我国优秀速度攀岩运动员专项攀爬过程的能量代谢和上下肢肌肉表面肌电分析

郭 峰，王健壮，张 宁

（1.沈阳体育学院运动人体科学学院，辽宁沈阳110102；2.大连理工大学体育教学部，辽宁 大连116024；3.国家体育总局登山运动管理中心，北京100763）

攀岩运动已经成为2020年东京奥运会的正式比赛项目。攀岩运动在中国经过十多年，特别是近几年的发展，已初具规模，并吸引了越来越多的年轻人参加，发展前景十分可喜。

国内有关竞技攀岩运动的科学化训练以及运动医务监督方面的研究几乎是空白，目前只检索到一篇有关竞技攀岩运动员训练监控方面的研究文献，是刘传勤等人对我国优秀攀岩速度赛运动员赛前血乳酸与心率变化特征进行了探究［1］。最近，国内有学者开始研究攀岩运动的生物力学特征，例如汪海军对两名优秀攀岩运动员窜跳动作进行了生物力学分析［2］、蔡勇等人对速度攀岩运动员的起跑动作进行了分析［3］。另外，国内外学者利用表面肌电技术对攀岩运动员上肢肌肉的工作情况进行了测试。有关攀岩运动研究较多的是利用表面肌电判断攀岩运动员前臂在承担一定负荷条件下其肌肉的疲劳情况，例如田鲜花等人在实验室内观察了攀岩运动员在攀爬过程中前臂肌肉疲劳时表面肌电信号的变化特征［4］。国外Watts等人观察了高水平攀岩运动员手指承受不同力量负荷时在不同间歇休息时间下对前臂屈指肌表面肌电信号的影响［5］。他们发现休息1min和休息3min时对受试者攀爬时指屈肌表面肌电的峰值幅值没有影响。即使攀岩运动在国外发展的比较快，但是更多有关攀岩运动的科学研究也仅仅主要集中在攀岩运动损伤以及手指发力特征方面［6－8］。

实际上以上这些学者在对攀岩运动进行研究时都脱离了专项动作，也就是说他们的研究不能真正反映运动员在完成专项攀爬动作中的生物学特点，而且他们的研究对象通常是大学生院队水平的受试者。鉴于目前体育科研手段对攀岩运动项目研究的限制［9］，直到目前为止，在国内外的研究中很少见到有研究人员对攀岩运动员的15m专项攀爬训练进行系统的生物学监测和诊断。笔者尝试使用便携式仪器设备，通过采集我国优秀攀岩（速度赛）运动员专项训练过程血乳酸、心率、肌电以及视频动作，进而了解速度攀岩运动项目的能量代谢特点以及神经肌肉控制特点，力图为我国能够继续培养出优秀的速度赛攀岩运动员以及备战2020年东京奥运会提供理论和训练学依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

以国家攀岩集训队的速度攀岩项目运动员为研究对象，共12名优秀运动员，其中男子6名运动员，身高为（171.2±2.1）cm，体重为（65.2±4.8）kg，年龄（23.1±1.1）岁，训练年限（6.2±1.2）年；女子6名运动员，身高为（162.1±3.4）cm，体重为（54.2±4.1）kg，年龄（21.3±1.3）岁，训练年限（5.6±0.9）a。在测试开始前，向受试者讲清楚实验过程，每一名受试者都自愿参加本研究，而且填写了知情同意书。

1.2 研究方法

1.2.1 实验设计

以攀岩速度赛运动员攀爬过程为观察对象，采集受试者在运动过程中的心率、完成全程15 m攀爬后3 min测试受试者的血乳酸。同时在受试者全程攀爬过程中采集受试者双侧上下肢肌肉的表面肌电信号和视频信号。

1.2.2 实验程序

在正式实验测试前，受试者进行30 min的热身运动，主要包括拉伸练习、慢跑。热身过程中将无线遥测心率带佩戴在每个运动员身上，以便观察运动员在热身过程中的运动强度。

热身运动过后为运动员的上下肢相关肌肉粘贴表面肌电电极，然后用弹性绷带将表面电极连线捆绑好，以便电极线的移动影响运动员的技术动作和表面肌电信号。正式实验时运动员在开始运动前，测试者利用遥控器发送一个同步信号，这个同步信号分别发送给肌电采集器和摄像机，待观察收到同步信号后，发出指令让运动员开始运动。运动员在完成全程15 m的攀爬距离后，即刻记录下受试者的运动时间。待运动员运动休息3 min后，采取受试者耳血进行血乳酸测试。

