网球拍线材质对持拍前臂冲击载荷的影响及前臂表面肌电分析

夏永桉 刘晔

1 北京体育大学研究生院（北京100084）

2 北京体育大学运动人体科学学院（北京100084）

高水平网球运动员在其竞技水平达到一定的高度之后，更加关注于自身可训练能力之外的能够提高竞赛表现的其他因素，如球拍装备等。网球器材装备制作工艺和高科技含量的提升，为更进一步地发挥球拍特性提供可能，网球运动员也希望通过使用性能更好的网球拍和拍线来提升运动表现。赵伟科等[1]探讨优秀职业网球运动员对网球拍线磅数变化的区分能力及拍线磅数变化是否对击球效果产生影响，结果发现击球落点与球拍磅数之间不存在显著性相关，优秀职业网球运动员对使用不同磅数的球拍进行底线击球有着很强的适应与控制能力。

国外相关研究更注重对网球拍和网球拍线的各项参数进行实验研究[2]，研究其在击球过程中表现出来的动力学特性及对网球持拍手臂的影响，并在现场运动情境下测试网球拍线动态性能[3]，但目前关于网球拍线材质的研究相对较少。Cross 等[4]和Ellis 等[5]研究天然羊肠与尼龙仿肠两种不同网球拍线材质对击球速度的影响，发现天然羊肠线的击球速度更快。网球运动装置的生物力学研究结果，可以为网球运动装备的研制提供理论依据，这是今后值得研究的方向[6]。有研究表明，网球运动员持拍手臂腕关节的损伤与网球拍传递到持拍前臂的冲击载荷有关[7]，同时也与持拍前臂肌肉的离心收缩和过度使用有关[8]。Knudson[9]研究发现，网球肘是由球与球拍碰撞时产生的惯性冲击力和拍框振动引起的，是由于持拍前臂肌肉受到惯性冲击而快速离心收缩导致的，反复的离心收缩增大了肌纤维的负荷，从而造成损伤。球与球拍碰撞时产生持续较大冲击力，将导致肌肉和肌腱的损伤、过度使用和炎症，产生“网球肘”[10]。

网球拍线直接与球发生碰撞，将会产生很大的冲击振动，并通过网球拍传递给持拍前臂；不同材质的网球拍线对持拍前臂所造成的影响是存在差异的，并且产生不同的击球效果。但不同材质网球拍线的动态性能，对网球运动员持拍前臂所造成的冲击载荷及其在击球过程中的受力特征和影响程度并不明确。因此，本研究对不同材质（聚酯与尼龙仿肠）的网球拍线进行现场底线击球测试，分析比较网球运动员使用聚酯与尼龙仿肠拍线击球时的速度、控制性及球拍与持拍前臂的冲击载荷，研究网球拍线材质对底线击球效果和持拍前臂冲击载荷的影响，分析击球过程中持拍前臂肌肉的表面肌电特征，为网球运动员了解及选购网球拍线提供一定理论依据。

1 研究方法

1.1 被试

15名国家二级网球运动员参与测试，均为男性，右手持拍，年龄25.0± 2.0 岁，训练年限为5.4± 0.8年，身高179.0± 5.9 cm，体重71.0± 8.6 kg，身体健康且无运动损伤史。

1.2 研究设计

选取聚酯与尼龙仿肠两种材质的网球拍线进行测试研究，其他各方面的条件均保持一致，如线径（1.25 mm）、穿线磅数（54磅）和球拍参数等。另外，要求被试模拟真实比赛情境进行击球测试，在使用两种不同拍线球拍击球时的动作、速度和力量等保持前后一致。选定测试的击球技术为底线正手击球技术。根据网球底线正手击球的发力特征，选取被试持拍前臂伸肌和屈肌，即肌腱起于肱骨外上髁的肱桡肌、指伸肌及肌腱起于肱骨内上髁的旋前圆肌、桡侧腕屈肌[11]，作为被试持拍前臂表面肌电的测试肌肉。击球表现测试指标：底线正手击球速度与控制性得分；球拍冲击载荷指标：球拍振动频率、加速度峰值和应力应变峰值；被试持拍手臂冲击载荷测试指标：主要通过被试持拍前臂肱桡肌、桡侧腕长伸肌、桡侧腕屈肌和旋前圆肌的表面肌电峰值、均方根振幅（Root mean square，RMS）及放电时程反映。

1.3 仪器设备

美国斯德克手持式运动雷达测速仪（Stalker Pro II）；Delsys 公司生产的Trigno™Wireless EMG System，采样频率1932 Hz，8 个无线表面肌电感应器，及安装EMG 采集软件的电脑一台；北京一洋应振测试技术有限公司生产的YSV 动态信号采集分析系统，采样频率为1024 Hz，500G的加速度传感器，重10g；应力应变测试仪和应变电阻片，以及安装YSV 工程测试软件的笔记本一台；Wilson 公司生产的型号为Ktour 95 TnsRkt 2 的网球拍两支；两种不同材质的网球拍线，泰昂TS5000 聚酯线与泰昂TS5800 尼龙仿肠线，线径均为16 L（1.25 mm）；Teloon 比赛用球24 桶，自制简易喂球装置。

