优秀速度滑冰运动员冰上直道专项肌肉用力特征对比分析

黄达武 刘露 吴瑛 陈月亮 马勇占

1 江西师范大学体育学院（江西南昌330022）

2 上海体育学院研究生处

3 湖北理工学院体育部 4 台州学院体育学院

肌肉用力特征是指肌肉在收缩完成专项技术动作过程中所表现出来的力学和肌电特征， 是研究和把握项目特征的重要手段和途径， 是选择和设计专项力量训练手段的重要参考指标及检验标准。 近些年有关速滑运动员专项肌肉用力特征的研究较少， 且大多是在实验室内针对单关节肌力特征的研究， 对肌肉在单关节运动和多关节复合运动中的差异研究不够。鉴于此，一方面， 为更加真实有效地研究速滑运动员的专项肌肉用力特征， 我们进行了实地滑冰专项测试； 另一方面， 为有效对比优秀运动员间肌肉用力特征的细微差别， 我们选择了于X 和张X 两名运动员为研究对象，二人是目前我国女子短距离滑冰项目的顶级选手，且在技术特征和滑跑风格上存在一定差异。 为给将来力量训练和技术评价提供有效参考， 本研究选取主要做功肌群、 肌肉激活水平及激活顺序等肌电指标来研究和分析冰上专项运动过程中下肢支撑阶段的肌肉用力特征。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

我国优秀女子短距离速度滑冰运动员于X 和张X。前者为前世界纪录保持者，多次获得世界杯冠军，同时也是第一个滑进37 秒以内的女子运动员， 爆发力好，短程加速和冲刺能力强；后者获得了2012 年全运会短距离全能金牌， 弯道滑跑技术优异， 单圈速度突出。

1.2 研究方法

1.2.1 实验方法

用摄像机和肌电采集系统同步采集冰上专项过程的视频和肌电参数。冰上测试时滑跑内道，定点平面扫描拍摄第2 直段后45 米左右距离， 垂直拍摄距离20米（距内道中线20 米），机高1.2 米（图1）。

图1 冰上专项测试图

1.2.2 实验仪器

高清摄像机Panasonic.AG-DVC33， 拍摄频率50赫兹； 芬兰Mega 公司生产的ME6000 16 通道无线遥测肌电采集分析系统，采样频率1000 赫兹，输入阻抗＞10G 欧，前置有源差分放大器，增益倍数305 倍，共模抑制比CMRR > 110 dB， 硬件滤波带通范围8～500 Hz，模数转换14 bit；上海仁和医疗设备有限公司产一次性Ag/AgCl 心电极，采样区2 mm。

1.2.3 肌肉选取

经理论初选和专家筛选， 取双侧下肢胫骨前肌（TA）、腓肠肌外侧头（LG）、股四头肌内侧头（VMO）、股四头肌外侧头（VLO）、股直肌（RF）、股二头肌（BF）、半腱肌（SEM）和臀大肌（GM）共16 块肌群。

图2 电极片粘贴位置图

1.2.4 实验流程

运动员自行准备活动30 分钟后进行电极粘贴（图2），经定位、脱毛、去脂、消毒；晾干后，按从左腿到右腿、从下到上、从前到后的顺序，将2 个一次性电极（图2 中灰色标志）沿肌纤维收缩方向分别贴于所选肌肉的肌腹处，电极相距2 cm。参考电极（图2 中黑色标志）位于测试电极内侧且与两电极等距。 贴好后，用医用弹性胶带固定导线， 用医用弹性绷带将测试部位及测量电极一起缠绕固定， 将便携式肌电仪主机固定于运动员腰背部，以不影响动作为准。 在检查电极、摄像系统和同步效果后，开始正式实验。 根据前期研究成果[1]，500米项目运动员在第2 直段后半段和第2 弯道区属于高速滑跑阶段。 因此，运动员站在起跑线上听枪起跑，经过弯道和直道约200 米的加速后进入数据采集区，连续采集3～4 个复步的视频和表面肌电参数。 计时范围从起跑到第2 弯道弧顶结束，运动员全力滑跑两次，中间间歇10 分钟， 测试成绩在日常训练水平的120%～130%间，取较好的1 次成绩作为分析数据。

