高水平短跑运动员途中跑摆动技术表面肌电(sEMG)特征

张 杰，吴 瑛，康文峰

(1.上海体育学院体育教育训练学院，上海 200438;2.上海体育学院教务处，上海 200438; 3.河南科技大学体育学院，河南洛阳471003)

高水平短跑运动员途中跑摆动技术表面肌电(sEMG)特征

张 杰1，吴 瑛2，康文峰3

(1.上海体育学院体育教育训练学院，上海 200438;2.上海体育学院教务处，上海 200438; 3.河南科技大学体育学院，河南洛阳471003)

运用表面肌电遥测和高速摄像同步测试方法，结合功能解剖学知识，揭示我国部分高水平短跑运动员途中跑摆动技术肌肉活动特征。结果表明:短跑途中跑摆动技术肌电特征表现为明显的时序性，肌肉间的收缩具有高度协调性。在完成摆动技术动作中，折叠前摆阶段，阔筋膜张肌、股直肌等屈髋肌以及胫骨前肌是参与活动的主要肌群;下压着地阶段，臀大肌、股二头肌长头、半腱肌是参与活动的主要肌群。在专项力量训练实践中，教练员应结合髋关节屈伸肌群的发力范围、发力特点，优选专项力量训练的手段，以提高训练效果。

短跑;摆动技术;表面肌电;肌肉活动特征

在现代高水平运动员的专项训练中，通常采用围绕关键技术环节运动特征以局部的单肌群进行力量训练［1］，研究表明，发展摆动技术的肌肉力量采用的练习手段与完成短跑专项技术的肌肉用力特征一致，有助于提高训练效果。表面肌电信号是神经肌肉系统的生物电变化在皮肤表面加以引导、放大，并记录和显示所得到的一维时间序列信号［2］。通过研究表面肌电信号的时频域特征可以有效反映肌肉的活动和功能状态，能在一定程度上反映神经肌肉的活动。因此，本文基于现代短跑技术理念，运用表面肌电遥测和高速摄像同步测试方法，深入分析摆动技术的肌肉活动特征，以进一步认识短跑途中跑摆动技术的动作特点和肌肉活动特点。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

以我国6名(健将级3人，一级3人)男性高水平短跑运动员为实验对象，受试者平均年龄22±3 yr，身高181±9cm，体重70±7 kg。

1.2 实验方法

1.2.1 数据采集 运动学数据运用MotionPro X－4 (美国产)高速摄像机对短跑途中跑一个复步动作进行定点定焦拍摄，摄像机主光轴与运动平面垂直，拍摄范围7米，拍摄距离35米，机高1.1米，采样频率100Hz，曝光时间1/1000s。

肌电数据运用Biovision(德国产)16通道无线遥测表面肌电测试仪进行采集，采样频率1000Hz。所测肌肉为右腿阔筋膜张肌、股直肌、股内、股外侧肌、臀大肌、股二头肌长头、半腱肌、胫骨前肌、腓肠肌内侧头、腓肠肌外侧头。肌电数据与运动学数据通过无线同步信号器实现同步采集。

1.2.2 数据处理 运用德国SIMI motion录像解析软件对运动学图像进行解析，选取Dempster模型作为运动学分析的惯性参数。采用二阶低通滤波法对原始数据进行平滑，截止频率10Hz。运用DASYlab8.0肌电分析软件对原始肌电数据进行处理，原始肌电经带通滤波(截止频率20－400Hz)，全波整流，求积分肌电(IEMG)［3－4］。相关数据的时间标准化处理:把完整摆动技术过程作为100%，对数据进行样条插值，取每1%标准化时刻的数值。文中数据的运算与作图运用Excel2003及origin7.0软件完成，运动学各环节角度定义为:大腿角:大腿与通过髋的水平线构成的后夹角;小腿角:小腿与通过膝的水平线构成的后夹角;膝关节角:髋、膝、踝三关节所构成的后夹角。

2 结果与分析

2.1 运动学

根据研究目的需要，选取摆动腿大腿角度、角速度以及小腿角度、角速度作为分析指标，由图1可知，折叠前摆阶段，在摆动初期，大腿角有短暂的减小，随后由最小值59°增至最大160°。小腿角呈现由减小到增大再略微减小的趋势。从图2发现，大腿角屈角速度与角度变化的趋势比较相似，但在时间上不同步，表现为大腿角屈角速度出现峰值的时间(44%)早于关节角度(67%)。进一步观察发现，在垂直支撑时刻前，小腿角屈角速度与大腿角屈角速度先后均出现峰值。

下压着地阶段，大腿角持续减小，大腿角伸角速度不断增大;小腿角持续减小，并且在摆动技术标准化时间的62%处，小腿角伸角速度达到峰值，且小腿环节角速度峰值大于大腿环节角速度峰值。

