腰伸肌群疲劳对上肢鞭打动作生物力学特征的影响及生理原因探析

邢聪 陈建强 项贤林 王震 花妙林 孔繁辉 吴瑛

1 复旦大学体育教学部（上海200433）

2 上海体育学院体育教育训练学院（上海200438）

腰伸肌群主要包括竖脊肌腰段和腰方肌，以及筋膜等腰椎周围肌肉附属组织，是人体核心肌肉群的重要组成部分[1]。腰部生理结构独特，在剥离了肌肉组织的脊椎结构中，只要施加2 kg 或20 N 的压力，人体脊柱就会产生严重的弯曲和变形[2，3]。因此，腰椎在人体运动时要保持时刻稳定，就依赖于包括腰伸肌群在内的腰部周围肌肉收缩产生力来支持。腰伸肌群的解剖结构和功能的特殊性，使腰伸肌群相比于其他肌肉从疲劳中恢复的周期更长。在以上肢鞭打技术为主要特征的隔网对抗项目中，常有多拍相持阶段，运动员表现出长时间大强度的连续上肢鞭打运动，这会造成腰伸肌群疲劳。因此，在日常训练和比赛中，存在运动员腰伸肌群疲劳尚未及时恢复就又进行大负荷运动的情况。现有对腰伸肌群疲劳的研究主要集中于人体做静止站立或腰椎屈伸这一类简单身体活动时脊柱的稳定性及平衡状态变化等[4]。但在竞技运动中，运动技术表现为冲击力大、人体多环节参与的特点。腰伸肌群疲劳会对这一类运动技术产生怎样的影响尚不明确。

鉴于上述，本研究运用运动生物力学测量及分析手段，探讨运动员在腰伸肌群疲劳状态下上肢鞭打动作的生物力学特征变化及其对上肢鞭打效果的影响。此外，通过对比疲劳前后上肢鞭打动作主要肌肉的表面肌电活动情况，从神经-肌肉层面分析腰伸肌疲劳对上肢鞭打动作产生影响的生理学机制。

1 对象与方法

1.1 研究对象

以16 名羽毛球运动员为研究及测试对象。其中包括5 名国家一级运动员和11 名国家二级运动员，年龄在19～26岁之间。受试者无严重腰部损伤经历，且实验前3天没有进行过大负荷运动训练。

1.2 研究方法

1.2.1 实验步骤

具体步骤包括：（1）受试者熟悉实验流程并热身；（2）借助多关节等速肌力测试及训练系统（Con-Trex，瑞士产）对受试者未疲劳状态下的腰伸肌群最大自主收缩（maximal voluntary contractions，MVC）力矩进行测量，这一步骤的数据用于评定腰伸肌群力矩下降程度；（3）腰伸肌群未疲劳状态下的上肢鞭打动作生物力学信息采集；（4）受试者进行腰伸肌群疲劳活动，使腰伸肌群疲劳；（5）腰伸肌群疲劳状态下的上肢鞭打动作生物力学信息采集。

1.2.2 动作阶段划分

为了更加深入地了解及分析技术动作的细节，同时便于分析上肢鞭打动作的运动学特征，我们将羽毛球鞭打击球动作分为两个阶段：第1 阶段为侧身准备阶段，从受试者静止准备状态到侧身、右脚后撤接触地面一刻为止；第2阶段为挥拍击球阶段，从受试者右脚接触地面到击球完成后双脚都离开测力台为止。动作阶段划分如图1所示。

图1 羽毛球杀球动作阶段划分

1.2.3 测量指标

（1）运动学指标

计算挥拍击球阶段，腰伸肌群疲劳前、后受试者鞭打侧手部线速度的峰值以及髋、肩、肘、腕四关节的峰值角速度。上肢鞭打动作具有人体各环节按照一定的顺序依次加速及制动产生并传递动量矩，使末端环节获得最大速度的一般规律[10，11]。因此，我们可以通过对比腰伸肌群疲劳前、后环节速度的变化来研究腰伸肌群疲劳对鞭打效果的影响。

此外，我们记录侧身准备及挥拍击球两阶段，肩轴与髋轴在人体水平面上投影所形成的角度差（下文中简称肩、髋相对角度差）。挥拍击球阶段肩、髋相对角度差的峰值就是挥拍击球时人体“超越器械”状态的最大幅度。上肢鞭打动作中人体“超越器械”幅度越大，为末端环节加速蓄积的弹性势能越大，鞭打效果也越好。

