400 m障碍臂撑攀越高墙动作关键发力环节肌群sEMG遥测与分析

吴潇男，昝垒，孙博文

(西安通信学院 基础部，陕西 西安 710106)

●运动人体科学

400 m障碍臂撑攀越高墙动作关键发力环节肌群sEMG遥测与分析

吴潇男，昝垒，孙博文

(西安通信学院 基础部，陕西 西安 710106)

目的：研究400 m障碍臂撑攀越高墙动作关键发力环节主要原动肌群表面肌电(sEMG)的工作特征。方法采用sEMG遥测技术与解剖学动作分析方法，配合sEMG同步采集视频，对某军校7名400 m障碍成绩优秀且技术动作规范的男性学员进行原始肌电图、积分肌电值(iEMG)和肌肉做功贡献率(iEMG%)测试与分析。结果上肢和躯干肌群的发力顺序为：三角肌、肱三头肌率先同步发力，随后肱二头肌、屈腕肌逐渐发力，接着依次为斜方肌、伸腕肌、胸大肌、背阔肌；摆动蹬踏墙体一侧下肢肌群和腹直肌的发力顺序为：股四头肌和胫前肌率先同步发力，随后是绳肌、腓肠肌、臀大肌、腹直肌；蹬地起跳一侧下肢肌群和腹直肌的发力特点为：除腹直肌外，臀大肌、股四头肌、绳肌、胫前肌、腓肠肌几乎同步被激活。iEMG和iEMG%从大到小依次为：上肢和躯干肌群(肱二头肌、屈腕肌、肱三头肌、斜方肌、三角肌、胸大肌、伸腕肌、背阔肌)；摆动蹬踏墙体一侧下肢肌群(胫前肌、股四头肌、绳肌、腓肠肌、腹直肌、臀大肌)和腹直肌；蹬地起跳一侧下肢肌群(腹直肌、腓肠肌、股四头肌、绳肌、胫前肌、臀大肌)和腹直肌。

400 m障碍；表面肌电；原始肌电图；积分肌电值；肌肉做功贡献率

400 m障碍是我军传统特色军事体育项目，是为适应战时可能遇到类似天然障碍，在军事训练中专门模拟制作的一套由不同规格障碍组成的障碍群[1]。该训练科目由跑、跳、攀、爬、抓、拉、撑、吊越、跨越等若干技术动作构成，其中臂撑攀越高墙动作具有很强的实战针对性。研究臂撑攀越高墙关键技术动作相关肌群的工作特征，对提高通过障碍物的能力具有重要作用。多年来，我军军事基础教育训练专家和教员均致力于400 m障碍的教学训练与科研工作，但目前大部分研究仍停留在经验总结层面，相关结论缺乏客观实验数据支撑，且研究思路较单一，研究设备相对落后。本研究采用目前国际上较为先进的表面肌电 (Surface Electromyography, sEMG)遥测技术，结合运动环节的解剖学动作分析法，通过定性分析与定量测试相结合的方法，测试、分析400 m障碍臂撑攀越高墙关键发力环节主要原动肌群sEMG信号的工作特征，以期为该技术动作诊断和修正与之相关的肌肉训练方法改进提供相应的理论依据。

1 研究对象与方法

1.1研究对象

选取某军校“精武杯”比赛中400 m障碍成绩在1 min55 s内且技术动作标准的男性学员7名，身体健康，无重大疾病史。平均年龄(21.86±1.07)y，平均身高(174.86±4.88)cm，平均体重(64.12±5.15)kg。

1.2测试方法

1.2.1 测试肌群的确定

根据技术动作要领和肌肉工作解剖学特征，以及sEMG设备的可测性和易测性原则，分别选择上肢肌群、躯干肌群和下肢肌群中20块肌肉进行测试。

根据上墙阶段的技术动作特点分析，用于测试的相关上肢肌群和躯干肌群(除腹直肌外)左、右侧技术动作一致，因此选择右侧进行测试；而左、右侧下肢技术动作不同，因此分别对左、右侧相关下肢肌群和左、右侧腹直肌进行测试。

根据肌电仪8通道测试能力，最终将20块肌肉分三次进行测试。第一次(右侧)：三角肌、肱二头肌、肱三头肌、屈腕肌、伸腕肌、斜方肌、背阔肌、胸大肌；第二次(右侧)：腹直肌、臀大肌、股四头肌、绳肌、胫前肌、腓肠肌；第三次(左侧)：腹直肌、臀大肌、股四头肌、绳肌、胫前肌、腓肠肌；

