不同高度跳深动力学及下肢肌肉预激活调节

井兰香，刘 宇

1 前言

下落腾空阶段，机体经过一系列神经-肌肉反应，为对抗着地时引起的冲击力，于着落地前即产生下肢肌肉激活的现象，称为下肢肌肉预激活［12］。着地前机体首先形成肌肉可收缩成分的起始刚度，使肌肉-肌腱复合体弹性能得以利用［9］，继而促使关节转动，并及时制动减速，形成防止关节和韧带损伤的机制。

肌肉预激活现象存在于各种类型的运动，如不同高度跳深（drop jump，下文简称DJ）、不同频率单脚跳、不同步长短跑和走路［13］等。前人研究将DJ过程下落着地前150 ms内下肢肌肉肌电（electromyography，下文简称EMG）信号作为研究对象［1］，有研究结果显示这一时间变量未随DJ高度变化而调整［5，6］，且EMG振幅与DJ高度之间约成线性关系［21］，但线性斜率比值具有肌肉特异性［21］。上述现象说明中枢神经系统能预期着地发生的时刻和地面冲击力的大小，并能调整下肢肌肉力量和为吸收地面冲击力做出适宜强度的预激活。

DJ是提高下肢肌肉爆发力的重要超等长训练方法，其肌肉动作具有拉长-缩短周期（stretch-shortening cycle，下文简称SSC）特征，下肢肌肉在较短时间内完成离心、等长和向心收缩之间的转换。DJ过程中前馈运动控制和牵张反射（反馈运动控制）相互作用，形成与地面反作用力（ground reaction force，下文简称 GRF）相适应的下肢肌肉刚度［13］。两种机制在控制DJ动作时还取决于着地技术、DJ高度、着地表面的顺应性以及是否对高度具有预见性等因素［22］。不同高度DJ具有不同的冲击力（GRF），因此，要求下肢肌肉产生相应的力量以控制关节转动，同时，在着地前某一时刻产生不同程度的预激活。Yasuharu［27］等发现，30cm高度DJ训练能显著提高着地前下肢肌肉预激活，表明实践和技能的提高可以优化DJ着地前的肌肉预激活策略，控制着地动作，防止关节损伤。因此，预激活现象在力量训练研究领域具有重要参考价值［5］。故本研究的目的是比较三种高度DJ着地前下肢肌肉激活模式，下肢动力学和运动学数据，为实践中合理利用DJ进行下肢肌肉超等长训练提供参考。

2 研究对象与方法

2.1 实验对象

某学校16名健康男性自愿参与本实验并保证完成训练，年龄、身高、体重分别为17.25±1.04岁、192.25±5.22 cm、89.92±8.77kg。所有受试者均未经历过系统的DJ训练，并有相似的训练史，且均无下肢关节肌肉损伤记录。

2.2 实验方法

热身完毕后，每位受试者站立于测力台（KISTLER-3D，采样频率为1200Hz），先进行3次原地双手叉腰垂直纵跳，据此计算最佳纵跳高度，依此高度乘以50%定为最佳 DJ下 落 平 台 高 度［10，18］。

使用自制翻板DJ器械，受试者双脚站立于平台中央，脚距与肩同宽，双手叉腰。测试前告知受试者尽量垂直下落，脚尖先着地后脚跟再着地，减小身体矢状位移，并鼓励受试者着地后立即垂直向上跳起；腾空阶段直至着地前保持躯干及下肢各关节伸展，减少跳起腾空时间的偏差；要求受试者DJ着地后支撑期最大化腾空时间和最小化着地时间［17］，着地时间（contact time，下文简称 CT）长于400ms时放弃数据，重复DJ［28］；受试者听到“预备”信号后准备，同步信号后双脚脚尖由平台边缘向测力台下落。

正式实验前受试者进行10min慢跑热身并拉伸下肢肌肉，随机指派受试者按最佳高度分别进行低（最佳高度减20cm）、最佳、高（最佳高度加20cm）3种高度的DJ练习。同一高度DJ间歇15～20s，不同高度DJ间歇适当延长，每组DJ动作间隔3min，每个动作重复3次，放弃不可靠动作数据。正式测试前要求受试者重复练习DJ动作，掌握动作技巧，以增加实验结果的可靠性［9］。

