大学生排球运动员扣球起跳动作下肢肌肉表面肌电特征研究

贾 谊， 薛瑞婷

(中北大学 体育学院， 山西 太原 030051)

起跳高度是评价排球运动员扣球能力的重要参考指标。[1-3]与高水平运动员相比， 大学生排球运动员由于训练水平和身体条件等原因， 在完成扣球起跳动作时， 往往会出现起跳高度的损失， 从而影响了动作效率。[4]

众所周知， 排球扣球起跳动作是一个由中枢神经系统所支配的， 人体多环节协同配合完成的高度复杂的动作。[5]其中， 下肢肌肉的协同配合与发力尤为重要。 因此， 研究扣球起跳动作过程中的神经调控机制并找到其中的普遍性规律， 对指导运动训练具有非常重要的意义。

表面肌电信号分析技术是一项较为成熟的研究神经肌肉控制机制的技术。 与传统的针电极探测手段相比， 其具有无创性和便携性等特点， 因此， 常被用来进行临床康复的监控和运动员动作技术的分析。[6]本研究旨在通过采集排球运动员扣球起跳过程中， 下肢肌肉的表面肌电信号， 来分析在此过程中， 人体下肢肌肉协调配合的规律和特征， 以此为依据， 给排球运动训练提供相应的指导。

1 研究对象与研究方法

1.1 研究对象

研究对象为大学生排球运动员九名， 平均年龄为21.2±0.83岁， 平均身高为188.18±4.63 cm， 平均体重为83.29±8.41 kg。 参加测试期间无损伤。 运动员基本信息见表 1。

表 1 排球运动员基本信息统计表

1.2 研究方法

1.2.1 数据的采集

本研究采用美国产Noraxon l6导遥测肌电DTS系统对九名大学生排球运动员的扣球起跳动作进行数据采集， 采样频率为1 500 Hz。 使用Basler高速摄像机进行动作视频的采集， 拍摄频率为50 Hz。 动作录像与肌电数据进行同步采集。

实验所需器材包括电极片、 肌肉胶布、 双面胶、 酒精、 棉签等。 提前告知排球运动员测试步骤并做好热身活动， 防止受伤。 粘贴电极时应先对皮肤进行清洁处理， 准确粘贴电极位置， 电极贴于所测肌肉的肌腹位置， 与肌纤维走向一致， 并对其进行适当固定。 对排球运动员的助跑起跳动作进行多次采集， 选取其中三次， 求取平均值。

1.2.2 肌肉的选取

测试选取的是使下肢髋、 膝、 踝三关节活动的主要肌肉， 包括： 股直肌、 股内侧肌、 股外侧肌、 股二头肌、 胫骨前肌、 腓肠肌内侧、 腓肠肌外侧。

1.2.3 动作时相的划分

本研究采集范围为整个起跳阶段(从右脚着地开始到双脚离地结束)， 起跳阶段分为起跳缓冲阶段和起跳蹬伸阶段。 其中， 起跳缓冲阶段从右脚着地(T1时刻)开始到膝关节角度最小(T2时刻)结束； 起跳蹬伸阶段从膝关节角度最小(T2时刻)开始到双脚离地(T5时刻)结束。

1.2.4 数据的处理与分析

本研究使用肌电系统对原始肌电信号进行整流、 滤波、 标准化处理后， 使用MyoResearch XP Master Edition分析软件进行积分肌电等数据的分析。

2 结 果

2.1 起跳缓冲阶段排球运动员下肢肌肉的表面肌电特征

从图 1 可知， 排球运动员右脚着地时， 右腿胫骨前肌和腓肠肌内侧最先开始放电活动； 当膝关节角度最小时， 右腿股内侧肌、 股外侧肌、 股直肌的放电活动最强， 且持续时间较长， 一直持续至双脚离地。 在缓冲阶段， 右腿股内侧肌、 股外侧肌、 胫骨前肌放电活动较强； 在蹬伸阶段， 右腿除股二头肌和胫骨前肌外， 其他肌肉的放电活动较强。

注： T1为右脚着地时刻， T2为膝关节角度最小时刻， T3为左脚着地时刻， T4为右脚离地时刻， T5为左脚离地时刻图 1 排球运动员起跳时右腿肌肉的表面肌电图