（2）肌电指标

记录挥拍击球阶段，受试者16 块主要肌肉每0.125 s 等距时长中的均方根（root mean square，RMS），取挥拍击球时段内RMS 均值及峰值（由于挥拍击球段是一段持续的时间，此时间段内有n 多个0.125 s 内的RMS 值，此时段内的n 个RMS 的均值及峰值，可以反映挥拍击球时段内躯干肌肉的总体激活情况）进行腰伸肌群疲劳前、后的对比，用以研究挥拍击球时腰伸肌群疲劳对躯干及上肢主要肌肉激活程度的影响。所测16块肌肉如表1所示。

表1 16块测量肌肉名称

1.2.4 生物力学信息采集与处理

使用Vicon 红外摄像头的运动捕捉系统（Vicon T4，Oxford，UK）对受试者进行原地杀球过程中的52个Mark 标记点进行三维运动轨迹追踪，采样频率为200 Hz。并利用Noraxon 遥测肌电测量系统（Noraxon U.S.A）对受试者在上肢鞭打过程中的16 块主要肌肉进行sEMG数据收集，采样频率3000 Hz。利用同步器将Vicon和Noraxon两系统进行时间同步。

使用Vicon 红外高速摄像系统配套的Nexus（Version 1.7.1）对受试者52 个Mark 点进行命名和修补，之后用Visual3D 软件建立人体环节模型，并对运动学数据进行滤波、除噪等处理。利用MR3（MyoResearch 3）软件对所获得的肌电数据进行滤波、截取等处理，获得所需要的肌电数据。

1.2.5 腰伸肌群疲劳方案

（1）疲劳活动

腰伸肌群疲劳活动采用腰伸肌群疲劳研究中被广泛使用的疲劳方案，即改进的Sorenson 腰伸肌群疲劳活动[5]：使受试者平卧于Roman 椅上，髋关节前屈60°。双脚固定于Roman 椅后端的阻拦板，髂前上棘与Roman椅上端边缘平齐，上身水平探出与地面平行，双手放于耳后，如图2。

图2 腰伸肌群疲劳方案-肌肉等长收缩运动姿势

为使腰伸肌群疲劳，受试者完成多组伸腰活动。每组伸腰活动包括30 s 腰伸肌群伸展运动及30 s 腰伸肌群等长收缩。腰伸肌群伸展运动：使受试者从腰椎自由弯曲状态伸展到与地面水平位置，活动范围大约60°。设定电子节拍器为60次∕min，受试者跟节拍器节奏进行伸腰活动，持续30 s。腰伸肌群等长收缩：受试者腰伸肌群静力性收缩，使躯干与地面保持平行，持续30 s。每组疲劳活动共约1 min，组间休息30 s，从第6组疲劳活动开始，每完成一组疲劳活动即测量1次腰伸肌群MVC 力矩。当腰伸肌群瞬时MVC 力矩值下降到未疲劳时的MVC 力矩值的60%及以下时，停止疲劳活动。

（2）腰伸肌群疲劳指标

运动疲劳的概念是：机体不能保持其机能在某一特定水平上，或者机体不能维持某一预定运动强度的生理现象[6]。因此，肌肉收缩力量下降意味着肌肉疲劳产生。此外，在肌肉疲劳的研究中发现，肌肉疲劳收缩时，肌电频率谱会向更低的频率偏移，因此，对中值频率（median frequency，MF）的分析可以用作评估肌肉疲劳[7-9]。综上，我们通过测量受试者腰伸肌群最大自主收缩（MVC）力矩的下降程度以及受试者在Sorensen 测试中竖脊肌腰段肌电中值频率随时间变化的斜率，来判定腰伸肌群是否达到疲劳状态。

通过多关节等速肌力测试及训练系统（Con-Trex，瑞士产）测量受试者腰伸肌群最大自主收缩力矩。此外，利用肌电仪对受试者完成第3 组30 s Roman 椅腰伸肌群持续等长收缩活动时的竖脊肌腰段肌电信号进行记录。30 s时长中每1 s长度中截取250 ms等距窗口的MF 均值，利用最小二乘线性回归计算腰伸肌群MF随时间变化的斜率（MF∕s）。

1.2.6 统计学分析

利用SPSS21对受试者腰伸肌群疲劳前、后所收集到的数据进行配对样本t检验，数据显著性水平设为P=0.05，非常显著性水平设为P=0.01。

2 结果

2.1 疲劳活动中腰伸肌群MVC力矩及MF的变化

表2显示，16 名受试者在疲劳前腰伸肌群MVC 力矩平均值为392.74 N·m，疲劳后平均值为219.95 N·m，腰伸肌群疲劳后力矩值平均下降到疲劳前平均力矩值的56.03%。且除1 名受试者外，其余15 名受试者腰伸肌群MVC 力矩均下降到未疲劳时的60%及以下，低于目标力矩值。