1.2.5 同步方法

肌电和运动学同步采用外接无线同步信号器进行同步连接。 同步触发器同时输出两路TTL（+5v）电平信号，触发肌电图仪时会在肌电图上打出一个时间标志，另一路控制摄像机镜头前的LED 灯，在图像上打一个亮点，从而实现视频与肌电同步（因肌电采集系统和摄像机频率不同，运用MEGA WIN 软件对肌电数据进行0.02 秒的数据平滑， 以实现测试数据与运动影像的一一对应，该过程由MEGA WIN 软件自动完成）。

1.3 数据处理及相关指标说明

采用ME6000 表面肌电测试分析系统的分析软件MEGA WIN 处理肌电数据。为提高动作划分的准确性，根据教练员和运动生物力学专家对专项动作构成及肌肉用力状态的分析， 采用视频与同步肌电相结合的方法，对原始肌电数据进行各动作阶段的划分。 应用软件提供的标记功能放置各动作阶段起止标记。 分别对左右腿连续3 个动作周期的肌电数据放置时间标记，动作周期设定为左腿或右腿开始着地为起点到下一次开始着地为周期终点；对着冰期，根据滑行的动作分为屈过程和伸过程 （屈和伸是指支撑腿着冰过程中的两个动作过程，其中屈是指支撑腿着冰到膝角增大瞬间，伸是指膝角增大瞬间到支撑腿离地时刻）。 运用MEGA WIN 软件的数据转换功能， 将原始肌电经均方根平均运算转化为均方根肌电（root mean square，RMS），平均转换周期为0.01 秒。对转换后的RMS 肌电数据进行分期统计计算， 计算RMS 平均值aver、RMS 肌电的面积iEMG。 以各肌群在3 个支撑期的最大动态RMS 肌电作为标准对分段肌电进行幅值标准化。 对各单步肌电数据进行幅值和时间标准化后分别进行叠加平均，以制作肌肉激活顺序图，拟定相对最大肌电幅值的25%、持续时间达到整个动作时程10%以上为激活状态。 肌电数据的幅值、 时间标准化及激活顺序图在origin 7.0中完成。

肌群做功百分比代表其在某动作过程中的重要性， 根据该肌群积分肌电与完成该动作所有肌群积分肌电和的比值来计算。 均方根肌电反映肌群在动作过程中的激活强度，由MEGA WIN 软件直接提供；标准化均方根肌电用来比较不同运动员间同肌群激活强度， 以各运动员各肌群在整个实验中的肌电峰值为参照进行标准化。 肌肉激活顺序不仅可从更深层次上探讨某运动员技术动作存在的问题， 而且还是专项力量训练手段设计和选择的重要参考。 本研究通过两个步骤完成肌肉激活顺序的判断：第一步，为排除某单步肌电的特异性，对各单步肌电进行幅值和时间标准化，然后对3 个单步标准化后的肌电进行平均得到平均标准化肌电。 根据拟定相对最大肌电的25%且达到动作时程10%以上的为激活状态来设置origin 7.0 中的横坐标和纵坐标。第二步，因我们采用的是实验中的最大肌电完成幅值标准化， 因此即使某块肌群在整个实验中的肌电变化非常小， 在上述第一步完成的图中我们仍可能看到它们较长时间处于激活状态。因此，为排除这种假性现象， 我们根据均方根肌电图来定性判断相关肌群的激活状态 （通过均方根所获得的图片可以非常直观地看到肌肉发力的起止点），从而完成对第一步的修正，得到最终的肌肉激活顺序判断。

2 结果

2.1 肌群做功百分比

表1 是于X 和张X 直道上左腿连续3 个支撑阶段各肌群做功百分比的平均值。 我们以各动作过程做功比例排在前4 位的为主要做功肌群， 于X 直道左腿屈过程中的主要用力肌群分别是胫骨前肌、股外侧肌、股内侧肌和股二头肌； 伸过程的主要用力肌群分别是股外侧肌、股内侧肌、股二头肌和半腱肌。 张X 屈伸过程的主要用力肌群一致，都是胫骨前肌、股外侧肌、股内侧肌和股二头肌， 其中屈过程的主要用力肌群与于X 一样， 但伸过程略有不同， 有胫骨前肌而没有半腱肌。