仔细备皮以降低皮肤阻抗，沿肌束方向将八通道表面肌电仪用Ag／AgCl表面电极贴于胫骨前肌（tibialis anterior，下文简称TA）、腓肠肌内侧头（gastrocnemius medials，下文简称GM）、股直肌（rectus femoris，下文简称RF）、股外侧肌（vestus lateralis，下文简称 VL）、股二头肌（biceps femoris，下文简称BF）的肌腹中间处的皮肤表面。胫骨粗隆处皮肤位置作为0电极，电极直径1cm，两电极间距2cm。用弹性绷带牢固固定各电极，避免测试过程中移位，并减少噪声信号干扰。肌电信号参数设置为增益（gain）1000，采样频率1200Hz，12bit，共模抑制比（common-mode rejection ratio，下文简称CMRR）为100dB。

与EMG信号同步采集测力台数据，由测力台数据直接读取GRF、下落后CT、垂直跳起前着地支撑时间（flight time，下文简称FT）。图1表示DJ自同步信号开始至脚尖离地阶段内5块肌肉整流肌电信号与GRF曲线，可以看出所有肌肉在同步信号至着地前不同时刻出现不同程度的激活现象。

图1 本研究DJ下肢肌肉整流肌电信号及GRF示意图（“｜”表示着地时刻）Figure 1.Rectified EMG Signal and GRF of DJ with Assigned Moment of Touchdown

2.3 数据分析

由CT和FT计算DJ的估测平均功率值，计算方法按照 Bosco等［3，4］提出的 Bosco表达（Bosco expression，下文简称BE）公式:BE＝，其中，Tt＝FT＋CT，为跳跃总时间。腾空高度（即脚尖离地至最高点时间段内的质心垂直位移）根据H＝计算，其中t为腾空时间的。

数据采集后，DASYLab 8.0EMG信号分析系统将原始EMG信号进行整流，滤波范围为10～40Hz，根据前人研究［9］计算积分肌电（integral EMG，下文简称 iEMG），iEMG＝（t）｜·dt）和最大振幅（maximal amplitude of EMG，下文简称AmaxEMG）。本研究中DJ预激活时间统一采集着地前150ms内数据，一是因为DJ着地前肌肉EMG预激活可能会较迟出现（例如在着地前100ms时出现，迟于着地前150ms时刻），导致着地前肌肉EMG预激活须具有较高的上升率，才能在着地后达到应有的肌肉活性水平，这种情况对AmaxEMG影响较大；二是因为DJ高度的影响可能会使着地前EMG预激活出现较早，着地前预激活时间延长（例如从着地前100ms～150ms时间内出现），EMG信号逐步积累至着地后早期阶段达到相应的肌肉活性水平，相比AmaxEMG，此种情况对iEMG的影响较大。

本研究测试的是同一受试者群体的不同高度DJ动作肌肉预激活变化趋势，不进行肌肉间差异性的比较，因此不对EMG信号进行标准化处理。

2.4 数据统计

记录每个受试者3次成功DJ动作数据，采用SPSS 13.0统计软件对实验结果进行统计，描述性分析结果以均数±标准差（）表示。经One-way ANOVA 分别做自变量高度因素对因变量iEMG和AmaxEMG的影响分析。进一步分析三种高度因素（低、最佳、高）之间下肢肌肉预激活水平差异性经post-hoc Fisher’s LSD进行两两比较，显著性水平为0.05。

3 实验结果

表1显示，最佳高度条件下DJ反弹跳起FT最长，反弹跳起成绩最佳；最高平台DJ反弹跳起FT最短，反弹跳起成绩最小；CT随DJ平台高度增加而增长；低平台条件下DJ输出功率最高。

表2显示，所有测量的肌肉的AmaxEMG和iEMG在不同高度DJ着地前均发生了显著改变，这说明下肢肌肉着地前预激活水平随着DJ下落平台高度改变而改变。

表3显示，进一步post-hoc过程下落平台高度对下肢肌肉AmaxEMG的影响结果为:除GM外，其他各肌肉在高下落平台时DJ着地前产生的AmaxEMG与低下落平台DJ着地前的AmaxEMG相比具有显著性差异。最佳平台DJ与高平台DJ着地前比较，TA和GM的AmaxEMG具有显著性差异。

