短时疲劳状态下橄榄球运动员侧切动作中下肢肌肉的表面肌电特征

刘兴康，厉彦虎，傅 涛

短时疲劳状态下橄榄球运动员侧切动作中下肢肌肉的表面肌电特征

刘兴康1，厉彦虎2，傅 涛3

目的：探讨短时疲劳对橄榄球运动员侧切动作时下肢肌肉表面肌电的影响；为短时疲劳状态下运动员下肢损伤增多提供实验依据。方法：选取中国农业大学的12名橄榄球运动员作为研究对象，利用Wave-plus肌电采集系统结合同步视频，收集短时疲劳前、后优势侧腿侧切动作中下肢肌肉积分肌电值（IEMG）和下肢肌肉间活化程度的直接比值等肌电数据，通过配对 t 检验分析疲劳后下肢肌电的特征。结果：1）短时疲劳后较短时疲劳前侧切动作中准备（PR）阶段的臀大肌（GMAX）、臀中肌（GMED）、股四头肌内侧头（VM）、股四头肌外侧头（VL）（P≤0.05）的积分肌电值明显降低；短时疲劳后较短时疲劳前侧切动作负重（LO）阶段GMAX、GMED、VM和内侧腘绳肌（MH）（P≤0.05）的积分肌电值明显降低；2）短时疲劳后较短时疲劳前侧切动作中PR阶段下肢肌肉间活化程度比值没有明显的差异；LO阶段VM与VL、VM与MH及腓肠肌外侧头（LG）与外侧腘绳肌（LH）的肌肉间活化程度比值具有明显的差异。研究结论：短时疲劳造成侧切动作PR阶段GMAX、GMED、VM和VL的激活程度明显降低，短时疲劳造成侧切动作LO阶段GMAX、GMED、VM和MH的激活程度明显降低；短时疲劳后侧切动作负重阶段股四头肌内侧头与股四头肌外侧头和股四头肌内侧头与内侧腘绳肌的肌肉间协同收缩能力发生改变。

短时疲劳；橄榄球；侧切动作；表面肌电

1 前言

橄榄球运动作为一项大强度、对抗激烈的同场竞技项目，运动损伤不可避免，且损伤的发生率极高。尤其是橄榄球运动中的侧切动作导致膝关节非接触性前交叉韧带损伤带来了严重的后果，膝关节前交叉韧带的损伤大都是在侧切动作时下肢神经肌肉控制出现异常，从而导致膝关节前交叉韧带断裂及其他损伤。侧切动作是为了骗过防守运动员，进攻球员先向一个方向跑动，然后切向另一个方向移动的运动技巧，是很多运动项目运动员经常使用的技术动作［15］，橄榄球运动中，运动员为了摆脱竞争对手的防守，经常需要通过瞬间的改变跑动方向来实现战术目的，因此，侧切是橄榄球运动员频繁使用的一项重要基本技术，这样的动作极易导致膝关节损伤。

侧切动作速度快，参与动作的下肢肌肉较多，较多的肌肉参与维持膝关节在矢状面、冠状面及水平面的稳定性。之前的研究表明，短时疲劳会影响侧切动作中下肢的运动学和动力学［3］，并且下肢的肌肉在维持膝关节动态平衡中具有重要作用［14］，因此，在短时疲劳状态下侧切动作中下肢肌肉的表面肌电有可能也发生相应的变化。虽然短时疲劳状态下侧切动作中下肢运动学、动力学的研究比较多，但是，短时疲劳状态下橄榄球运动员侧切动作中下肢肌肉表面肌电的研究较少，并且研究结果也存在着较大的差异。因此，本研究的目的在于探讨短时疲劳对橄榄球运动员侧切动作时下肢肌肉表面肌电的影响；为短时疲劳状态下，运动员下肢损伤增多提供实验依据。

2 研究对象与方法

2.1 实验对象

实验选取中国农业大学橄榄球队的专业橄榄球运动员12名，要求年龄在18～28岁，专业训练年限在2年以上，最近3个月没有较大的下肢损伤史以及没有后背及下肢手术史。受试者的基本情况如下：运动员年龄20.92±1.79岁、身高178.00±6.23cm、体重76.08±5.49kg，且下肢优势侧均为右侧。向运动员演示侧切动作，运动员经过一段时间的侧切动作练习，并签订知情同意书。