从图 2 可知， 排球运动员左脚着地前， 左腿胫骨前肌和股直肌已经提前开始放电； 在左脚着地后， 左腿胫骨前肌和股直肌的放电活动变小， 左腿股二头肌和腓肠肌外侧开始放电活动； 当膝关节角度达到最小时， 左腿股直肌持续放电， 而其他肌肉的放电活动较弱。 在缓冲阶段， 左腿股直肌、 胫骨前肌的放电活动较强； 在蹬伸阶段， 左脚着地后股内侧肌、 股外侧肌、 腓肠肌内侧、 腓肠肌外侧的放电活动较强， 且小腿肌群的肌肉激活持续时间比大腿肌群长。

注： T1为右脚着地时刻， T2为膝关节角度最小时刻， T3为左脚着地时刻， T4为右脚离地时刻， T5为左脚离地时刻图 2 排球运动员起跳时左腿肌肉的表面肌电图

2.1.1 起跳缓冲阶段排球运动员下肢积分肌电值的特征

由表 2 可知， 在起跳缓冲阶段， 排球运动员右

腿股外侧肌的积分肌电值最大， 为361 μVs， 胫骨前肌的积分肌电值也达到300 μVs以上， 说明其在缓冲阶段兴奋性较高， 放电活动较强； 股内侧肌的积分肌电值在250 μVs以上， 肌肉的动员程度也较高； 腓肠肌内侧、 股直肌、 股二头肌和腓肠肌外侧的积分肌电值较小， 在150 μVs左右， 且其中腓肠肌外侧的积分肌电值最小， 说明其在缓冲阶段的放电活动较弱。

由表 3 可知， 在起跳缓冲阶段， 排球运动员左腿胫骨前肌的积分肌电值最大， 为205 μVs， 说明其在缓冲阶段兴奋性较高， 放电量较大； 股内侧肌、 股外侧肌、 股直肌和股二头肌的积分肌电值处于110～140 μVs之间； 腓肠肌外侧和腓肠肌内侧积分肌电值最小， 放电活动一致， 均不足100 μVs， 说明其在缓冲阶段的放电活动较小。

表 2 排球运动员起跳缓冲阶段右腿肌肉的积分肌电值 单位： μVs

表 3 排球运动员起跳缓冲阶段左腿肌肉的积分肌电值 单位： μVs

本研究采用配对样本T检验的统计学方式对排球运动员进行起跳缓冲阶段左右腿积分肌电值的差异比较。 从表 4 中可知： 股内侧肌、 股外侧肌、 股二头肌、 和腓肠肌内侧的P值分别为0.009、 0.007、 0.037和0.008， 由此可知， 在扣球起跳的缓冲阶段， 左、 右股二头肌的肌肉放电量有显著性差异。 左、 右腿股内侧肌、 股外侧肌和腓肠肌内侧的肌肉放电量有非常显著性差异。

表 4 排球运动员起跳缓冲阶段左、 右腿积分肌电值对比

2.1.2 起跳蹬伸阶段排球运动员下肢积分肌电值的特征

由表 5 可知， 在起跳蹬伸阶段， 排球运动员右腿股外侧肌、 股内侧肌的积分肌电值较大， 分别为412 μVs和316 μVs， 说明其是蹬伸阶段使用的主要肌群； 腓肠肌外侧、 腓肠肌内侧的积分肌电值相对较大， 达到200 μVs以上， 说明其是足部完成快速蹬伸动作的主要肌肉； 股直肌、 股二头肌、 胫骨前肌的肌肉贡献率在150 μVs左右， 为蹬伸动作的完成起辅助作用， 其中胫骨前肌的肌肉贡献率最低。

表 5 排球运动员起跳蹬伸阶段右腿肌肉的积分肌电值 单位： μVs

由表 6 可知， 在起跳蹬伸阶段， 排球运动员左腿股外侧肌、 股内侧肌的积分肌电值较大， 分别为429 μVs和350 μVs， 说明其是蹬伸阶段使用的主要肌群； 腓肠肌外侧、 腓肠肌内侧和股直肌的积分肌电值相对较大， 达到200μVs以上， 说明是踝关节完成快速蹬伸动作的主要肌肉； 股二头肌和胫骨前肌的积分肌电值较小； 且胫骨前肌的积分肌电值最小。

表 6 排球运动员起跳蹬伸阶段左腿肌肉的积分肌电值 单位： μVs

本研究采用配对样本T检验的统计学方式进行起跳蹬伸阶段左右腿积分肌电值的差异比较。 从表 7 可知， 在起跳蹬伸阶段， 排球运动员左、 右腿七块肌肉的积分肌电值均无显著性差异， 积分肌电值左腿大于右腿。

