不同时间盘腿坐对CMJ缓冲期下肢肌电与动力学的急性影响研究

李正彬，刘云发，窦金柱

（1.东北师范大学体育学院，吉林 长春 130024; 2.山东协和学院医学院，山东 济南 250109）

在东亚、南亚以及中东地区席地而坐这一坐姿习惯历史悠久，人口基数巨大。在日常生活中，因宗教、文化习俗、休闲娱乐、工作活动的需要，膝关节高屈曲角度的情况十分常见，如盘腿、跪、蹲等下肢动作行为[1-3]。因受文化习俗、生活习惯影响，盘腿坐作为一种“文化符号”在我国西北、东北地区较常见，并且作为一种迁移现象广泛地存在于人类动作、行为规范及生活中。盘腿坐因其不受坐具限制、简单易习得而被广泛迁移运用到日常生活各个情境中，如军训、瑜伽练习[4]、郊游野炊。此外，宗教如佛教坐禅时盘腿坐也是经常用到的坐姿。

盘腿坐这一中国人下肢典型日常行为动作不仅表现出静态特点——持续维持某一姿势，而且维持这一姿势与行下肢静态拉伸动作时肌肉工作模式相似，即下肢肌肉表现为静力性工作性质。近年来的研究趋势认为，静态拉伸后会降低运动时肌肉的收缩能力，对运动表现有负面影响[5-7]，如爆发力[8-10]及最大输出功率下降[11]。从目前已有实验研究来看，主要把盘腿坐膝骨性关节炎的致病因素考虑在内[12-13]，从膝关节假体设计考虑，对不同屈膝角度膝关节有限元建模与应力分析研究[2]，而执行盘腿坐之后是否也会对下肢肌肉产生类似的负面影响、是否对下肢肌肉弹性能的利用带来不利影响及其因动作行为执行时间所造成的急性影响尚未可知。

本研究通过典型牵张-缩短循环（St r e tc h-Shortening Cycle，SSC）动作——下蹲跳（Counter Movement Jump，CMJ），利用运动生物力学的方法，考量不同时间盘腿坐急性效应之间的相互关系及其生理机制之间的内在关系，以期了解长时间盘腿坐对下肢肌的影响，同时探讨不同时间盘腿坐对CMJ动作着地过程中，膝关节损伤相关因素的影响。虽然我们不能改变人们盘腿坐的习惯，但是可以通过实验研究使人们更全面地认识盘腿坐行为，以期帮助人们提高盘腿坐休息效率以及更好地指导人们合理把握盘腿坐时间。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象 以不同时间盘腿坐对CMJ缓冲期下肢肌电、动力学的急性影响为研究对象。

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料法 以“盘腿坐”“下蹲跳”为关键词在中国知网检测36篇各类型相关文献，通过谷歌学术以“Cross-legged Sitting”“胡坐（あぐら）”为关键字检索27篇相关文献，共计检索文献63篇，为本研究的开展及实验设计提供了理论基础。

1.2.2 实验法 选取16名年龄在20～25岁之间的健康普通男性大学生为研究对象，并进行人体形态测量，获得身高、体重数据，受试者基本情况见表1。使用G*Power V3.1.9.2（University Kiel, GER）进行样本量预测计算。经单样本T检验（One-Sample T Test）可知，所选样本身高、体重、BMI与《2014年国民体质监测公报》中的20～25岁成年男性数据差异无统计学意义（P＞0.05）。所有受试者在实验前接受询问并确认其过去24h内无剧烈运动，被测肌肉无不良症状，近期未出现下肢疾患，无神经肌肉系统病症。

表1 本研究受试者基本资料（± S）

表1 本研究受试者基本资料（± S）

标准差（S）年龄/岁 22.67 2.16身高/cm 177.25 6.56体重/kg 77.55 7.36体重指数（BMI） 24.69 3.59平均值（X ）

1.2.2.1 实验仪器及用品 运动学：2台JVC高速摄像机（GC-PX100,Japan），拍摄频率100Hz，快门速度1/250s。

动力学：一块AMTI测力台（OR6-7，USA），采集受试者CMJ动作过程中3个方向上的地面反作用力，采样频率1 000Hz，采样时间为6s。影像采集坐标与测力台三维空间坐标关系见图1。