2.2 实验方法

在测试之前，所有受试者运用跑步机（10 km/h的速度）进行至少5 min的热身，然后对要测试的肌肉适当地进行动态牵拉。测试人员用剃须刀对受试者优势腿股四头肌内侧头（Vastus Medial，VM）、股四头肌外侧头（Vastus Lateralis，VL）、内侧腘绳肌（Medial Hamstrings，MH）、外侧腘绳肌（Lateral Hamstring，LH）、臀中肌（Gluteus Medius，GMED）、臀大肌（Gluteus Maximus，GMAX）、腓肠肌（Gastrocnemius）的肌腹处（沿着肌肉走向）进行剃毛，除角质，用75%的酒精棉球拭去皮肤表面的油脂，让受试者保持中立位，沿着肌肉走行在肌腹处贴上Ag-Cl表面电极，电极直径8 mm，两电极之间的距离20 mm，为防止电极滑动或脱落用医用胶布固定，采集前测试电极间电阻（≤10kΩ）及均方根噪声（≤10 μV）。告知受试者每个测试的标准动作，启动Wave-Plus程序，收集每块肌肉的最大自主等长收缩（Maximal Voluntary Isometric contractions，MVICs）时的肌电信号。经过3次次大强度的热身后，收集每块肌肉5 s最大等长收缩时的肌电信息，去除第1 s和最后1 s的数据，确保采集到平稳阶段的肌电数据。这3秒钟的肌电积分值来衡量侧切动作中肌电变化情况，测试完成后保存数据。侧切动作中的肌电数据用最大等长收缩时的百分比（MVIC%）表示，每块肌肉测试方法［7］见图1。

图1 肌肉MVIC测试方法Figure 1. Muscle MVIC Test Method

测得下肢肌肉的MVIC肌电信息后，适当休息3 min，在距离测力台3 m的位置尽可能快的、有力地优势侧腿在测力台上完成斜向前方60°的侧切动作，同时用Wave-plus肌电采集系统（1 000 Hz）结合视频（25 Hz）同步采集疲劳前3次成功的侧切动作中下肢8块肌肉的肌电信息。然后受试者进行由一系列的体育锻炼组成，每组包括4次连续的90%的最大弹跳高度连续纵跳，接着是按照每分钟200下的节拍器进行20 s的上下台阶（30 cm），随后进行10次膝关节90°的克服自身体重的蹲起，完成10次蹲起之后进行5次10 m折返跑的功能灵敏性疲劳模型［2］的运动。直到受试者出现在连续2组的循环测试中，4次纵跳受试者跳的平均高度≤80%的最大纵跳高度；连续过3组的循环测试中，受试者心率（HR）达到一个平台期，并且达到推测HRmax的90%；受试者经过测试人员的语言鼓励，无法再坚持练习，RPE≥19的情况下停止，立即测试疲劳后3次成功的侧切动作中下肢8块肌肉的肌电信息。

2.3 数据处理与分析

根据受试者侧切动作时采集到的视频与肌电信号同步进行侧切动作阶段的划分，准备（PR）阶段是指脚尖接触力台的前3帧视频的时刻直到脚尖接触力台的前1帧视频时刻之间的时间段；负重（LO）阶段是指前脚掌刚刚接触力台的时刻直到脚尖离开力台的前1帧时刻之间的时间段。截取侧切动作PR及LO时下肢各个肌肉50 ms的肌电积分值。评估3次侧切动作中PR阶段和LO阶段股四头肌内、外侧头和腘绳肌内、外侧头的活化程度的直接比值（Q：H）、股四头肌内侧头与股四头肌外侧头的活化程度的直接比值，活化程度的直接比值为1意味着肌肉有等同的激活程度。肌肉活化程度的比值＝主动肌积分肌电值/拮抗肌积分肌电值×100%。实验数据采用SPSS 19.0进行统计学分析，实验数据均采用“均数±标准差（±SD）”表示，疲劳前、后数据采用单因素方差分析，P≤0.05为显著性差异。