表 7 排球运动员起跳蹬伸阶段左、 右腿积分肌电值对比

2.1.3 起跳缓冲阶段排球运动员下肢肌肉贡献率的特征

由表 8 可知， 在起跳缓冲阶段， 排球运动员右腿股外侧肌的肌肉贡献率最大， 为18%以上， 胫骨前肌的肌肉贡献率也达到13%， 说明其在缓冲阶段起着非常重要的作用； 股直肌、 股内侧肌、 腓肠肌内侧的肌肉贡献率在8%左右， 贡献率虽然不高， 但也起着不可或缺的作用； 股二头肌和腓肠肌外侧的肌肉贡献率最小， 说明其在缓冲阶段的利用率较低。

表 8 排球运动员起跳缓冲阶段右腿肌肉的贡献率 单位： %

由表 9 可知， 在起跳缓冲阶段， 左腿胫骨前肌的肌肉贡献率最大， 为7%以上， 说明其在缓冲阶段起着非常重要的作用； 股直肌、 股内侧肌、 股外侧肌、 股二头肌的肌肉贡献率约为4%， 且股直肌和股二头肌的肌肉贡献率较一致； 腓肠肌内侧和腓肠肌外侧的肌肉贡献率最小， 不足3%， 说明其在缓冲阶段的作用较小。

图 3 排球运动员起跳缓冲阶段左、 右腿的肌肉贡献率

从图 3 可知， 起跳缓冲阶段左、 排球运动员右腿肌肉的利用率不均衡， 右腿大于左腿。 右腿股外侧肌和胫骨前肌的利用率较高， 是主要做功肌肉； 大腿肌群中股外侧肌的贡献率最高， 小腿肌群中胫骨前肌的贡献率最高。

本研究采用配对样本T检验的统计学方式对排球运动员进行起跳缓冲阶段左右腿肌肉贡献率的差异比较。 从表 10 可知， 股直肌、 股内侧肌、 股外侧肌、 胫骨前肌、 腓肠肌内侧的P值分别为0.044、 0.001、 0.004、 0.029、 0.007， 由此可知， 在起跳缓冲阶段， 左、 右腿股直肌、 胫骨前肌的肌肉贡献率有显著性差异； 左、 右腿股内侧肌、 股外侧肌、 腓肠肌内侧的肌肉贡献率有非常显著性差异。

表 10 排球运动员起跳缓冲阶段左、 右腿肌肉贡献率对比

2.1.4 起跳蹬伸阶段排球运动员下肢肌肉贡献率的特征

由表 11 可知， 在起跳蹬伸阶段， 右腿股外侧肌的肌肉贡献率最大， 达到13%以上， 股内侧肌的肌肉贡献率也高达8%， 说明其在蹬伸阶段起着非常重要的作用； 腓肠肌内侧、 腓肠肌外侧和胫骨前肌的肌肉贡献率在6%以上， 是完成蹬伸动作的辅助肌群； 股二头肌和股直肌的肌肉贡献率最小， 不足5%， 说明其在蹬伸阶段的利用率较低。

表 11 排球运动员起跳蹬伸阶段右腿肌肉的贡献率 单位： %

由表 12 可知， 在起跳蹬伸阶段， 排球运动员左腿股外侧肌的肌肉贡献率最大， 达到11%， 股内侧肌的肌肉贡献率也高达9%， 说明其在蹬伸阶段起着非常重要的作用； 腓肠肌内侧、 腓肠肌外侧、 股直肌、 股二头肌、 胫骨前肌的肌肉贡献率也在5%以上， 肌肉活动分配较均匀， 无较大或较小数据的存在。

表 12 排球运动员起跳蹬伸阶段左腿肌肉的贡献率 单位： %

图 4 排球运动员起跳蹬伸阶段左、 右腿的肌肉贡献率

从图4可知， 在起跳蹬伸阶段， 排球运动员左、右腿肌肉贡献率差距较小。 除股外侧肌和腓肠肌外侧之外， 其余五块肌肉的贡献率均是左腿高于右腿， 且左、 右腿股外侧肌和腓肠肌外侧的肌肉贡献率差值较其他肌肉的大； 排球运动员在完成整个蹬伸动作时， 大腿肌群中股外侧肌的肌肉贡献率较高； 小腿肌群中的各肌肉贡献率大小较一致。