表1 两名运动员直道左腿各肌群做功百分比（%）

表2 显示，于X 直道右腿支撑过程中，胫骨前肌、股外侧肌、 股内侧肌和股直肌是屈过程的主要用力肌群；股外侧肌、股内侧肌、股直肌和腓肠肌是伸过程中的主要用力肌群。张X 直道右腿支撑滑行过程中，屈伸过程的主要做功肌群都是胫骨前肌、股外侧肌、股内侧肌和股直肌，其中屈过程的主要用力肌群与于X 一样，伸过程略有不同，有胫骨前肌而没有腓肠肌。

表2 两名运动员直道右腿各肌群做功百分比（%）

2.2 肌肉激活强度

表3 显示， 两名运动员各肌群屈伸间激活程度的变化具有较高规律性： 胫骨前肌屈过程的激活程度大于伸过程，其它肌群均为伸过程的激活程度更大（除张X 股直肌屈伸相同外）。 这说明胫骨前肌在着冰、承接重心过程中的收缩强度更大， 在蹬伸过程中的收缩强度略小， 而其它几个肌群则是在蹬伸过程中有更强烈的收缩。

表3 两名运动员直道左腿各肌群标准化均方根振幅（%）

表4 显示，除胫骨前肌、股二头肌和半腱肌外，于X 其它肌群在伸过程的激活程度明显大于屈过程。 对比于X 左右腿直道支撑过程各肌群的激活程度变化可以发现，除股二头肌有较大差异外，其它肌群在屈和伸过程激活程度变化趋势一致。 张X 直道右腿各肌群标准化均方根情况是：胫骨前肌、股直肌、股二头肌和半腱肌屈过程的激活程度更大， 其它4 个肌群则是伸过程的激活程度更大。 因此，除股直肌外，张X 右腿各肌群屈伸均方根肌电变化与于X 相似。

表4 两名运动员直道右腿各肌群标准化均方根振幅（%）

2.3 肌肉激活顺序

图3 是于X 直道左腿标准化肌电图。 从该图中我们可以看到，着冰即刻胫骨前肌和半腱肌就被激活，随后是股内侧肌、股外侧肌、股直肌和臀大肌，最后是腓肠肌在蹬冰时被激活。胫骨前肌在蹬冰时率先灭活，股四头肌和半腱肌都呈现了中间断开的两头峰现象，且在蹬冰时同时处于强电位状态， 其中半腱肌在离冰前即灭活，股前群肌在离冰时灭活，臀大肌在离冰时仍处于激活状态。 股二头肌在整个支撑期均未达到设定的激活水平。

图4 是于X 直道滑行过程中左腿各肌群肌电的均方根振幅图， 图中包括了3 个支撑时期和2 个摆动时期， 各肌群肌电体现了良好的节奏性。 从图4 可以看出，为了提刀，胫骨前肌在着冰前就处于发力状态，且无论在支撑期还是摆动期均有一定的电位活动。 腓肠肌在蹬冰时表现一定的电位活动，而股内侧肌、股外侧肌和半腱肌在支撑期表现了强烈的电位活动， 股直肌和臀大肌在整个支撑期均未表现明显的电位活动。

结合图4 中各肌群在支撑期的电位活动及图3 各肌群标准化肌电图，我们认为各肌群的激活、灭活顺序是：着冰时胫骨前肌和半腱肌首先激活，然后是股内侧肌、股外侧肌，腓肠肌最后激活；胫骨前肌蹬冰时率先灭活，然后是半腱肌离冰前灭活，最后是腓肠肌、股内侧肌和股外侧肌离冰时灭活。