表1 本研究DJ动力学和运动学数据一览表Table 1 Kinematics and Kinetics Variables of DJ

表2 本研究高度因素对AmaxEMG和iEMG的影响一览表Table 2 Effects of Height Factor on AmaxEMG and iEMG

经post-hoc过程分析下落平台高度对下肢肌肉iEMG的影响结果与上述结果相近似。但最佳平台DJ与高平台DJ着地前比较，GM产生的iEMG没有随着高度增加而发生显著改变。

低下落平台DJ着地前下肢肌肉的AmaxEMG、iEMG与最佳下落平台DJ相比均不具有显著性差异。

表3 本研究不同高度DJ着地前下肢肌肉活性比较P值一览表Table 3 P-values for Differences into Muscle Activity from Different Drop Heights

图2显示，高平台条件下DJ着地前TA 的AmaxEMG显著高于最佳平台时，GM的AmaxEMG显著低于最佳平台时；高平台条件下DJ着地前TA、VL、RF、BF的Amax-EMG显著高于低平台时；低平台条件下DJ着地前所有肌肉AmaxEMG与最佳平台时没有显著性差异；最佳平台条件下DJ着地前VL、RF、BF的AmaxEMG与高平台时相比没有显著性差异。

图2 本研究不同高度DJ着地前下肢肌肉AmaxEMG调节示意图Figure2.Modulation of AmaxEMG Related to Drop Height

图3显示，高平台条件下DJ着地前TA、VL、RF、BF的iEMG显著高于低平台时；高平台条件下DJ着地前TA的iEMG显著高于最佳平台时；低平台条件下DJ着地前所有肌肉iEMG与最佳平台时没有显著性差异；最佳平台条件下DJ着地前VL、GM、RF、BF的iEMG与高平台时相比没有显著性差异。

图3 本研究不同高度DJ着地前下肢肌肉iEMG调节示意图Figure 3.Modulation of iEMG Related to Drop Height

4 讨论

实验结果表明，DJ高度不同可引起着地前下肢肌肉AmaxEMG和iEMG改变，但对于所有肌肉活性的影响程度不尽相同。不论下肢肌肉解剖结构和力学特征怎样，为适应下落高度而产生的力量都具有一个总的动作策略［19，20］。当DJ平台高度增加时，除GM表现出预激活水平降低或不变，其他肌肉均对DJ平台高度增加较敏感。说明下肢各肌肉具有独立的机械特性和功能，能够特异性地在DJ动作着地前为不同动作阶段和收缩特征调整活性大小［15］。

影响DJ纵跳成绩的因素主要是:1）前馈动作控制机制引起不同高度下落着地前下肢肌肉预激活，在收缩前产生相当水平的肌肉力量；2）高度因素决定机体质心系统着地时刻的速度，即决定肌肉拉伸速度，从而影响牵张反射幅度，调节传入神经的兴奋；3）着地时刻适宜的肌肉-肌腱复合体拉伸长度和适宜的肌肉／肌腱长度比例，决定肌束产力能力和肌腱弹性能储存及利用能力［14］。

前馈动作控制是开链式调节过程，需目测DJ平台高度，将经验性的系统目标信号输入至中枢神经系统，DJ动作开始前由中枢决定动作策略机制，激活下肢肌肉。DJ开始后前馈控制信号便执行中枢神经系统事先决策的策略机制，着地前不进行策略调整。着地后中枢神经系统按照预测是否与动作结果存在偏差调整／不调整动作策略。Ishikawa［10］等观察到，当DJ平台高度超过最佳拉伸负荷时，GM肌肉可收缩成分在着地后30～50ms内出现骤然拉长现象。GM可收缩成分拉长使横桥分离，产力能力降低；肌腱成分缩短，储存弹性能降低，反弹跳起成绩降低。而最低和最佳平台高度的DJ，整个着地支撑期内GM持续缩短或维持恒定长度。伸膝肌VL无论在何种高度条件下均遵循规则的SSC，即先拉长后缩短腾空［10］。

