处理采用低通滤波,截止频率是10 Hz。EM G原始肌电信号均进行整流、高低通滤波、振幅标准化的数字处理,再对处理后的信号数值进行分析。运动员起跳腿着板至离板时间段内的数据为有效特征研究数据。

2 实验结果与分析

2.1 iEM G

积分肌电 (iEM G)是指在一定时间内肌肉中参与活动的运动单位放电的总量。在时间不变的前提下,其值的大小在一定程度上反映了参加工作的运动单位的多少和每个运动单位的放电大小。研究证实,运用积分肌电可以间接反映肌肉的用力状况。Bilodeau等研究认为,在相同的时间内某一肌肉的iEM G大小和其用力程度成高度正相关[2]。王奎等在运用iEM G评价举重运动员力量素质的研究中指出,平均积分肌电与平均峰力矩和平均做功之间存在明显的相关关系,提示应用积分肌电技术来评价力量素质并监控力量训练大有可为[3]。华立君等在排球运动员下肢肌力与肌电特征的相关研究中发现,在膝关节等速测试运动期间采集到的股四头肌肌电信号可以客观评价积分肌电与肌力指标之间的关系,指导专项力量训练实践[4]。刘耀荣通过对跳远运动员膝关节屈伸肌群等速向心收缩时肌力与sEM G变化特征的研究发现,肌肉在快速收缩时的做功与iEM G成高度相关[5]。本研究将起跳环节积分肌电排名前5的肌肉界定为主要发力肌肉,积分肌电处理结果如表1和表2所示,图3中t1、t2、t3分别代表着板、缓冲结束、蹬伸结束三个时刻。

表1 起跳环节所测肌肉的积分肌电值 uvs

图3 健将级运动员庄××的原始肌电图

根据表1所测肌肉积分肌电值,结合上述积分肌电与肌力的关系,可以发现,虽然每个运动员所测肌肉对起跳动作用力的贡献程度不一样,但是大部分运动员所测肌肉在起跳过程中的用力大小趋于一致,即：比目鱼肌>股外侧肌>股内侧肌>腓肠肌>股直肌>股二头肌>胫骨前肌。由此我们认为,在跳远起跳环节中比目鱼肌、股外侧肌、股内侧肌、腓肠肌是运动员支撑腿的主要发力肌肉,这一点从原始肌电图 (图3)也可以看出。这提示教练员在进行专项力量训练时要侧重发展以上4块肌肉的力量,既要重视加强股四头肌蹬伸肌群的专项力量训练,又要发展小腿三头肌等小腿后群肌的力量,以达到协调用力的目的,从而抓住训练的重点,提高训练效率。

2.2 Peak-timing

运动员起跳时,各肌肉间的协调配合非常重要。通过肌电图可以很好地评定某个动作肌肉发力先后顺序,从而可以判断它们之间的协调性,还可以判断运动员的训练程度。训练程度高的运动员在完成动作时,肌肉放电整齐且有一定的规律性,不会出现多余的肌肉放电现象[6-8]。研究表明,肌肉的肌电活动到达振幅峰值前的时间 (Peak-timing)可以揭示同一动作阶段不同肌肉的最大发力顺序。

表2 起跳阶段所测肌肉到达振幅峰值前的时间s

表2显示,虽然不同运动员各肌群到达振幅峰值前的时间存在一定差异,但是从整体趋势分析,跳远水平高的运动员在起跳过程中支撑腿各肌肉最大发力的先后顺序仍然表现出规律性：胫骨前肌首先发力,股四头肌次之,小腿三头肌、股二头肌最后发力至最大。在起跳着地瞬间,胫骨前肌作为主动肌在远固定条件下主动向心收缩使踝关节背屈,股外侧肌、股内侧肌等伸膝肌群作为拮抗肌在远固定条件下被动离心收缩和股后肌群主动向心收缩配合来完成缓冲时的屈膝。当由缓冲过渡到蹬伸阶段时,腓肠肌、比目鱼等小腿三头肌作为主动肌在远固定条件下主动向心收缩使踝关节跖屈,使脚跟提起。股二头肌等股后肌群在远固定条件下被动离心收缩和股四头肌主动向心收缩完成伸膝和伸髋。