图3 于X 直道左腿标准化肌电图

图4 于X 直道左腿各肌群均方根振幅图

图5 是张X 直道左腿标准化肌电图。 从该图中我们可以看到，最先激活的是胫骨前肌，然后股内侧肌、股外侧肌、股二头肌和臀大肌在着冰后5%动作时程时被激活，半腱肌在蹬冰时被激活，最后是腓肠肌在蹬冰后期被激活。股二头肌在30%动作时程即灭活，胫骨前肌仍然是在蹬冰时灭活， 腓肠肌在90%动作时程时灭活， 股内侧肌和股外侧肌也同样表现出了双峰现象且在蹬冰时同时处于高峰状态， 在离冰前95%动作时程时灭活，腓肠肌和臀大肌在离冰时仍处于激活状态。股直肌在整个支撑期都未达到激活水平。

图6 是张X 直道左腿各肌群均方根振幅图， 与于X 一样， 张X 的3 个支撑时期各肌群肌电同样具有较好的节奏性，但腓肠肌、股直肌、半腱肌和臀大肌在整个支撑期均未表现明显的电位活动。

结合图5 和图6，我们认为，胫骨前肌最先激活，然后是股内侧肌、股外侧肌和股二头肌；股二头肌最先灭活， 然后是胫骨前肌， 最后是股内侧肌和股外侧肌灭活。

图5 张X 直道左腿标准化肌电图

图6 张X 直道左腿各肌群均方根振幅图

图7～10 分别是于X 和张X 直道右腿的标准化肌电图和均方根振幅图。与上述左腿的分析方法一样，排除未达阈值标准及在支撑期未出现明显电位活动的肌群，结合标准化肌电图和均方根振幅图，我们发现，于X 直道右腿各肌群的激、灭活顺序是：胫骨前肌和股直肌最先激活，然后是股内侧肌和股外侧肌在7%动作时程时被激活，半腱肌在15%左右动作时程被激活，最后是腓肠肌在蹬冰时被激活； 胫骨前肌仍然是在蹬冰时最先灭活，然后是半腱肌在87%动作时程时灭活，股内侧肌和股外侧肌在97%动作时程时灭活， 而腓肠肌离冰时仍处于激活状态。 张X 直道右腿各肌群的激灭活顺序是：胫骨前肌和股内侧肌最先激活，然后是股外侧肌和股二头肌被激活；胫骨前肌最先灭活，其次是股二头肌在87%动作时程处灭活， 最后是股内侧肌和股外侧肌在离冰前灭活。与上述左腿的均方根振幅图一样，各肌群肌电展现了良好的节奏， 且处于激活状态的股前群肌和股后群肌都在着冰承接重心和蹬冰时出现肌电高峰，表现出双峰现象。

图7 于X 直道右腿标准化肌电图

图8 于X 直道右腿各肌群均方根振幅图

图9 张X 直道右腿标准化肌电图

图10 张X 直道右腿各肌群均方根振幅图

3 讨论

从本研究肌群做功百分比结果可知， 不论左腿还是右腿， 两名运动员直道上屈过程的主要做功肌群一致， 其中左腿支撑滑行屈过程的主要做功肌群是胫骨前肌、股内侧肌、股外肌和股二头肌；右腿支撑滑行时屈过程的主要做功肌群是胫骨前肌、股内侧肌、股外侧肌和股直肌。为了减小着冰过程中的冰面阻力，运动员都会使踝关节背屈以冰刀后跟部先着冰， 然后过渡到全刀着冰，这一过程中胫骨前肌处于持续用力状态。着冰后，左（右）腿有一个承接重心和向左（右）侧滑行的过程，然后重心从左（右）外侧向内侧转移，准备爆发用力蹬冰，这一过程中膝角和踝角先逐渐减小，然后维持相对稳定角度滑行。 由于冰刀支撑面小且运动员处于高速滑行状态，因此，为维持踝关节的稳定，胫骨前肌仍然积极参与做功。 因为关节的不稳定性将导致力量外输下降[2，3]，所以即使踝关节未进行背屈动作，胫骨前肌在着冰后仍有较大的电位活动。此外，身体重心的转移必然导致股内、股外侧肌的大负荷做功，而股二头肌的高比例做功是为了维持膝关节的稳定性。