1.2.3 实验器材与材料

ME6000－16无线遥测表面肌电仪（芬兰，ME6000，带通滤波，信噪比，），便携式血乳酸仪（日本），一次性表面电极（申风，上海），血乳酸试剂条（日本）、弹性绷带、75%酒精棉球、一次性采血针、笔记本电脑、高清常速摄像机、三脚架。

1.2.4 数据采集与分析

1.2.4.1 心率采集与分析 对于心率数据来说，Sunto遥测心率团队包的采样频率设置为10 Hz。记录受试者在整个训练过程中的心率情况。包括受试者在攀爬15 m竞赛距离时的最大心率值。

1.2.4.2 表面肌电采集与分析 对于表面肌电信号数据来说，分别选取左右侧下肢的胫骨前肌、腓肠肌内侧头、股外侧肌；左右侧背阔肌；左右侧上肢的肱三头肌长头、肱二头肌、前臂屈指肌群、前臂伸指肌群，共16块肌肉［10］。数据采集模式采用原始肌电信号模式，采样频率设置为1000 Hz，同步采集视频信号。在粘贴电极前，用砂纸打磨皮肤，去掉皮肤的角质层，然后用酒精擦拭干净，自然风干后粘贴电极。肌电信号的记录模式采用双极记录，即两个记录电极和一个参考电极，两个记录电极置于肌肉的最大隆起处，同时注意避开神经肌肉支配区；两个记录电极的距离为2 cm，其连线方向与基线走形方向平行，参考电极与两个记录电极成等边三角形。

利用外触发同步法对肌电信号和视频信号进行单点同步，即肌电信号出现Marker时刻与视频信号中信号灯出现亮点的视频画面作为同步点，从而完成单点同步。

肌电信号同步完成后，对原始肌电信号通过均方根振幅法（RMS）进行全波整流，即将全部的肌电幅值变成正电压幅值［11］。然后求出每一个攀爬动作中相关肌肉sEMG的RMS平均值。

1.2.4.3 血乳酸采集与分析 在运动员完成每次攀爬后3 min时采集受试者的耳血进行血乳酸测试，用75%酒精棉球对耳垂进行消毒处理，使用一次性采血针采集运动员的耳血。第一滴血擦拭掉不用，取第二滴耳血作为测试样本。血乳酸测试使用微量血测试法，将血液吸到一次性血乳酸试剂条上，等待60 s后即出现血乳酸结果。测试前先用校正试剂条对便携式血乳酸仪进行校正，然后进行正式测试。

1.2.5 数理统计法

使用统计软件SPSS16.0和GraphPad 5.0进行统计学分析和做图。为了探讨攀岩速度项目运动员能量代谢特征，将运动员运动过后血乳酸浓度、最大心率与运动成绩进行相关分析。另外，为了评价运动员的神经肌肉疲劳特点，将运动员运动初始与运动后段相关肌肉的肌电幅值进行了配对样本T检验，将运动员左右侧肢体相关肌肉的表面肌电信号进行配对样本T检验。显著性标准为0.05。

2 结果

2.1 心率、血乳酸与运动成绩

本次调查的男女速度攀岩运动员血乳酸、最大心率和运动成绩指标如表1所示：运动员在完成15 m速度攀爬休息3 min后的血乳酸水平在5.2～7.7 mmol／L；运动后出现最大心率，其范围在161～185次／min，运动员的成绩在 7.2～13.8 s。其中男子运动员子运动后 3 min血乳酸水平为（5.8±0.76）mmol／L，女子为（6.8±0.76）mmol／L。男子运动员在全力攀爬过程中的最大心率为（175.1±8.63）beat／min，女子运动员为（165.8±5.64）beat／min。男子运动员平均成绩为（8.1±0.81）s，女子运动员的平均成绩为（11.8±1.22）s。鉴于体能水平不同，可见男女运动员的成绩和肌肉能量代谢之间存在明显差异。

表1 男子和女子运动员血乳酸、最大心率以及运动成绩

为了全面评估速度攀岩项目的能量代谢特点，笔者观察了全部男女运动员在15 m攀爬过程中最大心率、血乳酸和运动成绩之间的关系，对这些指标之间进行了线性相关分析（图1）。结果发现运动成绩与运动员15 m速度攀爬后的最大心率之间呈负相关关系（r＝－0.56，P＝0.056，R2＝0.31），说明速度攀爬运动员运动中动员的心率越大其运动成绩越好。同时运动员的运动成绩与运动员15m攀爬后3 min的血乳酸也呈现正相关关系（r＝0.59，P＝0.043，R2＝0.35），即运动员在运动过程中产生的血乳酸越高其运动成绩越差。