表2 疲劳前后受试者腰伸肌群MVC力矩下降程度比较（n=16）

如表3所示，16位受试者竖脊肌腰段肌电MF随时间的变化斜率都呈现出负值，斜率平均值左侧竖脊肌约为-0.375 ± 0.181，右侧竖脊肌约为-0.387 ±0.130。说明在Sorensen测试最初的30 s肌肉等长收缩活动中，竖脊肌腰段MF随时间的推移均出现逐渐降低的现象。我们取16名受试者MF在每个时间点的平均值得到图3，发现16名受试者竖脊肌腰段MF的平均值随时间的延长而呈现出线性下降的趋势，这进一步说明Sorensen 疲劳活动可以造成左右腰椎竖脊肌肌电频率谱向更低的频率偏移，能较好地引起腰伸肌群疲劳。

表3 竖脊肌腰段等长收缩中肌电中值频率随时间变化的斜率（MF/s，n=16）

图3 左、右侧竖脊肌等长伸展收缩时受试者平均肌电中值频率随时间变化的斜率（n=16）

在本次疲劳活动中，疲劳方案引起了各个受试者竖脊肌腰段肌肉肌电中值频率随时间逐渐下降，且腰伸肌群最大自主收缩力矩有明显下降。综合以上两指标变化，说明腰伸肌群在疲劳方案中无法维持其力量输出在初始水平上，腰伸肌群疲劳活动引起了受试者腰伸肌群疲劳。

2.2 腰伸肌群疲劳对手部线速度及髋、肩、肘、腕角速度的影响

通过分析手部线速度的时空特征，发现手部线速度会在临近击球点的时刻达到峰值。我们比较了16名受试者在腰伸肌群疲劳前、后挥拍击球阶段鞭打侧手部线速度的峰值，结果发现腰伸肌群疲劳后鞭打侧手部线速度的峰值较疲劳前产生了差异（P=0.028）。16名受试者疲劳前，手部峰值线速度均值为14.908 m∕s，疲劳后为14.220 m∕s，下降了0.688m∕s。这说明腰伸肌群疲劳后，受试者上肢鞭打动作手部线速度峰值较疲劳前普遍下降。由于上肢鞭打的最终目的是使末端环节获得最大速度，因此可知腰伸肌群疲劳降低了上肢鞭打效果。

同时我们对疲劳前、后挥拍击球阶段，髋、肩、肘、腕四关节峰值角速度进行了比较，结果如表4。腰伸肌群疲劳后的挥拍击球阶段，受试者髋、肩、肘三个关节的角速度峰值与疲劳前产生了差异。且三关节的角速度峰值在腰伸肌群疲劳后相比于疲劳前分别下降了46.340°∕s、293.598°∕s、91.773°∕s。这说明腰伸肌疲劳降低了挥拍击球过程中髋、肩、肘三关节的活动速度。

表4 疲劳前后四关节峰值角速度变化（°/s，n=16）

2.3 腰伸肌群疲劳对髋、肩相对角度差的影响

表5是腰伸肌群疲劳前、后受试者侧身准备及挥拍击球两个阶段，肩、髋相对角度差峰值的比较。由表5可知，侧身准备阶段和挥拍击球阶段的肩、髋相对角度差峰值相比于腰伸肌群疲劳前均产生了差异。侧身准备阶段肩、髋相对角度差峰值在疲劳后相比于疲劳前平均下降0.94°。挥拍击球阶段肩、髋角度差峰值，即“超越器械”，疲劳后相比于疲劳前平均下降了2.61°。从以上数据来看，腰伸肌群疲劳后侧身准备时肩、髋相对活动幅度较疲劳前更小；挥拍击球过程中，肩轴与髋轴角度差比疲劳前更低，即“超越器械”幅度更小。“超越器械”幅度减小会引起挥拍击球过程中同侧腹内斜肌、对侧腹外斜肌、腹直肌等使躯干向对侧旋转及屈曲的肌肉预先拉长效果下降，不能为鞭打击球蓄积更多弹性势能。