不论左腿还是右腿， 两名运动员直道上伸过程的主要做功肌群有较大的相似之处，但也存在一定差异。左腿支撑滑行时股内侧肌、 股外侧肌和股二头肌是共同的主要做功肌群， 差异在于于X 的另一块主要做功肌群是半腱肌而张X 是胫骨前肌； 右腿支撑滑行时股内侧肌、股外侧肌和股直肌是共同的主要做功肌群，于X 的另一块主要做功肌群是腓肠肌而张X 是胫骨前肌。

本研究结果显示， 整个支撑过程中的主要用力肌群集中在胫骨前肌和股四头肌， 提示在日常力量训练中应加强对其的训练。然而，尽管屈曲和蹬伸过程主要用力肌群较相似， 但其动作过程的不同说明其工作方式存在一定差异，这是专项力量训练应该重视的问题。首先，对胫骨前肌而言，在踝关节背屈提刀过程中其属于向心收缩过程，着冰后的工作主要是等长收缩，以维持踝关节的稳定性。其次，对于股内侧肌和股外侧肌而言，屈过程主要是被动离心收缩，而蹬伸过程主要是向心收缩，为滑跑提供动力来源。 最后，对于股二头肌和半腱肌而言，屈过程主要是向心收缩，以维持膝关节的稳定性；伸过程仍然是向心收缩，以伸展髋关节，为滑跑提供动力。 因此，力量练习不仅要针对特定的肌群，还要根据专项过程中其工作特点来设计和选择有效的训练手段。此外，与同属体能主导类竞速项目的短跑等径赛项目相比较而言， 速度滑冰的主要用力肌群存在显著特点。 短跑等竞赛项目的动力来源于股后群肌和臀大肌，且胫骨前肌的参与程度较小。导致这种差异出现的原因，一是径赛项目属于稳定支撑，运动员向后蹬地，而速滑是动态支撑，运动员向侧蹬冰；二是径赛项目是面支撑，属于滚动发力过程，而速滑是线支撑，属于杠杆发力， 所以冰刀这一特殊器械必将对下肢动力来源进行重新筛选。

从本研究肌肉激活强度的结果可知， 不论左腿还是右腿， 两位运动员各肌群激活水平在屈曲和蹬伸过程中的变化具有较高的规律性。其中，左腿支撑滑行的情况是胫骨前肌屈过程的激活程度大于伸过程， 其它肌群都是伸过程的激活程度更大。 右腿支撑滑行的情况是除胫骨前肌、股二头肌和半腱肌外（张X 加上股直肌）， 其它肌群在伸过程的激活程度明显大于屈过程。同一肌群标准化肌电具有较好的对比性， 屈伸过程的激活水平能够反映其所承受的刺激强度。 两名运动员各肌群肌电在屈伸间呈现了较一致的变化趋势， 体现了专项过程的肌电变化特征——胫骨前肌屈过程激活更大，股四头肌蹬伸过程激活更大。

几乎所有的技术动作都会涉及不同肌群的参与，有主动肌、拮抗肌和协同肌，它们必须协调配合才能使动作完成得精确、流畅和经济。 从生理学上来讲，这一过程实际上是各肌群在中枢神经支配下， 在准确的时间和空间下的交替兴奋和抑制， 即各肌群的激活和灭活。 在运动中，即使我们动用相同的肌群，如果肌肉激活的顺序不同， 将展现不同的技术动作或不同的技术动作效果。对本研究肌肉激活顺序的分析可知，各均方根肌电图呈现了显著的节奏性， 说明优秀运动员完成相同动作时动作技术稳定， 各肌肉的激活顺序具有较强的规律性。尽管两名运动员各肌群激、灭活顺序存在一定差异，但总体趋势仍是：胫骨前肌最先激活，然后是股内侧肌、 股外侧肌和股二头肌； 胫骨前肌最先灭活，股内侧肌、股外侧肌和腓肠肌在离冰时刻灭活。 从中可以得到以下3 点启示：首先，优秀运动员完成同样技术动作时各肌群具有较好的节奏性， 说明其动作技术较稳定；其次，胫骨前肌在整个着冰期的持续发力说明其专项力量对速度滑冰非常重要， 这一点在分析肌群贡献度时已经做了相关说明， 这里通过均方根肌电图可以更好了解其发力特征， 为专项力量训练提供明确参考；最后，股内侧、股外侧肌和股二头肌在蹬冰时刻较集中的时间段达到肌电峰值， 说明优秀运动员的主要用力肌群属于集体爆发式用力特点， 有利于为滑跑提供更集中、更有效的动力来源。