图1 运动过程中最大心率、血乳酸与运动成绩之间的相关性

2.2 动作结构特征与肌电特征

运动员在完成动作时，动作结构特征明显，一侧下肢蹬伸—蹬伸过程中同侧上肢抓握点—对侧下肢蹬伸—蹬伸过程中同侧上肢抓握点。这种周期性动作使得上下肢肌肉轮流工作，其运动过程中上下肢肌肉的表面肌电信号如图2所示。

从图3和图4可以看出，速度攀岩运动员在完成周期性攀爬过程中上肢相关肌肉（肱二头肌、肱三头肌、指屈肌、指伸肌）的表面肌电幅值逐渐增加，其中右侧上肢肱二头肌（P＜0.01）和指屈肌（P＜0.05）的肌电幅值与运动初始相比显著增加，而且对于左侧来说这些肌肉的肌电幅值增加的幅度更大（图4）。但是在速度攀爬过程中下肢肌肉表面肌电信号幅值变化不大，并没有出现显著性增加的变化。在本研究中发现尽管在攀爬过程中左右侧上肢肌肉的表面肌电信号幅值都增加了，但是左侧增加得更为明显，为此进一步将运动初始与运动后期左右肢体的表面肌电信号的电活动总量进行了比较（图5），发现在运动后段左侧肢体肌肉的放电总量要显著高于右侧。

鉴于指屈肌和肱二头肌在整个运动过程中的变化最明显，本研究观察了速度攀爬运动员指屈肌和肱二头肌sEMG的频域变化，如图6所示。左右侧指屈肌和肱二头肌表面肌电信号的频谱成分MPF随着运动的进行显著下降，说明肌肉发生了明显的疲劳现象。

图2 1名速度攀岩运动员15 m攀爬过程中的相关肌肉表面肌电信号

图3 全部受试者在运动初始和运动后段右侧上下肢肌肉sEMG的RMS幅值变化

图4 全部受试者在运动初始和运动后段左侧上下肢肌肉sEMG的RMS幅值变化

图5 全部受试者左右侧上下肢肌肉sEMG的电活动总量比较

3 讨论

3.1 速度攀岩15 m专项攀爬的能量代谢特征

从本研究的数据能够推测攀岩速度赛是以ATP CP供能为主，并伴有血乳酸供能。数据显示女子运动员的成绩要低于男子运动员，同时伴随着较高的血乳酸水平。从其中1名训练年限较短、训练水平较低的女子受试者的数据可以看出其运动成绩较低（13.8 s），同时伴随着机体产生较高的血乳酸（7.7 mmol／L），说明该运动员机体内 ATP CP能源系统的供能较差。其原因有两个：1）ATP CP能源物质储备量低；2）ATP CP产能效率低，即相关代谢酶活性低。众多研究表明ATP CP是体内的快速功能物质，其快速供能时间在6～8s［12］；如果其储备量低，机体就会动用另外一个供能系统来参与供能——糖酵解供能系统，但是糖酵解供能系统的供能速率要比ATP CP供能系统的功能速率低，同时还会产生代谢产物血乳酸，而血乳酸会刺激机体，使机体产生疲劳，工作效率下降。大量的血乳酸堆积甚至使个人产生疼痛感而无法继续运动。从研究结果能够看出该名运动员的血乳酸水平最高，其运动成绩也是最慢，就是因为其在运动过程中更多地依赖糖酵解供能，而糖酵解供能的速度要比ATP CP供能系统慢，同时还会刺激机体使其工作效率下降。另外，本研究发现运动水平高的运动员其心脏的动员能力强，在最大强度运动中能够达到较高的心率水平。

总体来说，从心率、运动成绩以及血乳酸之间的关系中，我们能够判断速度攀岩运动员训练水平越高其血乳酸水平越低，运动成绩就越好。同时，训练水平高、运动能力强的运动员在运动过程中能达到更高的最大心率水平。

3.2 攀岩运动员15 m专项攀爬过程中神经肌肉疲劳特征

从原始肌电图中，我们可以看出在运动员整个攀爬过程中受试者上下肢肌肉都参与工作，而且这种肌肉活动是周期性、交替性进行的。与下肢肌肉的表面肌电信号相比，上肢的指屈肌和指伸肌的放电时程较长，平均时程达到0.9 s，但是电位幅值很高，说明在完成技术动作过程中前臂的指屈肌非常重要，另外指伸肌与指屈肌放电模式相同，这可能是通过肌肉共激活的形式激活指伸肌［13］。通过肌电和视频同步分析，可知指屈肌和指伸肌几乎以相同的模式同时收缩，其目的主要是通过手抓握攀点固定身体姿势，起固定肌的作用，所以指屈肌和指伸肌的放电时程比较长，属于等长收缩。指屈肌和指伸肌同时收缩主要是以中枢神经系统的共激活途径来完成的。拮抗肌共激活或者说主动肌与拮抗肌的同时收缩可以提高关节的刚度，提高关节的稳定性。肌肉共激活主要受中枢对主动肌和拮抗肌的调节，其他旁路也已经被证明参与调节主动肌和拮抗肌的共激活。高位神经中枢会发出神经冲动兴奋脊髓处的闰召细胞，当闰召细胞激活时，可以抑制Ia交互抑制性中间神经元，这样会使对拮抗肌产生去抑制化，使拮抗肌收缩加强。这提示运动员在平时训练中除了训练指屈肌练习外，还要加强指伸肌的力量。