反馈调节需要本体感受器（如高尔基腱器）参与，将信号反馈至中枢神经系统并高度精确地纠正动作偏差，调节正在进行中的动作过程。肌肉预激活能提高肌梭敏感性，提高牵张反射幅度，继而提高肌肉-肌腱复合体刚度和产力能力。高于最佳平台的DJ反弹跳起成绩降低是因为高尔基腱器抑制了Ib组传入神经［25］。本研究结果发现，最高平台条件下DJ下肢肌肉预激活模式明显不同于最佳和最低平台时。最高高度DJ时前馈控制机制使下肢肌肉在着地前按照经验信号系统进行激活，着地后感知偏差并得到调整，同时抑制传入神经兴奋，提示高于最佳平台时下肢肌肉预激活与GRF不协调，需在着地后离心期内重新调整肌肉-肌腱复合体的长度，导致离心期末肌肉力量下降。同时随着高度的增加CT延长，拉伸时间延长会使具有粘弹性特征的肌肉-肌腱复合体储存的弹性能降低，向心期不能获得最大肌肉收缩速度。

Vladimir［24］等比较了40cm、60cm、80cm 3种高度 DJ下肢肌肉预激活，在80cm高度时腓肠肌外侧头和比目鱼肌预激活明显高于其他两种高度时。在此条件下高活性的拮抗肌TA与之形成踝关节高刚度机制，于着地后早期阶段完成较稳定的平衡过程［26］。当DJ着地后处于半屈位时，需要爆发性的动作促使机体由一种位置转向另一种位置，前交叉韧带受损伤危险性极高［8］。小腿三头肌对伸膝肌起拮抗作用，能阻止前交叉韧带损伤［7，11］，最高平台 DJ伸膝关节的主动肌VL预激活增强，与高活性的拮抗肌、腓肠肌外侧头以及比目鱼肌形成较高的膝关节刚度，这对防止膝关节损伤是有利的。低、最佳、高3种高度DJ髋关节拮抗肌共激活 RF／BF分别为0.57±0.01、0.67±0.01、0.66±0.03，最佳高度和最高高度均高于最低平台时，起到了稳定髋关节的作用。可见，最高高度DJ时下肢主动肌和拮抗肌预激活最大，有利于维持机体平衡并防止关节损伤。但肌肉活性增加会使肌肉-肌腱复合体刚度增加，降低主动肌收缩的动力学效率和提高牵张反射引起的传入抑制，导致离心期缓冲拉伸负荷的能力下降［25］，因此高于最佳高度的DJ动作不能完成最佳SSC过程。

结合DJ动力学与下肢肌肉预激活模式，实践中DJ动作FT（决定跳跃高度）未必是评价跳跃成绩的“黄金”变量。由BE计算公式可以看出，BE与FT及CT之间存在极高相关性，当FT升高时，BE具有更高的增加率。较短的CT包含离心、摊还期、向心3个时间段，缩短摊还期即缩短了总CT，能获得较好的BE。尽管受试者在最佳平台下落能获得最高反弹跳起成绩，但我们建议采用低于最佳平台高度的 DJ方法进行下肢超等长训练［2，16，23］。高于最佳平台高度DJ，预激活与GRF不协调，肌肉为了缓冲力量会拉长肌肉-肌腱复合体，延长CT而使整个动作变慢。采用BE作为确定下肢超等长训练最佳平台高度的参考标准，BE值最大的DJ平台高度是下肢超等长训练的最佳选择，当BE值升高时，升高DJ平台；当BE值降低，将DJ平台降低至原来水平［10］。

5 结论

DJ下肢肌肉预激活具有肌肉特异性。高于最佳平台的DJ下肢肌肉预激活模式与GRF不能协调一致，不是最理想的SSC过程。DJ平均输出功率是较恰当的下肢超等长训练参数。实践中采用DJ法对下肢肌肉进行爆发力训练时，应注重着地离心期下肢肌肉产力能力，宜以最佳高度或低于最佳高度、着地后经过较短摊还期尽力反弹垂直跳起的形式。

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