2.2 表面肌电图

2.2.1 原始肌电图 原始肌电图是由肌电采集系统直接采集，没有经过任何信号处理的肌电信号图。原始肌电图能够很好的反映肌肉激活的顺序、停止活动的顺序以及它们之间的协调性作用关系［3］22。如图3，运动员支撑腿蹬离地面瞬间，腓肠肌、股二头肌、半腱肌的电活动逐渐消失［6－7］，其后，阔筋膜张肌、股直肌、胫骨前肌依次出现强烈的电位活动，垂直支撑时刻后，大腿股后肌群、臀大肌的电位活动最为强烈，并且一直持续到准备着地时刻。与此同时，股四头肌也出现了电活动。随后，腓肠肌内侧头和胫骨前肌几乎同时出现电活动。在下压着地阶段，除阔筋膜张肌电位明显降低外，其它各肌群都保持较高的电活动。摆动期，摆动腿各肌群活动的先后顺序为:阔筋膜张肌－股直肌－胫骨前肌－股后肌群(股二头肌长头、半腱肌)－臀大肌－腓肠肌内外侧头－股四头肌(股内、股外、股直肌)。

2.2.2 积分肌电(IEMG)及肌肉活动贡献度 积分肌电(IEMG)是指肌电图曲线所包络的面积，它在一定程度上反映了一定时间内肌肉中运动单位的放电总量［3］4。肌肉活动贡献度是指一块肌肉在完成某一动作时积分肌电值与所测参与完成该动作所有肌肉积分肌电总和的百分比值，也称肌肉做功百分比。它可以反映每块参与活动的肌肉在完成动作中发挥作用的大小、体现动作中的主要用力肌肉。

3 讨论

3.1 短跑途中跑摆动技术动作肌肉活动特点及对训练实践的启示

3.1.1 时序性及协调性 整体观察发现(见图3)，摆动期摆动腿的肌电活动表现出高度的协调性、时序性。折叠前摆阶段，支撑腿蹬地结束后，运动员进入无支撑的腾空期，腾空期的技术动作表现为大腿带动小腿加速前摆，在高速前摆的惯性作用下，大小腿充分折叠［7］。对照肌电图发现:折叠前摆阶段，特别是在摆动腿摆过(另一腿)垂直支撑时刻前，屈髋肌(阔筋膜张肌、股直肌)电位强度较高而伸髋肌群(臀大肌、股二头肌、半腱肌)未见明显的电位活动，即拮抗肌表现为适时的放松状态;下压着地阶段，摆动腿的技术动作表现为大腿积极下压，小腿回趴，准备着地。这一阶段，伸髋肌(臀大肌、股二头肌、半腱肌)表现出协同放电，而股直肌和阔筋膜张肌等屈髋肌的电位活动明显减弱，也说明了拮抗肌的快速放松能力。短跑是典型的速度型项目，在高速跑动过程中，神经系统对肌肉快速收缩和放松的动员能力强、精确性高［8］，摆动期主动肌快速收缩时，拮抗肌适时放松不仅有利于主动肌快速收缩，而且能减少动作周期中能量的消耗，实现能量“节省化”，提高下肢肌肉的工作能力，肌肉的协调放松能力是短跑放松跑的重要体现［9－10］。

3.1.2 双关节肌的活动特点 双关节肌股二头肌长头、半腱肌均起自坐骨结节，分别止于腓骨头和胫骨上端内侧。折叠前摆阶段，有观点认为伸髋屈膝肌(股二头肌长头、半腱肌)是影响大小腿折叠角的主要肌群，由于髋关节在前摆初期还处于伸展状态，使这些肌肉保持较高的激活水平，造成了屈膝折叠力量的主动不足［11］。近来，越来越多的研究认为:使小腿屈曲的工作不是由股后肌群完成的，而是在支撑期蹬伸的后效应引起的随势动作［5－7］，特别是在大腿加速前摆的惯性作用下，促进了大小腿迅速折叠。本研究也发现:摆动前期，股二头肌长头、半腱肌并没有出现积极放电且放电频率较高的现象(见图3)，可以推断大小腿的折叠动作并不是腾空期股二头肌积极收缩的结果。因此，传统练习手段中过多强调后收腿练习以提高大小腿折叠能力的有效性值得斟酌，相比较而言，增强屈髋肌的专项力量，改进蹬地技术，对腾空期大小腿的快速折叠、前摆具有重要意义。

在摆动腿摆过身体垂直支撑面以后，股二头肌、半腱肌被动拉长，使大腿前摆减速，积极下压。在下压过程中，股后肌群同时参与活动以控制小腿进一步伸展。这一阶段，股二头肌作为伸髋动作的原动肌同时作用于膝关节使膝关节屈，存在多关节肌的“主动不足”［12］。所以，在专项力量训练实践中，长期采用俯卧后屈腿练习作为股后肌群专项力量训练的手段是一个误区，其肌肉工作的性质与途中跑过程中肌肉工作的性质并不一致，我们必须根据股后肌群的工作特点，即要充分发展股后肌群的快速向心力量训练，尤其要重视股后肌群等超长收缩模式下的肌肉力量训练。