1.2.2 仪器设备与表面电极安放

使用美国产8通道DELSYS Trigno Lap全无线sEMG测试系统进行sEMG信号采集(见图1)。信号采样频率为2000 Hz，输入阻抗小于10 GΩ，噪声水平小于0.75 μv，带通滤波设置为(20～450)Hz。影像采集设备使用深圳市金扬世纪科技发展有限公司生产的高清摄像头与计算机进行同步对接。

图1 无线sEMG测试系统

测试前剃去测试肌肉部位体毛，用细砂纸和75%的酒精棉球对电极安放位置进行去脂处理，以减少皮肤电阻对sEMG信号的干扰。将电极模块贴于被测肌肉肌腹隆起最高点处，电极模块上指示箭头与肌纤维方向一致，并用医用胶布固定。

1.2.3 测试指标选取

1)原始肌电图

原始肌电图是由电极直接采集不经处理的肌电信号记录结果，可直接评定肌肉是否被激活、肌肉做功的时程长短、肌电活动的强度以及肌肉间的协调模式等[2]。打开同步采集分析程序，选择信号分析8.0直接提取。

2)iEMG和iEMG%

对肌电图的肌电变化曲线与时间横轴间所包绕面积进行积分，求得积分肌电值(iEMG，单位为μV.S)。iEMG可反映所选时间段内肌肉的肌电活动强弱程度，在一定程度上体现了肌肉在整个活动过程中用力的大小[3]。

在A-C段，计算某一块测试肌肉iEMG值占参与该动作的全部测试肌肉的iEMG总值百分比，即为该块肌肉的做功贡献率(iEMG%)；iEMG%可反映所测肌肉在完成该动作中所占的比重[4，5]。

1.3数据处理与统计学分析

sEMG数据处理采用北京世纪天鸿公司在Labview环境下开发的Capture视频同步分析软件。由于每名实验对象每次测试的时间不同，因此使用MATLAB软件首先对不同实验对象的每一次测试时间t1，t2，t3，……ts进行最大归一化处理，即

2 研究结果

2.1技术动作要领和关键发力环节分析

跑至高墙前约1 m处，一腿蹬地起跳，另一腿屈膝上抬，以前脚掌向前下蹬踏墙中部，借力用两手攀住高墙上缘，将身体撑上高墙。同时起跳腿迅速屈膝上抬，用膝部或小腿内侧挂于高墙上缘，身体迅速上翻，上体随即下潜，起跳腿异侧手换握(手指向后)高墙上缘，同侧手下移并推墙壁，两腿翻过墙顶，两脚先后着地，使身体转向跑进方向，继续跑进(见图2)[1]。实验对象统一采用左脚蹬地起跳，右脚踏高墙中上部，臂撑攀越高墙的技术动作。

其中，上墙阶段，即起跳腿发力蹬地，另一腿迅速摆动以前脚掌向前下蹬踏墙中部，同时借助向上的用两手拉、撑攀住高墙上缘，将身体撑上高墙，迅速挂腿翻上高墙是完成障碍物的关节技术环节，期间的每一个发力动作均是臂撑攀越高墙的关键发力环节。

2.2 sEMG测试的动作节点与阶段划分

图2 臂撑攀越高墙技术动作图示

如图2所示，图A：左脚在前准备蹬地起跳，右脚在后准备离地上摆踏板，双臂准备上举拉墙；图B：双手拉住高墙上缘，右脚踏上高墙中上部，左腿悬空准备挂腿；图C：双臂将上体撑上高墙，左腿挂上高墙上缘，准备俯身下潜。A-C为完整上墙阶段。

2.3上墙阶段右侧三角肌、肱二(三)头肌、屈(伸)腕肌、斜方肌、背阔肌和胸大肌的原始肌电图、iEMG与iEMG%测定结果

原始肌电图测试结果显示(见图3)，在整个上墙阶段肌肉发力顺序依次为：三角肌、肱三头肌率先同步发力，随后肱二头肌、屈腕肌逐渐发力，接着依次为斜方肌、伸腕肌、胸大肌、背阔肌。从振幅特点可以观察到(见图3)，肱二头肌和屈腕肌的激活程度最大，sEMG振幅最明显；伸腕肌、斜方肌在B点附近集中发力，其它时间点sEMG活动较弱；三角肌、背阔肌在B-C段sEMG活动几乎同时突然消失；肱三头肌在A-C前半段保持高频小幅震动，随后sEMG活动减弱；胸大肌sEMG振幅不明显且不连续，但始终可以记录到sEMG活动。各肌群在B-C段的sEMG活动整体水平高于A-B段。iEMG与iEMG%顺序从大到小依次为：肱二头肌、屈腕肌、肱三头肌、斜方肌、三角肌、胸大肌、伸腕肌、背阔肌(见表1)。