3 研究结果

3.1 短时疲劳前、后侧切动作PR阶段下肢肌肉IEMG值的变化特征

短时疲劳前、后PR阶段臀大肌、臀中肌、和股四头肌内侧头、股四头肌外侧头的积分肌电值明显降低，然而，短时疲劳之后PR阶段内侧腘绳肌、外侧腘绳肌、腓肠肌内侧头和腓肠肌外侧头的积分肌电值有所增加，但并没有统计学意义（表1）。

3.2 短时疲劳前、后侧切动作LO阶段下肢肌肉IEMG值的变化特征

短时疲劳前、后侧切动作的LO阶段较侧切动作PR阶段下肢各肌肉的积分肌电值都明显增大，肌肉在LO阶段肌肉的活动明显增强。短时疲劳后较短时疲劳前侧切动作LO阶段臀大肌、臀中肌、股四头肌内侧头和内侧腘绳肌的积分肌电值明显降低；腓肠肌内、外侧头虽然有所下降但并不明显；股四头肌外侧头和外侧腘绳肌的积分肌电值反而有所增加（表2）。

表1 受试者短时疲劳前、后PR阶段各肌肉标准化后的IEMG值%MVICTable 1 Normalized Muscle Activity Values（% Maximal Voluntary Isometric Contraction） for the PR Phase of Side-cutting During Short-time Pre-fatigue and Post-fatigue （±SD）

表1 受试者短时疲劳前、后PR阶段各肌肉标准化后的IEMG值%MVICTable 1 Normalized Muscle Activity Values（% Maximal Voluntary Isometric Contraction） for the PR Phase of Side-cutting During Short-time Pre-fatigue and Post-fatigue （±SD）

注：*表示P≤0.05，**表示P≤0.01，下同。

短时疲劳之后（n=12）臀大肌 （GMAX）56.46±30.25*40.08±17.37*臀中肌 （GMED）55.44±23.70*44.24±19.07*股四头肌内侧头 （VM）37.91±12.99*31.30±12.97*股四头肌外侧头 （VL）57.54±26.05*43.29±14.05*内侧腘绳肌 （MH）38.75±16.5739.04±18.08外侧腘绳肌 （LH）32.15±12.2236.28±31.45腓肠肌内侧头 （MG）27.90±8.8342.06±34.31腓肠肌外侧头 （LG）52.02±24.6157.70±27.79短时疲劳之前（n=12）

表2 受试者短时疲劳前、后LO阶段各肌肉标准化后的IEMG值%MVICTable 2 Normalized Muscle Activity Values（% Maximal Voluntary Isometric Contraction） for the LO Phase of Side-cutting during Short-time Pre-fatigue and Post-fatigue （±SD）

表2 受试者短时疲劳前、后LO阶段各肌肉标准化后的IEMG值%MVICTable 2 Normalized Muscle Activity Values（% Maximal Voluntary Isometric Contraction） for the LO Phase of Side-cutting during Short-time Pre-fatigue and Post-fatigue （±SD）

短时疲劳之后（n=12）臀大肌 （GMAX）109.65±44.07* 78.00±14.83*臀中肌 （GMED）129.34±37.26*103.55±31.93*股四头肌内侧头 （VM）101.51±58.21* 61.66±10.00*股四头肌外侧头 （VL）131.99±58.04154.08±57.23内侧腘绳肌 （MH） 83.04±26.61* 74.19±20.75*外侧腘绳肌 （LH） 54.91±21.70 57.66±16.36腓肠肌内侧头 （MG） 98.11±92.93 72.42±22.21腓肠肌外侧头 （LG） 72.55±36.19 56.48±23.52短时疲劳之前（n=12）