图 1 实验场地布置图及三维空间坐标的确定

肌电图：Biovision表面肌电记录分析系统采集肌电信号。Ag-AgCl双电极片贴置后，使用DASYLab 8.0软件建立信号采集模块，采样率为1 000Hz，采集的原始肌电信号以ASCII格式存入电脑。

其他：标记球、同步器、双面胶、酒精棉、剃须刀、剪刀、肌内效贴等。

1.2.2.2 实验步骤 1）实验前的准备：测试者熟练掌握所用实验器材设备的使用方法。引导受试者熟悉测试环境及测试系统，同时进行人体形态学指标测量。合理布置实验场地，安装同步器，预热、调试校准仪器。所有受试者做相同的以下肢为主的准备活动，准备活动后心率约在100～120次/min，准备活动的强度以全身发热、不感疲劳为宜。测试人员讲解并示范测试动作。受试者休息5min，同时受试者穿戴运动短裤和运动背心，测试者对所选取肌肉的电极粘贴部位进行消毒、磨皮、剃毛等工作，等待测试。

2）标志球安放位置：将被动式反光球（直径12mm）分别黏贴于受试者髋、膝、踝关节外侧及足第二趾骨在鞋面上的投影处。

3）表面电极安放位置：采用Ag-AgCl双电极片，在备皮、脱脂后的双侧下肢胫骨前肌、腓肠肌、股直肌、股外侧肌、股内侧肌和股二头肌的肌腹最隆起处粘贴，参考电极贴在外踝，电极片中心相距约2cm。

4）目标动作：每位受试者均需完成包括3次不同时间盘腿坐和4次CMJ的测试。抽签确定每位受试者盘腿坐时间顺序，其中3种盘腿坐时间分别为5min、10min和15min，盘腿坐后休息30s开始CMJ测试，测试完成后休息5min，按抽签顺序进行下一次盘腿坐，每位受试者均在一天内完成测试。具体动作如下：

盘腿坐：执行《中国人民解放军队列条例》中第25条的徒手坐下命令[14]。

下蹲跳（Counter Movement Jump，CMJ）：受试者站立位，双手叉腰快速下蹲至重心最低点立即向上起跳，整个动作皆在测力台上完成（图2）,对蹬伸起跳过程中要求上体尽可能保持前后方向稳定[15]。本文只选择CMJ缓冲期进行分析，其中，缓冲期为着地时刻至垂直方向稳定时间区段。着地时刻定义：着地后垂直地面反作用力＞10N时所对应的时刻。缓冲激活阶段为着地至膝关节最小缓冲角度时所对应的阶段。

1.2.3 数理统计法 采用未设立平行对照的前后测量设计（premeasure-postmeasure design），所测不同时间盘腿坐后CMJ动作的动力学与肌电数据经Excel、Origin与Matlab软件处理后：1）采用单因素重复测量方差（ANOVA with Repeated Measures）分析不同时间盘腿坐对于CMJ缓冲期各因变量（本文所选动力学和肌电指标）的影响。其中，如果因变量存在各个时间点主效应（main effects），即单变量检验具有统计学意义，则选择需要观察的某一变量进行单因素方差分析（One-Way ANOVA）和Tukey post-hoc 检验；2）使用独立样本T检验（Independent-sample T test）对受试者双侧下肢肌电指标之间的差异是否具有统计学意义进行检验。所有数据资料用SPSS 22.0 软件进行统计分析，若协方差矩阵正交化后不满足球对称性条件，用 Greenhouse-Geisser及Huynh-Feldt法进行自由度校正。所得数值均用平均值±标准差（±S）表示并进行统计学描述，认为P＜0.05差异具有统计学意义，P＜0.001差异具有高度统计学意义。

图2 下蹲跳动作示意

2 结 果

2.1 动力学特征 本研究对缓冲期所选动力学参数进行单因素重复测量方差分析结果如表2所示。统计学分析结果显示着地至峰值时出现时间重复性主效应不显著[F（3，45）=1.300，P=0.286＞0.05]，不同时间盘腿坐后的CMJ着地至峰值时出现时间差异无统计学意义。被动冲量重复性主效应不显著[F（3，45）=0.795，P=0.503＞0.05]，不同时间盘腿坐后的CMJ着地时被动冲量差异无统计学意义。尚不能认为不同时间盘腿坐对CMJ着地至峰值时出现时间、被动冲量的影响不同。