另外，本研究有一个特殊的现象，即运动员在运动初始时左右侧肢体总体电活动总量相近，但是当运动后段与运动初始相比，左右侧肢体肌肉的电活动量水平都增加了，其中左侧肢体肌肉的电活动水平增加的更明显。这种电活动量增加是机体疲劳的一种表现。鉴于肌肉疲劳的发生，机体要通过募集更多的运动单位来维持当前的运动状态。随着运动持续进行，肌肉内能源物质消耗得不到及时补充，再加上代谢产物的堆积，肌肉就会发生疲劳。但是，运动员为了每一次收缩都能够达到目标力水平，他们的大脑需要不断激活脊髓处更多的运动神经元，以便募集更多的肌纤维进而补偿疲劳的肌纤维，保证力量输出水平不变。因此，在运动员肌肉疲劳过程中肌肉表面肌电信号的幅值增加，这正是机体外周肌肉疲劳过程中大脑中枢进行调控的一种表现。同时，表面肌电信号的频域变化情况也证明了运动员在攀爬过程中肌肉发生了疲劳现象，尤其是肱二头肌和指屈肌这些小肌群发生了明显的疲劳。

进一步分析，发现右侧肢体在运动过程中中电活动量增加主要是肱二头肌，而左侧几乎所有肌肉的放电量都要高于之前的水平，其中指屈肌、肱二头肌、背阔肌和肱三头肌更为明显，说明在运动后段运动员更多地通过动用左侧肢体肌肉来完成最后的运动任务，这可能是机体运动单位“轮换工作”的结果。很多学者试图采用一些实验验证运动单位“轮换工作”的存在。例如国外有学者以小强度诱发受试者斜方肌疲劳，他们发现在试验结束时有部分阈值较高的斜方肌运动单位被激活，而之前激活的低阈值运动单位处于“安静休息”状态。但是这种现象在试验开始前几分钟并不明显，因为安静的运动单位在休息一段时间后可以被重新激活，因而在运动开始的时候并没有动员高阈值的运动单位。作者推测人体运动单位可能通过替代方式保护之前工作的运动单位免遭损伤［14］。在另一项研究中，国外的Sogaard［15］记录了人体肘关节以10%MVC强度进行静力性和动力性屈曲动作时单个运动单位的工作情况，他发现当一个运动单位被募集并且放电率增加时，另一个运动单位则表现为电活动发放率降低，最终停止其电活动。Cote等人［16］比较了人体在拉锯过程中疲劳状态下神经肌肉发生的变化。他们发现当人体拉锯后期发生疲劳时，尽管这个动作幅度没有发生变化，但是仔细观察后发现受试者肘关节的运动幅度降低，而肩关节和腕关节运动幅度增加，进而弥补疲劳带来的不利影响。因此，即使在肘关节处发生了肌肉疲劳，人体系统会利用自身运动装置的“冗余性”来维持末端关节必要的运动轨迹。而且我们之前还从大脑中枢激活的水平证明了运动疲劳过程中存在运动单位轮换工作的机制［17－18］。我们前期的研究发现，随着肌肉疲劳程度的加深大脑相关皮质激活区域表现更多地在运动同侧大脑半球以及大脑前部和深部。而本研究发现运动员在攀爬过程中左侧肢体肌肉电活动代偿性增加，这些整体运动行为的变化可能是由于运动过程中高级中枢大脑皮质感觉运动区的激活源发生移动引起的。另外，还有一个原因可能是目前我国速度攀岩运动员的左侧上肢肌肉力量普遍偏弱，所以表现出左侧上肢小肌肉群更容易疲劳。

4 结论

运动水平低的运动员运动后血乳酸水平高，同时伴随着较高的心率水平，从数据中能推测攀岩速度赛运动员是以ATP CP供能为主，并伴有糖酵解供能。另外，本研究发现对于速度攀岩运动员来说，上肢小肌肉群更容易疲劳，下肢大肌群没有发生显著疲劳，而且发现左侧上肢肌肉力量较弱，应该加强左侧上肢小肌群的肌肉力量。