3.3 短时疲劳前、后侧切动作PR阶段和LO阶段下肢肌肉间活化程度的直接比值的变化特征。

短时疲劳后较短时疲劳前侧切动作PR阶段下肢肌肉间活化程度的直接比值并没有明显的差异。从表3可以看出，短时疲劳后较短时疲劳前侧切动作LO阶段股四头肌内侧头（VM）与股四头肌外侧头（VL）、股四头肌内侧头（VM）与内侧腘绳肌（MH）及腓肠肌外侧头（LG）与外侧腘绳肌（LH）的活化程度的直接比值具有明显的差异，表现为短时疲劳后股四头肌内侧头的收缩强度明显减弱，但由于短时疲劳后外侧腘绳肌的收缩强度并没有明显降低，导致短时疲劳前、后腓肠肌外侧头与外侧腘绳肌的活化程度的直接比值有明显的差异，意味着短时疲劳前、后侧切动作LO阶段肌肉间协同收缩能力发生改变。

4 讨论

侧切动作速度快、参与动作的下肢肌肉较多，较多的肌肉参与维持膝关节在矢状面、冠状面及水平面的稳定［16］。为了对抗动态动作中膝关节额外的负荷，存在两种神经肌肉激活模式，1）选择性地激活能够对抗负荷的肌肉；2）不加选择地共同激活能够维持生物力学稳定的肌肉。这两种激活模式都能维持膝关节动作过程中冠状面的稳定性［10］。因此，理解短时疲劳对侧切动作中下肢肌肉激活情况、肌肉间协同收缩情况的影响对预防由侧切动作引起的膝关节相关损伤至关重要。

表3 受试者短时疲劳前、后LO阶段下肢肌肉活化程度的直接比值Table 3 Muscle Co-contraction Ratios for the LO Phase of Side-cutting after Short-time Pre-fatigue and Post-fatigue （±SD）

表3 受试者短时疲劳前、后LO阶段下肢肌肉活化程度的直接比值Table 3 Muscle Co-contraction Ratios for the LO Phase of Side-cutting after Short-time Pre-fatigue and Post-fatigue （±SD）

短时疲劳之前 （n=12）短时疲劳之后 （n=12）VM：VL0.89±0.42*0.59±0.20*VM：MH1.24±0.68*0.85±0.19*VL：LH3.03±2.462.10±1.19 MG：MH1.23±1.241.05±0.55 LG：LH1.51±0.91*1.08±0.56*