表2 不同时间盘腿坐后CMJ缓冲期动力学参数比较（± S）

表2 不同时间盘腿坐后CMJ缓冲期动力学参数比较（± S）

参数盘腿坐时间/min P 10 15被动冲量/N/s 36.29±7.49 34.00±8.77 34.34±15.00 31.93±8.24 0.503峰值力/BW 3.63±0.91 3.28±1.03 3.57±1.06 3.54±1.00 0.520着地至峰值出现时间 0.08±0.01 0.08±0.02 0.08±0.02 0.08±0.02 0.286着地至峰值冲量/N/s 82.51±20.40 88.68±25.67 77.50±18.45 80.00±28.67 0.287平均负荷率/BW/s 50.68±20.63 45.00±26.34 52.53±29.37 50.23±22.02 0.571最大瞬时负荷率/BW/s 272.95±150.90 249.27±208.84 281.38±173.11 302.88±178.71 0.634最大瞬时负荷率出现时间 49.56±23.26 34.94±25.70 41.70±24.92 39.44±20.00 0.295下肢刚度/BW/cm 119.4±44.94 100.55±35.45 131.64±74.01 129.58±93.13 0.412 0 5稳定时间Fx-TTS 0.33±0.17 0.50±0.28 0.47±0.38 0.42±0.26 0.280 Fy-TTS 0.96±0.46 0.97±0.47 0.83±0.43 1.01±0.53 0.704 Fz-TTS 1.08±0.19 1.08±0.22 1.09±0.12 1.21±0.32 0.281

着地后峰值力重复性主效应不显著[F（3，45）=0.764，P=0.520＞0.05]，不同时间盘腿坐后的CMJ着地后峰值力差异无统计学意义。着地至峰值时冲量重复性主效应不显著[F（2.043，30.640）=1.303，P=0.287＞0.05]，不同时间盘腿坐后的CMJ着地至峰值时冲量差异无统计学意义。尚不能认为不同时间盘腿坐对CMJ着地至峰值时冲量、峰值力的影响不同。

缓冲期平均负荷率重复性主效应不显著[F（3，45）=0.677，P=0.571＞0.05]，不同时间盘腿坐后的CMJ触地至峰值时平均负荷率差异无统计学意义。平均负荷率可直接反映出峰值的变化特征，4次测试反映出负荷率与峰值变化特征相符。最大瞬时负荷率重复性主效应不显著[F（3，45）=0.576，P=0.634＞0.05]。不同时间盘腿坐后的CMJ着地至峰值时最大瞬时负荷率差异无统计学意义。最大瞬时负荷率出现时间重复性主效应不显著[F（3，45）=1.273，P=0.295＞0.05]，不同时间盘腿坐后的CMJ着地至峰值时最大瞬时负荷率出现时间差异也无统计学意义。尚不能认为不同时间盘腿坐对CMJ着地至峰值时最大瞬时负荷率及其出现时间的影响不同。着地后下肢刚度重复性主效应不显著[F（1.761，26.412）=0.887，P=0.412＞0.05]，不同时间盘腿坐后的CMJ着地后下肢刚度差异无统计学意义。尚不能认为不同时间盘腿坐对CMJ着地后下肢刚度的影响不同，下肢刚度主要受峰值力和缓冲期下肢最小垂直长度的影响。

不同时间盘腿坐对CMJ缓冲期稳定时间的影响结果显示，缓冲期前后方向稳定时间重复性主效应不显著[F（2.514，37.711）=1.328，P=0.280＞0.05]，不同时间盘腿坐后的CMJ着地后前后方向稳定时间差异无统计学意义，但盘腿坐5min后CMJ缓冲期前后方向所需稳定时间最长，盘腿坐10min与15min后前后方向所需稳定时间较之盘腿坐之前均有所提高；内外方向稳定时间重复性主效应不显著[F（3，45）=0.471，P=0.704＞0.05]，不同时间盘腿坐后的CMJ着地后内外方向稳定时间差异无统计学意义，盘腿坐10min后CMJ缓冲期内外方向所需稳定时间减少；垂直方向稳定时间重复性主效应不显著[F（1.479，22.190）=1.309，P=0.281＞0.05]，不同时间盘腿坐后的CMJ着地后垂直方向稳定时间差异无统计学意义，且随着盘腿坐时间的延长，测试结果显示垂直方向所需稳定时间呈现递增趋势。尚不能认为不同时间盘腿坐对CMJ着地后前后、内外、垂直方向稳定时间的影响不同。