表1 墙阶段各肌群的iEMG与iEMG%(n=7)

图3 上墙阶段右侧三角肌、肱二(三)头肌、屈(伸)腕肌、斜方肌、背阔肌和胸大肌原始肌电图

2.4上墙阶段右侧腹直肌、臀大肌、股四头肌、绳肌、胫前肌和腓肠肌的原始肌电图、iEMG与iEMG%测定结果

原始肌电图测试结果显示(见图4)，在整个上墙阶段肌肉发力顺序依次为：股四头肌和胫前肌率先同步发力，随后是绳、肌腓肠肌、臀大肌、腹直肌。从振幅特点可以观察到胫前肌的sEMG振幅最大，分别在A-B段和B-C段出现两次峰值；臀大肌被激活的程度最小，仅有几个间断性的小幅度瞬间发力记录；股四头肌处于持续的发力状态，全程保持小幅度高频震动；腹直肌和腓肠肌在B-C段的sEMG活动较A-B段活跃，前者在接近B点处被激活，后者在B-C段中后期sEMG活动消失。各肌肉的sEMG振幅峰值均出现在B点附近。iEMG与iEMG%顺序从大到小依次为：胫前肌、股四头肌、绳肌、腓肠肌、腹直肌、臀大肌(见表1)。

2.5上墙阶段左侧腹直肌、腓肠肌、股四头肌、绳肌、胫前肌和臀大肌的原始肌电图、iEMG与iEMG%测定结果

原始肌电图测试结果显示(见图5)，在整个上墙阶段肌肉发力顺序特点为：除腹直肌外，臀大肌、股四头肌、绳肌、胫前肌、腓肠肌几乎同步被激活。从振幅特点可以观察到(见图5)，腹直肌在B-C段激活程度较高，出现明显的大幅度sEMG活动；臀大肌sEMG活动微弱，在B-C段逐渐消失；股四头肌和胫前肌在A-C段两端sEMG活动较中间明显；绳肌在整个动作过程中处于持续的发力状态，但sEMG活动强度较弱；腓肠肌在A-B段sEMG活动明显、随后持续较长时间的小幅震动直至消失。iEMG与iEMG%顺序从大到小依次为：腹直肌、腓肠肌、股四头肌、绳肌、胫前肌、臀大肌(见表1)。

图4 上墙阶段右侧腹直肌、臀大肌、股四头肌、绳肌、胫前肌和腓肠肌原始电肌图

图5 上墙阶段左侧腹直肌、臀大肌、股四头肌、绳肌、胫前肌和腓肠肌原始肌电图

3 分析与讨论

3.1臂撑攀越高墙上墙阶段，右侧三角肌、肱二(三)头肌、屈(伸)腕肌、斜方肌、背阔肌和胸大肌sEMG特征分析

肌电图的振幅可反映运动中肌肉募集的运动单位数量和肌肉的激活程度；振幅越明显表明参与工作的运动单位数量越多，肌肉激活程度越高，肌肉收缩力量越大[6]。结合技术动作要领和sEMG测试结果分析，在A-B段，当受试者双手拉住高墙上缘时(近B点)，为使身体靠近高墙，三角肌前部纤维远固定完成向心收缩，使肩关节积极向上臂靠拢；肱二头肌远固定完成持续的大幅度向心收缩，使上臂积极快速向前臂靠拢；屈腕肌群完成远固定的向心收缩，屈腕和屈肘，使双手扣紧抓牢，帮助上体靠近墙体；斜方肌完成远固定向心收缩，使脊柱固定；背阔肌和胸大肌在上肢过度前屈拉墙固定后，起到固定肱二头肌附着点的作用；肱三头肌和伸腕肌群协同发力，起到固定关节，提高动作稳定性的作用。表明，在A-B段上肢和躯干肌群的主要作用是克服自身重力收紧躯干，通过三角肌、肱二头肌、屈腕肌群和斜方肌的收缩拉近上体与墙壁的距离。提示，在臂撑攀越高墙的教学训练中，应注重身体靠近墙体技术动作和发展上肢屈肌群力量的练习。