2.4 腰伸肌群疲劳对躯干及上肢肌肉肌电RMS 的影响

表5 疲劳前后肩、髋相对角度差峰值对比（°，n=16）

将16 块肌肉在挥拍击球时段内的RMS 均值及峰值进行腰伸肌群疲劳前、后的对比，结果如表6及表7所示。表6显示疲劳前、后RMS 均值产生差异的肌肉都集中于躯干部分，主要包括左、右竖脊肌、左右腹直肌、左右腹内斜肌、左侧腹外斜肌、左侧背阔肌。腰伸肌群疲劳后，左右竖脊肌RMS均值较疲劳前有所增加，分别增加17.660 μV 和28.320 μV；左右腹直肌，左右腹内斜肌，左侧腹外斜肌，左侧背阔肌这6块肌肉RMS均值均较疲劳前有所下降，分别下降28.420 μV、11.500 μV、36.830 μV、16.880 μV、85.510 μV、8.270 μV。表7显示，右侧竖脊肌、左侧腹直肌、左侧腹内斜肌、左侧腹外斜肌、左侧背阔肌、斜方肌，这6块肌肉在挥拍击球阶段的RMS峰值在疲劳后相比于疲劳前产生了差异。右侧竖脊肌RMS峰值相比于疲劳前平均增加111.25 μV。左侧腹直肌、左侧腹内斜肌、左侧腹外斜肌、左侧背阔肌、斜方肌等5块肌肉的RMS峰值相比于疲劳前分别下降90.120 μV、87.560 μV、261.020 μV、35.490 μV、128.070 μV。

表6 疲劳前后挥拍击球阶主要肌肉RMS均值比较（μV，n=16）

表7 疲劳前后挥拍击球阶段主要肌肉RMS峰值比较（μV，n=16）

3 讨论

本研究结果显示，腰伸肌群疲劳改变了上肢鞭打动作中人体的生物力学特征，使躯干及上肢主要关节的活动速度下降，同时在挥拍击球时人体“超越器械”的幅度明显降低，且末端环节的峰值线速度也明显下降。这说明腰伸肌群疲劳抑制了上肢鞭打动作效果的发挥。那么腰伸肌群疲劳是如何导致上肢鞭打效果下降的？我们从生物力学和生理学两个层面进行分析。

3.1 生物力学原因分析

腰伸肌群疲劳后髋、肩、肘三关节在挥拍击球阶段的角速度相比于疲劳前下降，且差异具有统计学意义，说明腰伸肌群疲劳使躯干及上肢部分关节的活动速度下降；同时，腰伸肌群疲劳使肩轴与髋轴形成“超越器械”动作的最大幅度降低，引起躯干旋转击球的主动肌预先拉长效果下降，不能为躯干旋转击球蓄积更多弹性势能。

腰伸肌群疲劳引起的以上两方面人体生物力学特征的变化，会导致人体在挥拍击球阶段躯干各环节及上肢部分环节旋转速度降低。由于环节动量矩等于环节转动惯量与环节转动角速度的乘积[12]，因此，在环节转动惯量相对恒定的情况下，环节旋转角速度降低，会影响环节产生动量矩的大小。以往对上肢鞭打动作的研究认为，人体在运动中表现出的所谓鞭打动作与真实鞭打动作最大的差别在于，人体各环节不仅传递来自于上一环节的速度或动量矩，在本环节内肌肉收缩产生环节速度及动量矩也是使末端环节获得最大速度的重要因素[10]。所以在上肢鞭打动作中，腰伸肌群疲劳引起的人体躯干活动幅度减小以及关节活动速度降低，会导致躯干及上肢各环节产生动量矩的效率下降，最终损害末端环节产生最大速度的能力。

3.2 生理学原因分析

有研究发现，腰伸肌群疲劳后，左右竖脊肌的RMS值均增加。这主要是由于疲劳干预方案使竖脊肌腰段产生了疲劳，造成肌肉运动单位募集增加，从而使肌肉放电量增加[7，13，14]。这一现象即肌电振幅平均值的增加，也常被用作评价肌肉疲劳的重要指标[15-17]。

左、右腹直肌，左、右腹内斜肌，左侧腹外斜肌，左侧背阔肌是使躯干腰段屈及躯干旋转的肌肉，即挥拍击球时躯干旋转的主动肌。这些肌肉在腰伸肌群疲劳后的肌肉放电量相比于疲劳前产生了明显下降。肌肉放电量下降说明肌肉募集运动单位的数量下降，动员程度降低，相应的肌肉输出功率会受到一定影响。上述肌肉输出肌力下降必然导致鞭打动作挥拍击球时，躯干屈曲及旋转的速度下降。这也是在腰伸肌群疲劳后髋、肩、肘关节旋转角速度下降的原因。