2.2 肌电结果

2.2.1 iEMG特征 由图3可知，右侧股二头肌（RBF）在缓冲激活阶段重复性主效应显著[F（2.634，39.507）=3.580，P=0.027＜0.05]，由多重比较的结果看，CMJ缓冲激活阶段4次测试iEMG值之间的差异不具有统计学意义（P＞0.05）；左侧股直肌（LRF）在缓冲激活阶段重复性主效应显著[F（2.634，39.507）=3.580，P=0.027＜0.05]，右侧股直肌（RRF）在缓冲激活阶段重复性主效应显著[F（3，45）=11.240，P=0.000＜0.05]，由多重比较的结果看，CMJ缓冲激活阶段4次测试iEMG值之间的差异均具有统计学意义（P＜0.05）；其余所测肌肉（股内侧肌、股外侧肌、胫骨前肌、腓肠肌）iEMG缓冲激活阶段重复性主效应均不显著（P＞0.05）。独立样本T检验结果显示，4次测试中双侧下肢肌肉iEMG差异无统计学意义（P＞0.05）。尚不能认为不同时间盘腿坐对CMJ缓冲激活阶段双侧下肢肌肉iEMG的影响不同，股直肌与股二头肌iEMG表现出明显的下降。

2.2.2 下肢肌肉共同激活及肌肉贡献率特征 由表3可知，右侧膝关节周围肌肉共同激活指数（CIR-knee）在缓冲激活阶段重复性主效应显著[F（3，45）=2.832，P=0.049＜0.05]，由多重比较的结果看，CMJ缓冲激活阶段4次测试CIR-knee值之间的差异不具有统计学意义（P＞0.05）；髋关节、膝关节周围肌肉CI蹬伸预激活阶段重复性主效应均不显著（P＞0.05）。独立样本T检验结果显示，4次测试双侧下肢关节周围肌肉CI差异均无统计学意义（P＞0.05）。尚不能认为不同时间盘腿坐对CMJ缓冲激活阶段双侧下肢髋、膝、踝关节周围肌肉CI的影响不同。

表3 缓冲期所选双侧下肢关节周围肌肉CI单因素重复测量方差分析（± S）

表3 缓冲期所选双侧下肢关节周围肌肉CI单因素重复测量方差分析（± S）

注：**表示差异具有高度统计学意义P＜0.01；*表示差异具有高度统计学意义，P＜0.05。其中，L：左；R右。

阶段 髋关节 膝关节 踝关节L R LRL R 1 146.04±39.20 165.22±120.12 76.56±26.34 83.48±31.27 76.39±38.04 81.67±44.77 2 119.28±43.95 125.08±70.86 88.55±43.07 89.49±28.95 165.45±184.23 149.95±121.61 3 127.86±44.87 166.70±79.39 76.08±24.0 68.25±29.61 104.46±51.0 89.91±47.52 4 128.42±33.63 163.12±105.70 74.33±17.84 73.37±28.40 95.98±57.17 105.37±68.07 P 0.242 0.251 0.514 0.049* 0.149 0.082缓冲激活

图3 不同时间盘腿坐对缓冲激活阶段下肢肌肉iEMG的影响

随着盘腿坐时间的增加，缓冲激活阶段双侧下肢股内侧肌与股外侧肌贡献率明显增高且高于股直肌和股二头肌（图4），说明股内、外侧肌在着地缓冲期承担了更多的缓冲动作，胫骨前肌与腓肠肌贡献率明显增高，说明在缓冲激活阶段，这2块肌肉承担了更多的稳定动作。