在B-C段，身体靠墙后双臂由拉转为撑起，此时肱二头肌、屈腕肌、肱三头肌、斜方肌、三角肌和伸腕肌仍有明显的sEMG记录，对照同步采集视频分析，在双臂由拉完全转为撑起后，各肌群sEMG活动逐渐减弱，上肢和躯干肌群进入到协同固定支撑阶段。

在对肌肉发力特点进行定性分析的基础上，利用Capture视频同步分析软件对原始肌电图进行处理，计算出iEMG，确定肌肉在该段时间内的发力大小和iEMG%，定量描述肌肉发力水平。在A-C段，上肢和躯干肌群的iEMG与iEMG%排序由大到小依次为：肱二头肌、屈腕肌、肱三头肌、斜方肌、三角肌、胸大肌、伸腕肌、背阔肌(见表1)。提示，应以发展肱二头肌和屈腕肌的力量为主要目标，平衡发展肱三头肌、斜方肌、三角肌、胸大肌、伸腕肌和背阔肌的力量。

3.2臂撑攀越高墙上墙阶段，右侧腹直肌、臀大肌、股四头肌、绳肌、胫前肌和腓肠肌sEMG特征分析

在A-B段，右侧下肢的主要任务是上摆踏上高墙中上部。在右腿上摆时，股四头肌近固定完成向心收缩，使大腿在髋关节处屈；绳肌和腓肠肌近固定完成向心收缩，使小腿在膝关节处屈；胫前肌近固定完成向心收缩，使足在踝关节处背屈。此时，原始肌电图记录到股四头肌、绳肌、胫前肌和腓肠肌均有明显的sEMG活动(见图4)。提示，此时勾脚、收紧小腿、积极前摆大腿，是下肢获得动能的关键环节。

在B-C段，当右脚踏上高墙开始向上蹬伸时，股四头肌、胫前肌和腓肠肌均在B点附近出现sEMG振幅峰值(见图4)。此时，股四头肌远固定完成向心收缩，克服自身重力使大腿在膝关节处伸；腓肠肌和绳肌远固定完成向心收缩，克服自身重力使膝关节伸直；胫前肌远固定完成向心收缩，拉小腿在踝关节处向前，帮助蹬伸；同时，腹直肌持续收缩，表明臂撑阶段有明显的收腹动作。

在A-C段，下肢肌群和腹直肌的iEMG与iEMG%排序由大到小依次为：胫前肌、股四头肌、绳肌、腓肠肌、腹直肌、臀大肌(见表1)。其中，胫前肌的iEMG值和iEMG%数据表现最为突出；提示，在臂撑攀越高墙的教学训练中，应注重对摆动蹬踏墙体一侧腓肠肌的力量训练。

3.3臂撑攀越高墙上墙阶段，左侧腹直肌、臀大肌、股四头肌、绳肌、胫前肌和腓肠肌sEMG特征分析

在A-B段，左侧下肢的主要任务是蹬地起跳。此时，臀大肌远固定完成向心收缩，拉动大腿向后蹬伸；股四头肌远固定完成向心收缩，使大腿在膝关节处伸；绳肌和腓肠肌远固定完成向心收缩，使膝关节伸直；胫前肌远固定完成向心收缩，拉小腿在踝关节处向前。随后左侧下肢腾空，sEMG活动减弱、消失。在B-C段的挂腿环节，腹直肌和股四头肌出现明显的sEMG活动，此时积极收腹、收腿。

在A-C段，下肢肌群和腹直肌的iEMG与iEMG%排序由大到小依次为：腹直肌、腓肠肌、股四头肌、绳肌、胫前肌、臀大肌(见表1)。由于蹬地起跳是瞬间发力动作，因此在教学和训练过程中应注重发展起跳腿肌群的快速力量。

臂撑攀越高墙是由上下肢协调完成的技术动作，但从原始肌电图中可明显观察到，在上墙阶段上肢屈肌群sEMG整体活跃程度要大于下肢肌群sEMG的整体活跃程度，说明此时上肢屈肌群的发力水平要高于下肢肌群。提示，在臂撑攀越高墙的教学训练中，应注更重发展上肢屈肌群的肌肉力量。