上肢鞭打动作在腰伸肌群疲劳后产生的躯干主要活动肌肉激活程度下降，与前人对腰伸肌群疲劳后躯干肌肉募集策略改变的研究结果相似。Hoseinpoor 等[18]在躯干伸肌疲劳的研究中发现，腰伸肌群疲劳后，当受试者承受相当于自身25%重量的轴对称负荷时，受试者腹部肌肉激活活动相比于疲劳前产生了显著差异。分析认为当局部疲劳导致肌肉无法保持完成动作的功率输出时，中枢神经系统会选择不同的肌肉募集策略来维持一定的动作水平，从而导致外周肌肉活动的改变[19-22]。肌肉募集策略改变的目的是通过这种复杂的肌肉重新募集策略来分担负荷，从而为疲劳肌肉提供一段恢复时期[23]，这也是人体运动链功能性补偿的一种特性[24]。躯干肌肉激活策略改变引起的人体各环节生物力学特征的变化，体现了疲劳引起人体“保护性抑制”现象。“保护性抑制”的发展是疲劳的基础，主要是由于神经细胞长期兴奋或能量物质消耗到一定程度时，大脑皮层相应细胞由兴奋转为抑制，以防止细胞过度耗损[25]。这种“保护性抑制”在腰伸肌群疲劳后的上肢鞭打动作的挥拍击球阶段表现为使躯干屈曲及旋转的肌肉激活程度下降，从而减小人体在运动中的消耗，降低人体损伤的可能性。

根据上述分析，腰伸肌群疲劳使躯干肌肉激活策略改变，进而使躯干活动表现出“保护性抑制”，是造成躯干各环节动量矩产生效果下降的最根本原因。在保护性抑制的影响下，人体关节活动速度及躯干活动幅度下降，导致躯干各环节产生及传递动量矩的效率降低，从而影响末端环节速度。

现有文献分析躯干肌肉募集策略改变的原因时，认为造成这种肌肉募集策略改变的生理机制是由于肌肉疲劳引起了肌梭激活敏感性降低。肌梭又是涉及本体感受的主要机械性感受器[26，27]，肌梭激活敏感性的降低会使肌梭内机械感受器感知运动刺激的阈值增加[28]。这使得腰伸肌群疲劳后，腰伸肌群肌梭应对动态刺激的本体感觉传入神经冲动数量及频率下降，导致中枢神经系统为调节躯干肌肉活动而发放的神经冲动频率及数量发生改变[29，30]。因此，腰伸肌群疲劳引起的上肢鞭打技术生物力学特征改变及鞭打效果下降，并非是由于腰伸肌群疲劳使躯干传递及整合上下肢发力的力量削弱引起的，而是由于局部肌肉疲劳引起躯干神经—肌肉的协调控制能力改变导致的。

4 总结

4.1 腰伸肌群疲劳会改变上肢鞭打动作的生物力学特征，使躯干在挥拍击球时的活动幅度下降，并降低躯干及上肢部分关节的活动速度，从而影响人体各环节在挥拍击球时产生动量矩的效率，最终使末端环节获得速度下降，影响鞭打效果。

4.2 腰伸肌群疲劳引起上肢鞭打动作中关节活动速度及躯干活动幅度的下降，是局部肌肉疲劳引起的人体保护性抑制现象的结果。其生理意义是通过降低人体活动强度来为疲劳肌肉提供一段恢复时期，并减小人体损伤的可能性。

4.3 腰伸肌群疲劳引起的上肢鞭打技术生物力学特征改变的生理原因并非是由于腰伸肌群疲劳使传递及整合上下肢发力的力量削弱引起的，而是由于局部肌肉疲劳引起的躯干神经-肌肉协调控制能力改变所导致。

5 展望

本研究发现，腰伸肌群疲劳引起躯干各主要肌肉在上肢鞭打动作中激活程度发生了改变，即躯干神经-肌肉的协调控制能力减弱。这也是腰伸肌群疲劳导致上肢鞭打动作效果下降的根本原因。因此，想要抑制肌肉疲劳引起的运动技术变形及动作效果下降，其根本方法是提高人体神经-肌肉的协调控制能力。国外提出的功能性力量训练可以在一定程度上提高神经-肌肉的协调性，而功能性力量训练手段也在不断更新及探索中。综上，利用什么样的训练手段可以有效提高人体的神经-肌肉控制能力，从而抑制或缓解运动训练中肌肉疲劳所引起的动作结构改变，是运动疲劳领域未来值得探究的重要问题。