图4 不同时间盘腿坐对缓冲期下肢肌肉贡献率的影响

3 讨 论

3.1 不同时间盘腿坐对下肢缓冲期肌电特征的影响分析本研究中不同时间盘腿坐后的CMJ缓冲激活阶段差异均呈统计学意义，Komi[16]认为离心收缩产生大量的肌电量并储存弹性能，在随后的向心收缩时释放出来，致使肌肉本身在SSC动作时的向心阶段由于弹性能的释放就无须更大的收缩强度，导致向心收缩产生较少的肌电活化量。有研究认为腓肠肌为踝关节主要作用肌群之一，着地瞬间腓肠肌活化对稳定踝关节效果显著[17]。本研究中随盘腿坐时间延长，胫骨前肌激活程度提高，腓肠肌活化增强效果明显，这对着地时姿势稳定、踝关节稳定具有非常重要的意义。

共同收缩是指拮抗肌在关节处同时激活。其主要目的是增加韧带功能、维持关节稳定性、提供关节旋转阻力、平衡关节面上的压力分布[18-20]。正常情况下，维持各关节稳定的主动肌群与拮抗肌群有一合理的肌力比值范围，肌肉共同收缩指数常用来评价肌力是否均衡，也是反应关节动态稳定程度的重要指标。主动肌与拮抗肌的互相配合，使得在着地时，跖屈肌和背屈肌产生共同收缩，以稳定踝关节[21-22]。股四头肌与股二头肌的共同收缩使膝关节稳定同时也提高髋关节延展性。虽然膝关节缓冲激活的肌肉共同收缩指数无统计学差异，但可以看出在膝关节肌肉共同收缩指数上有递减趋势，盘腿坐15min后指数最低，这说明长时间盘腿坐导致拮抗肌募集肌纤维变少。研究结果还显示：随着盘腿坐时间增加，双侧下肢股内侧肌与股外侧肌贡献率明显增高且高于股直肌和股二头肌，说明股内、外侧肌在着地缓冲期承担了更多的缓冲动作，这与Hughes[23]等人研究结论相符。

肌肉的活化可以用于评估肌肉贡献率，还可以用于指导运动损伤预防。通过弥补较弱的主动肌或拮抗肌，不但可以增强运动表现，更能减少损伤的发生。有研究认为膝关节周围肌肉共同收缩的机制是防止胫骨前移，增加十字韧带的保护，双侧韧带和关节受体可能对肌肉和关节刚度的增加负责，提供膝关节有更好的稳定效果。缓冲激活阶段踝关节肌肉共同收缩指数第2、3次测试上升，而第4次测试下降，显示在CMJ着地之后，胫骨前肌的激活程度有所上升，这与胫骨前肌踝屈肌角色有关。

3.2 不同时间盘腿坐对下肢缓冲期动力学的影响分析

下肢刚度可以评估人体神经肌肉系统与地面交互作用下的力学特性[24]。有研究认为骨骼受伤风险会随下肢刚度的增加而提高，而下肢劲度降低会提高软组织受伤机率。本研究中下肢刚度虽不具有统计学意义，但测试结果先降后增，5min盘腿坐下肢刚度最低，说明肌肉弹性增加；10min和15min盘腿坐下肢刚度均增加，说明长时间盘腿坐影响了下肢肌肉弹性能。下肢刚度降低，需增加肌肉募集来消除冲击负荷，在冲击过程中，肌肉做退让性工作也可吸收部分冲击力[25]。本研究中虽未进行踝关节刚度测量，但下肢刚度对踝关节刚度变化非常敏感[26]，着地策略的调整有可能受踝关节刚度影响。这都可能是下肢刚度变化小且未有统计学差异的原因。

着地时，除了各关节结构支撑外，肌肉支持工作也非常重要。人体的骨骼肌肉系统所需的安全反应时间约为50～75ms[27]。本研究发现着地至峰值时出现时间约为80ms，说明盘腿坐虽然对下肢肌肉弹性能造成了一些影响，但并未对CMJ缓冲期肌骨系统应对冲击能力造成影响。50～75ms内冲击力因不能被人体骨骼肌肉系统主动反应吸收，而成为被动力量。因此，50ms内的被动冲量越高表示受伤机率就越高。本研究中被动冲量盘腿坐后均下降，盘腿坐15min后被动冲量最低，被动冲量排序为：15min＜5min＜10min＜0min，与峰值力排序不一致。这可能与受试者个体差异有关。