本研究采用配对样本T检验的统计学方式对排球运动员进行起跳蹬伸阶段左、 右腿肌肉贡献率的差异比较。 从表 13 可知， 在起跳蹬伸阶段， 左、 右腿七块肌肉的献率没有显著性差异。

表 13 排球运动员起跳蹬伸阶段左、 右腿肌肉贡献率对比 单位： %

3 分析与讨论

在起跳缓冲阶段， 排球运动员的左、 右腿股内侧肌、 股外侧肌、 股二头肌和腓肠肌内侧的积分肌电值存在显著性差异的原因可能是： 首先， 右腿作为优势侧， 其积分肌电值大于左腿， 且膝关节作用肌肉股内侧肌、 股外侧肌为右腿主要发力肌肉， 右腿大于左腿； 其次， 在起跳缓冲阶段， 排球运动员左、 右膝关节活动的不同， 导致左、 右腿股二头肌产生较大的差异； 另外， 排球运动员是助跑起跳， 没有制动， 依靠右腿助跑并起跳， 肌肉会连续性使用， 为辅助大腿肌群做制动动作， 腓肠肌内侧的放电活动会比较强， 左腿作为摆动腿， 其腓肠肌内侧的放电活动本身较弱， 会造成左、 右腿腓肠肌内侧的积分肌电值产生显著性差异。

在起跳蹬伸阶段， 排球运动员的左、 右腿肌肉的积分肌电值均无显著性差异， 其原因可能如下几点： 第一， 排球运动员在起跳蹬伸阶段， 为保证动作稳定性而有意识地牺牲了部分起跳高度。 有学者认为， 虽然双脚起跳的高度仅有单脚起跳高度的50%[7,8]， 但其稳定性却是单脚起跳时的2～3倍。[9,10]很显然， 在本研究中， 排球运动员通过中枢神经系统的调控， 将更多的精力放在了对击球点准确性的把控上， 这就势必会影响到其下肢肌肉的协同模式， 根本原因还是由于他们训练水平或技能水平有限， 继而对击球时间和击球点的把握不够精准导致。 第二， 与其他项目不同， 排球扣球起跳动作需要运动员双臂同时下摆， 以最大程度降低人体重心的方式进行制动， 以防止身体触网犯规。 这种摆臂方式也决定了排球扣球起跳动作， 在起跳蹬伸阶段必须以双脚同时发力的方式起跳， 否则， 会出现由于身体前冲过猛而触网犯规的情况。

在起跳缓冲阶段， 排球运动员的左右腿股直肌、 股内侧肌、 股外侧肌、 胫骨前肌、 腓肠肌内侧的肌肉贡献率存在显著性差异的原因可能是： 首先， 缓冲阶段的时候是右腿先发力且持续时间长， 左腿后发力且持续时间短， 就会造成左、 右腿肌肉的贡献率存在显著性差异； 其次， 缓冲阶段右腿为控制膝关节角度， 大腿前侧肌群的贡献率会较高， 大腿后侧股二头肌贡献率低， 左腿作为摆动腿， 股二头肌的贡献率不高； 最后， 左、 右脚在缓冲过程中无脚尖朝外的动作， 腓肠肌外侧的贡献率均比较低。

在起跳蹬伸阶段， 排球运动员左、 右腿肌肉贡献率均无显著性差异的原因可能是： 蹬伸阶段由于身体重心由右腿过渡到左腿， 双脚同时蹬地， 为克服身体重力， 表现出左腿肌群放电总量较大， 但为维持机体平衡， 放电量不会存在较大差异。

股直肌在排球运动员整个起跳动作中起到的作用不是很大， 而股内侧肌、 股外侧肌在其起跳缓冲和蹬伸阶段则起到非常重要的作用。 这可能与排球运动员在起跳过程中的蹬转动作有关。 在本研究中， 排球运动员是在二号位和四号位的位置做扣球起跳动作， 助跑方向都是斜向球网， 而在落地后， 身体又转向正对球网方向， 因此， 在起跳过程中， 需要排球运动员大腿两侧， 即股内侧和外侧肌群发力， 从而完成运动员身体的转向。

4 结 论

在起跳缓冲期， 排球运动员的右腿为主要发力腿， 双腿肌电信号呈现不同时序特征； 在完成排球扣球起跳动作时， 其中枢神经系统对下肢肌肉的控制存在协同性和非对称性特征； 在起跳蹬伸阶段， 左右下肢肌肉表现出比缓冲阶段更高的协同性。

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