双关节肌中的股直肌起于髂前下棘，止于胫骨粗隆，近固定收缩时，使小腿在膝关节处伸，也可使大腿在髋关节屈。如图3所示，折叠前摆初期，股直肌的活动强烈，当摆动腿摆过身体垂直支撑面后，股直肌的电活动较小，直到准备着地前再次出现较为明显的电位变化。折叠前摆阶段，股直肌向心收缩使大腿屈并使小腿在膝关节处伸，观察肌电图发现，伸膝时股直肌肌电微弱，最优秀的运动员股直肌几乎没有肌电活动，也就是股直肌的放松能力更强，所以，折叠前摆阶段，摆动腿大腿股直肌快速收缩与放松机制，是双关节肌股直肌肌肉力量训练的重点，不仅要发展股直肌屈髋的速度和力量，还要注重屈髋后股直肌的快速放松能力。

3.1.3 主要用力肌肉与用力范围 图4表明:折叠前摆阶段，阔筋膜张肌、股直肌、胫骨前肌的贡献度较大，应为主要用力肌肉;下压着地阶段，股二头肌长头、半腱肌、臀大肌的贡献度较大，应为主要用力肌肉。在完成摆动技术过程中，同一动作阶段，不同块肌肉活动的贡献度存在明显差异;同一块肌肉的贡献度在不同动作阶段也明显不同。为进一步量化主要用力肌肉的这种活动特点，我们把原始肌电图(见图3)中各肌肉肌电活动由激活至出现明显衰减时对应的关节角度作为该肌肉的发力范围(见表1)。这是因为人体的各种运动都是在神经系统的支配下，由肌肉收缩牵引骨以关节为支点发生的转动。

表1 短跑途中跑摆动技术主要用力肌肉活动与关节角度对应关系

尽管在实践中，我们很难精确地掌握各关节的角度，但是在进行专项力量训练时，必须根据肌肉用力的特点与范围，有针对性地选择训练手段，提高训练的科学性，提高运动成绩。

4 结论

(1)在完成短跑途中跑摆动技术动作过程中，摆动腿的肌电活动表现出高度的协调性、时序性。摆动期所测肌肉活动的先后顺序:阔筋膜张肌－股直肌－胫骨前肌－股后肌群(股二头肌长头、半腱肌)－臀大肌－腓肠肌内外侧头－股四头肌(股内、股外、股直肌)。

(2)摆动初期:运动员支撑腿蹬离地面后，双关节肌(股二头肌长头、半腱肌)的活动迅速消失，并不是影响大小腿折叠的主要肌群，当(支撑腿)垂直支撑时刻后，摆动腿股后肌群(股二头肌长头、半腱肌)的活动明显，股后肌群作为伸髋动作的原动肌同时作用于膝关节，使膝关节屈，存在双关节肌的“主动不足”。

(3)在完成短跑途中跑摆动技术动作过程中，同一动作阶段，参与活动肌肉(肌群)的贡献度不同;折叠前摆阶段，以阔筋膜张肌、股直肌为代表的屈髋肌，胫骨前肌应为主要用力肌肉;下压着地阶段，臀大肌、股二头肌长头、半腱肌应为主要用力肌肉，主要用力肌肉在不同关节角度、不同动作时相活动的强度不同。

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Top Sprinters＇sEMG Characteristics in Swinging Skills

ZHANG Jie et al
(Shanghai University of Sport，Shanghai China 200438)

By using the methods of sEMG synchronized with high－speed camera and combining functional anatomy knowledge，the paper analyzes high－level sprinters＇characteristics of muscle activity in their swinging skills to guide special strength training，with the results indicating that EMG of swinging skills are characterized by obvious time series and high coordination of muscle contraction.During the phase of forward－swinging，hip flexor muscles(tensor fasciae latae，rectus femoris，tibialis anterior)are highly active.In the phase of pressing，hip extensor muscles(gluteus maximus，biceps femoris，semitendinosus)are the main muscle groups.Therefore，in the training of special strength，we should fully understand its working characteristics in order to optimize special strength training and improve training efficiency.

sprint，swinging skill，surface electromyography，characteristics of muscle activity

G804.2 Document code:A Article ID:1001－9154(2011)09－0051－04

G804.2

A

1001－9154(2011)09－0051－04

上海市科委重点科研计划项目(08490512900);上海市教委第五期重点学科建设资助项目(J51001)

张杰(1979－)，女，河南信阳人，讲师，博士研究生，研究方向:体育教学与训练。

2011－05－24