4 结论与建议

4.1结论

上肢和躯干肌群的发力顺序为：三角肌、肱三头肌率先同步发力，随后肱二头肌、屈腕肌逐渐发力，接着依次为斜方肌、伸腕肌、胸大肌、背阔肌；摆动蹬踏墙体一侧下肢肌群和腹直肌的发力顺序为：股四头肌和胫前肌率先同步发力，随后是绳肌、腓肠肌、臀大肌、腹直肌；蹬地起跳一侧下肢肌群和腹直肌的发力特点为：除腹直肌外，臀大肌、股四头肌、绳肌、胫前肌、腓肠肌几乎同步被激活。iEMG和iEMG%从大到小依次为：上肢和躯干肌群(肱二头肌、屈腕肌、肱三头肌、斜方肌、三角肌、胸大肌、伸腕肌、背阔肌)；摆动蹬踏墙体一侧下肢肌群(胫前肌、股四头肌、绳肌、腓肠肌、腹直肌、臀大肌)和腹直肌；蹬地起跳一侧下肢肌群(腹直肌、腓肠肌、股四头肌、绳肌、胫前肌、臀大肌)和腹直肌。

4.2建议

在臂撑攀越高墙教学训练中，应注重上体靠近墙体的技术动作练习和摆动蹬踏墙体一侧下肢勾脚、收紧小腿、积极摆动大腿的关键发力动作练习；注重发展上肢屈肌群的力量，以发展肱二头肌、屈腕肌力量为主要目标，平衡发展肱三头肌、斜方肌、三角肌、胸大肌、伸腕肌、背阔肌的力量；注重对摆动蹬踏墙体一侧腓肠肌的力量训练；注重发展起跳腿肌群的快速力量。

[1] 林建棣,包瀛春,陈南生，等.军事体育(下册)[M].北京:国防工业出版社,2012：95—96.

[2] 李玉.表面肌电在体育中的应用[M].上海:复旦大学出版社,2015：59—60.

[3] 曲峰.运动员表面肌电信号与分形[M].北京:北京体育大学出版社,2008：4—5.

[4] 范洪彬,孙有平,季浏.基于表面肌电贡献率的上肢不同力量素质指标年龄、性别通用性研究[J].中国体育科技，2016,52(5):83—97.

[5] Donath L,Kurz E,Roth R,et al.Different ankle muscle coordination patterns and co-activation during quiet stance between young adults and seniors do not change after a bout of high intensity training[J].BMC Geriatr,2015,15(1):19—27.

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TheTelemetryandAnalysisoftheKeyMuscleGroupthatFunctionswhileCrossing400mObstacleHighWall

WU Xiao-nan，ZAN Lei，SUN Bo-wen

(Xi′an Communication Institute of PLA,Xi′an 710106, China)

Objective: The purpose of this essay is to study the sEMG working characteristics of the surface electromyography in the key muscle group that function while crossing 400 m obstacle high wall. Methods: This essay tests and analyzes the original electromyography, iEMG and iEMG% in seven male cadets who did quite well in crossing 400 m obstacle wall by using the analysis method of the sEMG telemetering technique and anatomy combined with Semg synchronal video collecting data. Results: The order of muscle in the upper limb and trunk that function is: toid and triceps brachii; the followed by biceps brachia and flexor wrist muscles, trapezius, extensor wrist muscles, pectoralis major, latissimus dorsi.The order of muscle force while swinging side′s muscles of upper limb and rectus abdominis is that the first is quadriceps femoris and anterior tibial and the second is hamstring, gastrocnemius, gluteus maximus, rectus abdominis. The function characteristic of jumping side′s muscles of upper limb and rectus abdominis is that all the muscles generate their force at the same time except rectus abdominis. The iEMG and iEMG% order from large to small is: muscles of upper limb and muscles of trunk(biceps brachii, flexor wrist muscles, triceps brachii, trapezius, deltoid, pectoralis major, extensor wrist muscles, latissimus dorsi); Swing one side muscles of lower limb and rectus abdominis(anterior tibial, quadriceps femoris, hamstring, gastrocnemius, rectus abdominis, gluteus maximus); Jump another side′s muscles of lower limb and rectus abdomini(rectus abdominis, gastrocnemius, quadriceps femoris, hamstring, anterior tibial, gluteus maximus).

400m obstacle; sEMG; original electromyography; iEMG; iEMG%

G804.6

A

1671-1300(2017)03-0079-06

2017-03-25

吴潇男(1983—)，女，河南洛阳人，讲师。研究方向：运动人体科学与军事体育训练。