侧切动作中下肢肌肉的积分肌电值反映了运动单位数量的多少和运动单位群放电的总量，通过IEMG值可以判定肌肉活动总体的强弱。现有的研究表明［1］：平均功率频率（MPF）和中值频率（MF）都能较好地描述疲劳后的肌电的变化特征，本研究在判定疲劳的过程中使用RPE、运动表现以及受试者心律特征来判定疲劳情况，在预实验过程中通过RPE、运动表现判定的疲劳与MPE和MF的变化特征具有一致性。本研究主要是研究疲劳之后侧切动作中下肢各肌肉的总体做功情况以及肌肉间协同收缩情况，因此，选择肌电信号的时域分析中的积分肌电值作为主要研究指标。Kristev等人［9］的研究发现，持续的最大肌肉收缩至疲劳的过程中，可以观察到相关肌肉积分肌电值的降低。但是，在次最大或中等强度至疲劳的情况下，保持恒定的外力输出，积分肌电值的增加意味着运动单位增加或已激活的运动单位放电频率加快均为神经肌肉策略应对疲劳的补偿性改变［11］。短时疲劳导致侧切动作PR阶段臀大肌、臀中肌、股四头肌内侧头积分肌电值的降低，两者产生差异的原因可能在于导致疲劳的方式不同，在进行最大强度收缩时，所募集的运动单位接近饱和，随着运动持续运动单位逐渐疲劳，募集程度降低，而次大强度收缩时，随着运动的进行都有可以募集的新的运动单位参与工作。但本研究与次最大强度疲劳导致肌肉积分肌电值增加的原因可能是因为橄榄球运动员的侧切动作是强度较大的测试动作（特别是在LO阶段标准化后的下肢肌肉积分肌电值远远高于最大等长收缩时的值），并且采用无线肌电采集系统，进行疲劳造模之后立即进行疲劳之后的侧切动作，尤其是受试者是水平较好的橄榄球运动员，在疲劳之前做侧切动作过程中下肢肌肉的募集程度就比较高，短时疲劳后没有更多的神经单位动员，导致疲劳后侧切动作中下肢肌肉的积分肌电值降低。内侧腘绳肌、外侧腘绳肌、腓肠肌内侧头和腓肠肌外侧头的积分肌电值增加可能是因为不同的运动形式对不同肌肉的参与需求不同以及所完成动作对协同肌和拮抗肌的要求不同导致的［6］。臀肌，可以控制落地动作中下肢的位置，吸收缓冲力，并作为着地过程中髋关节强大的伸肌、外旋和外展肌，疲劳之后侧切动作PR阶段臀大肌和臀中肌激活程度明显减低，会导致髋关节内旋角度增加，髋关节内旋角度增加会导致膝关节外翻、外旋角度增加。相比于短时疲劳之前，短时疲劳之后侧切动作LO阶段臀大肌、臀中肌、股四头肌内侧头和外侧腘绳肌的激活程度减弱。闭链理论认为，髋关节内收、内旋会导致膝关节的外翻，根据此理论，在承受体重的任务中，膝关节ACL拉力增加的外翻和内旋动作会受臀大肌和臀中肌的影响［8］。因此，臀大肌、臀中肌肌肉的激活情况会影响膝关节的外翻和下肢的旋转动作。因为股四头肌和腘绳肌能产生内翻或者外翻的力矩，所以，股四头肌和腘绳肌在动态活动中能够控制膝关节冠状面的稳定性［10］。股四头肌内侧头相对于股四头肌外侧头激活程度较低，会增加膝关节外翻的力矩。短时疲劳之后LO阶段内侧腘绳肌的激活程度明显降低，与前人对疲劳之后落地动作中腘绳肌激活会明显降低的结果相一致［12］。有学者认为，内侧腘绳肌激活程度明显减低以及股四头肌外侧头激活程度增加（下面肌肉间激活程度的比值中也会体现），代表着因疲劳导致的侧切动作中膝关节生物力学效率的最优化，会提高膝关节侧切动作的效率［5，12］。本研究的结果还发现，短时疲劳后侧切动作LO阶段股四头肌外侧头和外侧腘绳肌的IEMG有所增加，虽然没有统计学意义，但是，股四头肌外侧头和外侧腘绳肌的激活程度增加而股四头肌内侧头和内侧腘绳肌的激活程度降低会导致膝关节在冠状面的失衡，这也可能是导致膝关节外翻力矩增加的原因之一。

在动态落地动作中，膝关节稳定性主要受股四头肌和腘绳肌共同收缩的影响，因此，理解疲劳对其激活模式的影响对进一步了解损伤至关重要。Q/H这组拮抗肌通过限制胫骨的前移来减少ACL损伤的风险。股四头肌和腘绳肌的同时收缩可以提供膝关节冠状面动态平衡，潜在性地保护造成膝关节ACL损伤增加的过度内翻或者外翻负荷。Q/H在控制髋关节矢状面和水平面内的活动起到重要的作用。De［4］提出了在腘绳肌和股四头肌“共同激活”的概念，作者认为，主动肌和拮抗肌激活程度受中枢神经的控制，当主动肌和拮抗肌共同参加一项特殊任务时，共同激活中枢控制每块肌肉的运动单元，将两块肌肉作为整体对待，同时收缩来加强关节的稳定性。冠状面内，平衡的股四头肌和腘绳肌之间的收缩可以提高膝关节间的压力，增加膝关节的稳定性。已有研究表明，肌肉的共同收缩可以有效降低关节冠状面的活动［13］。选择性地激活膝关节内侧的肌肉可以产生内翻力矩，选择性地激活膝关节的外侧肌肉可以产生外翻力矩，这样可以分别对抗膝关节的外翻或者内翻力矩。本研究短时疲劳前、后侧切动作PR阶段下肢肌肉间活化程度的直接比值并没有明显的差异，也就是说短时疲劳对侧切动作PR阶段膝关节周围的稳定肌肉协调收缩没有明显的影响，肌肉间有良好的协同工作能力。出现这种现象的原因可能和侧切动作PR阶段肌肉受到的阻力较小，对肌肉的要求较低，短时疲劳对此阶段肌肉间激活情况的影响不够明显导致的。短时疲劳后侧切动作LO阶段股四头内侧头和股四头肌外侧头的活化程度的直接比值降低，意味着短时疲劳增加膝关节冠状面内的不平衡状态，有使膝关节外翻力矩增加的趋势。同样地，内侧腘绳肌和外侧腘绳肌的活化程度的直接比值降低，会减少膝关节内侧的压力，降低了膝关节内侧的稳定性，增加了膝关节外翻的风险。总之，短时疲劳前后侧切动作LO阶段肌肉间协同收缩能力发生改变，这也可能是导致疲劳之后ACL损伤风险增加的危险因素之一。