2.3 Co-contraction

随着对肌肉电生理和表面肌电图技术认识的不断深入,越来越多的学者认识到主动肌、拮抗肌、协同肌的功能特性和相互协调性在运动中的重要意义。人体经由中枢神经系统并通过主动肌和拮抗肌的收缩控制肢体活动的振幅、方向等参数来形成肌肉的具体活动模式和关节活动[9]。正常情况下,当主动肌收缩时,中枢神经系统会控制拮抗肌协调地放松或作适当地离心收缩。如果进行大负荷运动时,强烈的运动单位兴奋可能超过选择性抑制的能力,而引起拮抗肌的共同收缩 (co-contraction)或共激活 (co-activation),这即是根据具体要求由中枢神经系统来调节的主动肌和拮抗肌的协调性。在文献中散在的有关描述共同收缩的相关指标有共同收缩时间比、拮抗肌与主动肌活化程度的直接比值及协同收缩率[10]。本研究采用拮抗肌与主动肌的标准化积分肌电比值反映肌肉的协调运动方式[11]。具体而言,就是计算在起跳过程中下肢三关节屈伸的3组单、双关节主动肌/拮抗肌,即髋关节 (股二头肌BF/股直肌 RF)、膝关节 (股内侧肌MV/腓肠肌内侧头 M G)和踝关节 (腓肠肌内侧头M G/胫骨前肌TA)的共同收缩比值。

表3 起跳阶段拮抗肌共同收缩比值

从表3可以看出,缓冲阶段髋、膝、踝三关节拮抗肌共同收缩水平由高到低依次为：踝关节、膝关节、髋关节,而在蹬伸阶段的共同收缩水平由高到低依次为：膝关节、髋关节、踝关节。这是因为在缓冲阶段,作用于踝关节的垂直冲击力较膝关节和髋关节大,为了维护踝关节的稳定性,不至于踝背屈幅度过大,腓肠肌内侧头等小腿三头肌在神经系统的动员下充分激活参与缓冲。而且通过对踝关节拮抗肌共同收缩水平进行纵向比较发现,缓冲阶段共同收缩水平显著大于蹬伸阶段共同收缩水平,说明在缓冲阶段拮抗肌强烈兴奋,运动单位募集程度更大,甚至超过选择性抑制的能力。从原始肌电图可以看出,在蹬伸阶段胫骨前肌作为拮抗肌几

乎不参与工作,只是作协调的放松。但是踝关节背屈时拮抗肌共同收缩水平如果超过维持关节稳定性的适宜水平值时,则会提高踝关节的刚度,容易导致原动肌主动不足,踝关节损伤的概率增大[12-14]。因此在进行起跳专项力量训练时切不可忽视加强对胫骨前肌的训练。无论是在缓冲阶段还是在蹬伸阶段,髋关节的共同收缩水平均小于1,说明当髋关节屈伸主动肌收缩时,拮抗肌只是作适当的离心收缩,使拮抗肌和主动肌的用力达到协调。而膝关节周围的拮抗肌共同收缩强度比较明显,前后差别不大,这可能是由于在起跳的整个阶段腓肠肌和股内侧肌均是主要发力肌肉所致。

2.4 Exertion scope

表4 起跳阶段支撑腿主要肌肉最大发力时的活动范围 (¯x±sd) (°)