对肌肉激活顺序的分析还可知， 尽管张X 和于X各肌群在支撑阶段的激活顺序有一定差异， 但该差异在左右腿间的表现一致。首先，于X 在蹬冰后期腓肠肌有较强的电位活动，而张X 没有，从肌肉做功表中我们也能发现于X 腓肠肌的做功比例较张X 高；其次，张X胫骨前肌在支撑期的电位活动较于X 强。 腓肠肌是径赛短距离和跳跃项目的重要做功肌群， 由于它的主要功能是伸踝提踵， 能有效加快力量传递并增加动力来源， 因而速度力量性项目都非常重视对腓肠肌的力量训练。 在旧式冰刀下，因冰鞋与刀托封闭紧接，为避免冰刀刨冰增加阻力， 运动员只能伸展膝关节而使踝关节在整个支撑期保持背屈。Clap 冰刀出现后，因其在冰鞋与刀托间加了一个铰链，在运动员伸踝蹬冰时，冰鞋与冰刀自然脱离并仍然保持全刀着冰， 使踝关节背伸成为可能[4]。 尽管使用Clap 冰刀使运动成绩大幅提升的原因仍存在争议（增加重心前移距离，提高切向蹬冰效果，释放膝关节伸展幅度，增加动力来源，减少冰面阻力），但在蹬冰末期其使踝关节背伸是无疑的，而作为踝背伸的主要肌群腓肠肌在此过程理应激活参与做功。但不论左腿还是右腿，张X 的腓肠肌在整个支撑期都处于灭活状态，显然这与上述分析背道而驰。 出现该现象的原因可能与其最初的专项短道速滑有关。 短道速滑的冰鞋与刀托仍然紧密连接， 无法实现趾屈背伸动作。 另外，短道速滑的典型技术特征是弯道滑跑，弯道滑跑对后蹬技术要求略低而对冰刀的控制要求极高，这就必定要求胫骨前肌的强力介入。 因此，常年的短道专项训练使其肌肉用力定型而表现出上述反常现象， 这也提示在日后的技术和力量训练中应加强张X此环节的训练，以适应并利用新式冰刀的优点，为运动成绩的提高提供新的可能。

4 总结

两名运动员的主要做功肌群相似， 胫骨前肌和股四头肌是支撑滑跑阶段的主要用力肌群； 两名运动员各肌群肌电在屈伸间展现了较一致的变化趋势， 体现了专项过程的肌电变化特征——胫骨前肌屈过程激活更大，股四头肌蹬伸过程激活更大；两名运动员动作技术稳定， 各肌肉的激活顺序具有较强的规律性——胫骨前肌最先激活，然后是股内侧肌、股外侧肌和股二头肌；胫骨前肌最先灭活，股内侧肌、股外侧肌和腓肠肌在离冰时刻灭活。 专项训练实践中应针对主要用力肌群及其专项做功方式进行训练， 以提高力量练习的针对性和实效性； 张X 应加强蹬冰后期技术改进及腓肠肌力量训练。

[1] 黄达武. 优秀女子500m 速度滑冰运动员速度节奏及专项肌肉用力特征研究. 上海： 上海体育学院博士学位论文，2013：36-39.

[2] Anderson KG，Behm DG. Maintenance of EMG activity and loss of force output with Instability. J Strength Cond Res，2004，18（3）：637-640.

[3] Behm DG，Anderson K，Curnew RS .Muscle force and activation under stable and unstable conditions. J Strength Cond Res，2002，16（3）：416-422.

[4] Van Ingen Schenau GJ，De Groot G，Scheurs AW，et al. A new skate allowing powerful plantar flexions improves performance. Med Sci Sports Exerc，1996，28（4）：531-535.