5 结论：

1. 短时疲劳造成侧切动作PR阶段臀大肌、臀中肌、股四头肌内侧头和股四头肌外侧头的激活程度明显降低，短时疲劳造成侧切动作LO阶段臀大肌、臀中肌、股四头肌内侧头和内侧腘绳肌的激活程度明显降低。

2. 短时疲劳后侧切动作负重阶段股四头肌内侧头与股四头肌外侧头和股四头肌内侧头与内侧腘绳肌的肌肉间协同收缩能力发生改变。

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The Characteristics of Surface Electromyography of Lower Limb Muscles of Elite Rugby Players in Side-cutting Task during Short-time Fatigue

LIU Xing-kang1，LI Yan-hu2，FU Tao3

Objective：The purpose of this study was to investigate the e ff ect of short-time muscle fatigue on lower limb surface electromyograph for rugby players during a functional side-cutting movement and provide an experimental basis and reference for the increase of lower limb injury after short-time fatigue and further study. Methods：Twelve China Agriculture University rugby players were selected as research subjects，using Wave-plus EMG acquisition system synchronized with video，lower limb muscles IEMG and muscle co-contraction index （CI） of dominant leg during side-cutting before and after conditions was calculated，the characteristics of electromyography of lower limb after fatigue were analyzed by paired t test. Results：1） The IEMG of Gluteus maximus （GMAX），Gluteus medius （GMED），Vastus medial （VM） and Vastus lateral （VL） （P≤0.05） were signi ficant decreasing after short-time fatigue compared before during side cutting PR stage；The IEMG of GMAX ，GMED，VMand medial hamstring （MH） （P≤0.05） were signi fi cant decreasing after short-time fatigue compared before during side cutting LO stage. 2） The ratio of muscle co-contraction of VM：VL，VM：MH，VL：LH，MG：MH and LG：LH had no di ff erence after short-time fatigue compared before during side cutting PR stage；the ratio of muscle Co-contraction of VM：VL，VM：MH and LG：LH had signi fi cant di ff erence after short-time fatigue compared before during side cutting LO stage. Conclusion：1）The activation degree of GMAX，GMED，VM and VL was signi fi cantly decreased in the PR stage of the short-term fatigue，and the activation degree of GMAX，GMED，VM and MH was signi fi cantly decreased in the short-time fatigue. 2） There are changing of muscle co-contraction index of vastus medial and Vastus lateral （VM：VL），vastus medial and medial hamstring （VM：MH） during LO phase after short-time fatigue，caused to fatigue during LO stage of side cutting movement.

short-time fatigue；rugby；side-cutting；surface electromyography

G804.6

A

1002-9826（2017）06-0085-05

10. 16470/j. csst. 201706010

2017-04-18；

2017-08-09

天津体育局全运会科技攻关课题（GY201606）；天津市自然科学基金资助课题（16JCYBJC29100）。

刘兴康，男，在读博士研究生，主要研究方向为运动康复理论与技术，运动损伤相关生物力学， E-mail：liuxingkang1202@126.com。

厉彦虎，男，主任医师，博士，主要研究方向为脊柱康复，运动损伤防治，E-mail：liyanhupp@126.com。

1.北京体育大学 运动医学与康复学院，北京 100084；2.国家体育总局运动医学研究所 运动员医疗中心，北京 100061；3. 天津体育学院 健康与运动科学系，天津 300381 1.Beijing Sport University，Beijing，100084 China；2.National Institute of Sport Medicine，Beijing 100061，China；3.Tianjin University of Sport，Tianjin 300381，China.