在缓冲期间较大的负荷率、较早出现的峰值力都是增加下肢损伤风险的潜在因素[28]。Nigg[29]研究发现着地过程下肢所需承受的地面反作用力随运动项目改变，日常跑步约为体重的2～4倍；跳高约为体重的10～12倍，数值越大无疑意味较高的受伤风险。有研究认为着地阶段的巨大冲击力与关节角度控制机制不佳有关[30]。研究发现人体通过增加髋、膝关节的角位移来延长着地时间，从而有效降低地面反作用力峰值[31]。本研究峰值力大约为3.5倍的体重，峰值力排序为：5min＜15min＜10min＜0min，较不盘腿坐相比5、10、15min后均不同程度降低，这可能与弹跳高度、着地时踝关节角度有关。

由于人体组织是粘弹性的，其负载响应是有时间依赖性的[32]，在较低的负荷率下不容易受到伤害，单位时间内所受冲击越大，受伤害的机率越高。本研究中5min盘腿坐后负荷率与最大瞬时负荷率均到最小值，这可能与受试者正处于肌力表现良好、着地时峰值力较低、踝关节角度变小有关。但负荷率表现出的是平均变化率，受时间与峰值影响较大，反应不出来各时间点上力的变化特征，这时分析最大瞬时负荷率及最大瞬时负荷率出现的时间就更具有实际意义。本研究发现盘腿坐时间越长测得的最大瞬时负荷率越高，最大瞬时负荷率排序为：5min＜0min＜10min＜15min。且随着盘腿坐时间延长，最大瞬时负荷率出现时间越来越短且小于50ms，5min后最大瞬时负荷率出现时间最短约为34.94ms。事实上，当作用在人体的作用力发生时间小于50ms时，人体骨骼肌肉系统便已无法及时应对、吸收冲击力。这启示我们盘腿坐后要尽量避免跳跃或下落着地动作。

在日常和体育活动中保持良好的姿势控制能力对于形成良好的空间知觉[33]、促进身体平衡[34]及跌到预防[35]等方面具有重要作用,并且姿势控制缺陷与增加二次伤害风险[36]有关。着地动作需要良好肌力表现、关节稳定和姿势平衡等保护机制来预防受伤。在着地过程中使用测力台评估动态姿势稳定性[37]及衡量神经肌肉控制[38]，稳定时间(TTS)是有效指标。有研究认为TTS作为下肢运动控制的表现，主要取决于本体感受反馈和肌肉预模式（Preprogrammed Muscle Patterns），与肌反射、随意肌反应一样[39]。可被用来评估肌肉疲劳[40]对着地动作[41]的影响，也被认为能够揭示下肢肌力不足和本体感觉缺陷[42]。本研究发现各方向稳定时间均无统计学差异，随盘腿坐时间延长，垂直方向所需稳定时间也越来越长，Fz-TTS排序为：0min＜5min＜10min＜15min。说明盘腿坐对下肢肌肉控制能力有影响。同时也应该注意到，Fx-TTS和Fy-TTS的计算采用的是序列估计算法。这里有一个问题，如果受试者的动态姿势稳定性很差，相应的序列平均的标准偏差就会很大[15,43]，那么总序列平均值的±0.25倍标准偏差的范围就会非常大。因而，地面反作用力序列平均曲线将很容易符合且停留在这个范围内，这可能就是Fx-TTS和Fy-TTS统计学差异不明显的原因。

4 结论与建议

4.1 结论 执行不同时间盘腿坐之后均会对下肢肌肉产生急性影响，均能提高CMJ缓冲激活阶段双侧下肢股内侧肌与股外侧肌贡献率，同时也会对下肢肌肉弹性能的利用带来负面影响，盘腿坐15min对膝关节伸肌（股直肌）负面影响最明显，下肢刚度增加，下肢应对冲击力能力不足，对神经肌肉控制能力下降，最大瞬时负荷率增大，各方向所需稳定时间延长。

4.2 建议 在日常生活中，长时间盘腿坐后要有一段时间休息适应期，以消除肌肉静力性工作的急性影响，避免跳跃及下落着地动作，如果要做下落着地动作需要增加膝关节缓冲角度，延长力的作用时间。

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