在起跳过程中股四头肌和小腿三头肌是起主要作用的肌群。从表4可以看出,在起跳过程中,股外侧肌在最大用力时刻所对应的髋、膝、踝关节角度是164±23°、145±12°和102±12°,股内侧肌最大用力时刻所对应的髋、膝、踝关节角度是176±20°、155±13°和107±11°。腓肠肌最大用力时刻所对应的髋、膝、踝关节角度是 156±15°、144±13°和101±8°,比目鱼肌最大用力时刻所对应的髋、膝、踝关节角度是174±13°、148±12°和104±14°。其中,腓肠肌最大发力时刻下肢三关节的动作幅度最小,而股内侧肌最大用力时刻三关节动作幅度最大。这说明在起跳过程中只有在合理关节角度时肌肉才能发挥出最大输出功率。苏联维尔霍山斯基曾提出并经实践证实了的力量训练动态适应性原则,即在动作的幅度与方向 (运动的有效幅度与重点区)、作用力(肌力)的大小、最大作用力的发挥速率 (或叫力的梯度)、肌肉工作方式方面必须与比赛动作相适应[15]。只有参与专项运动的相应肌肉或者肌群在力量训练时被募集、肌肉的工作方式和收缩速度与专项技术一致、肌肉或肌群之间的协调配合与专项技术特点一致以形成正确的“用力顺序”,才能打造出良好的专项力量素质。因此,在起跳专项力量训练实践中,虽然教练员不能精确把握关节角度,但是在设计训练手段时要尽量在上述关节角度范围内控制主要发力肌肉。

3 结论

(1)在起跳不同阶段,所测肌肉对起跳的贡献程度存在个体差异,但多数运动员呈现共同规律。比目鱼肌、腓肠肌等小腿三头肌和股外侧肌、股内侧肌等股四头肌是运动员在起跳环节中支撑腿的主要发力肌肉,提示教练员在进行专项力量训练时既要重视加强股四头肌蹬伸肌群的专项力量训练,又要发展小腿三头肌等小腿后群肌的力量,以达到协调用力的目的。

(2)虽然不同运动员起跳过程中各肌群到达振幅峰值前的时间存在一定差异,但是从整体趋势分析,各肌肉最大发力先后顺序仍然表现出规律性,即：胫骨前肌首先发力,股四头肌次之,小腿三头肌、股二头肌最后发力至最大。在安排专项力量训练时要充分考虑这些肌肉的用力顺序。在整个起跳环节,踝关节和膝关节的拮抗肌共激活水平较高,其中尤以缓冲阶段踝关节的共激活水平最高,目的是维持踝关节的稳定性。

(3)在起跳过程中,股外侧肌、股内侧肌、腓肠肌、比目鱼肌等在最大用力时刻所对应的起跳腿三关节角度各不相同,这说明在起跳过程中只有在合理的运动范围内肌肉才能发挥出最大输出功率。

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Elite Long Jumpers’Characteristics of M uscle Activation during Take-off

L IU Shu-zhi1,WU Ying2

(1.Graduate School,Shanghai University of Sport,Shanghai 200438,China;2.Academic Affairs Department,Shanghai University of Sport,Shanghai 200438,China)

Simultaneous surface electromyography and kinematic photographing were used to investigate elite long-jumpers,muscle exertion characteristics during take-off phrase.Results：soleus,medial gastrocnemius,lateral vastus and medial vastuswere the dominating exerting muscles;the p roper exerting o rder of measured muscles was ranked according to the time head of peak amp litude：tibialis anterior,lateral vastus,medial vastus,medial gastrocnemius,soleus,biceps femo ris;during take-off phrase,co-activation of antagonistic m uscle was relatively high,esp.that of the ankle and knee;but during buffering phrase,ankle was highest.Thatmeans：w hen designing special fo rce training methods,the coach should pay attention to the physical exertion of muscles during take-off phrase so as to build better fo rce.

long-jump;take-off;suppo rting leg;buffering;pedal to stretch;surface electromyography;muscle activation

G804.2

A

1008-3596(2010)06-0065-05

2010-06-23

上海市科学技术委员会重点科研计划项目 (08490512900)阶段性成果

刘述芝 (1980-),女,湖北襄樊人,讲师,博士,研究方向为计算机与体育、体育教学与专项力量训练。