1.4 测试步骤与任务

正式测试前先进行练习测试，熟悉实际测试环境和条件，并在测试前告知被试测试要求及注意事项。雷达测速仪固定于摄像机支架，稳定置于被试侧后方，朝向被试的击球方向，距底线3.5 m、右单打线3.3 m。YSV 动态信号采集仪、加速度传感器及应力应变测试仪之间通过数据线正确连接，信号指示灯正常。应变电阻片紧贴于球拍拍颈处，电线正常连接。Trigno™表面无线肌电测试仪连接电源，确保数据线正确连接，使用双面胶及弹力带将4个肌电感应器分别固定于被试持拍前臂的肱桡肌、桡侧腕长伸肌、桡侧腕屈肌和旋前圆肌的肌腹位置。一台笔记本电脑安装YSV工程测试与信号分析软件，另一台安装肌电信号采集与分析软件，确保两台笔记本正常运行。喂球装置摆放于其中心距底线2.29 m，距右侧单打连线2.30 m 的位置处。延长对面半片球场的发球中线，再平分左右发球区，将球场纵分为4等份；用两根横线平分后场区域，半片球场共分成12份。所有添加的线均用红色纤维绳，贴上透明胶带固定。按照ITN 网球技能评定标准，结合底线正手击球深度与精确度反映击球控制性，给划定的不同击球落点区域标记好各自分值。

所有被试分别使用两支不同拍线材质的球拍进行测试，击打斜线角度，使用自身能够控制的最大力量击球，两组测试的击球力量与动作保持一致。击球速度与控制性测试均采用统一的测试标准，击球方向为斜线。15名被试先使用拍线为聚酯材质的网球拍进行测试，再使用拍线为尼龙仿肠材质的球拍进行测试。每名被试每组测试击球6 次，测试完将缠在受试者身上的数据线和持拍臂上的四个表面肌电感应器取下。下一位受试者使用同一块球拍，固定好数据线和表面肌电感应器进行击球测试。通过仪器设备同时测试被试的击球速度和控制性得分，球拍与球碰撞产生的应力应变和加速度及在整个击球过程中的持拍前臂表面肌电变化情况，包括引拍动作、拉拍击球阶段和随挥过程。

1.5 数据处理与统计分析

击球速度和控制性得分由实验人员根据雷达测速仪和观察被试击球落点进行记录；球拍振动频率、加速度峰值和球拍应力应变峰值通过YSV分析软件进行处理提取；持拍前臂的表面肌电峰值、均方根振幅（RMS）及放电时程通过Trigno™分析软件分析提取。其中，球拍振动频率根据击球前后加速度变化的周期和所需时间计算得到；持拍前臂表面肌电处理分析的标准定为：表面肌电峰值前后的变化幅度达到峰值的20%时开始纳入计算范围进行数据处理，放电时程和均方根振幅均为计算范围内的平均值（包括峰值）[12]。将分析提取出来的各项指标数据输入2010 Microsoft Excel工作表中，并对其进行初步处理。由于现场运动情境下测试球拍加速度和应力应变及表面肌的数据存在一定误差，我们依据统计学处理异常值的方法—拉依达准则（3σ准则）[13]，对超过3 倍均值的异常测试数据进行剔除。运用SPSS17.0 对处理完成的数据进行统计分析，然后再对所有被试两次测试的数据进行配对样本t检验，统计学显著性差异的标准定为P＜0.05，对存在统计学显著性差异的结果做进一步分析。

2 结果

2.1 底线击球表现

聚酯线与尼龙仿肠线测试条件下被试的击球速度与控制性得分均没有显著性差异（P=0.530，P=0.398），但网球拍线材质对击球速度与控制性表现出一定的影响趋势，聚酯线球拍击球速度与控制性的总体趋势高于尼龙仿肠线（表1）。

表1 不同拍线材质条件下被试底线击球的平均速度和控制性得分

2.2 球拍冲击载荷

剔除超过3 倍均值的异常数据，剔除后的样本量为13。聚醋与尼龙仿肠材质网球拍线条件下的球拍振动频率没有显著性差异（P=0.082），二者的加速度峰值和应力应变峰值未见显著性差异（P=0.803，P=0.382）（表2）。

表2 不同拍线材质条件下球拍的振动频率、加速度峰值和应力应变峰值

2.3 持拍前臂冲击载荷

2.3.1 持拍前臂肌电峰值

剔除超过3 倍均值的异常被试数据，剔除后的样本量为13。聚酯与尼龙仿肠材质网球拍线条件下肱桡肌肌电峰值的差异有统计学意义（P=0.024），二者的桡侧腕屈肌、旋前圆肌、桡侧腕长伸肌的肌电峰值均不存在显著性差异（P=0.074，P=0.358，P=0.605）（表3）。

表3 不同拍线材质条件下被试持拍前臂肌肉的表面肌电峰值（mv）

2.3.2 持拍前臂放电时程

剔除超过3 倍均值的异常被试数据，剔除后的样本量为13。聚酯线与尼龙仿肠材质网球拍线条件下的肱桡肌、桡侧腕屈肌、旋前圆肌和桡侧腕长伸肌放电时程均不存在显著性差异（P=0.072，P=0.874，P=0.453，P=0.782）。桡侧腕长伸肌在击球过程中的参与时间较长，网球拍线材质对被试持拍前臂肱桡肌放电时程的影响趋势较为明显（表4）。

表4 不同拍线材质条件下被试持拍前臂肌肉的放电时程（ms）

2.3.3 持拍前臂RMS

剔除超过3 倍均值的异常被试数据，剔除后的样本量为13。聚酯与尼龙仿肠材质网球拍线条件下的旋前圆肌RMS 存在显著性差异（P=0.013）；二者的肱桡肌、桡侧腕屈肌、桡侧腕长伸肌RMS均没有显著性差异（P=0.135，P=0.337，P=0.879）（表5）。

表5 不同拍线材质条件下被试持拍前臂肌肉的RMS（mv·s-1）

3 讨论

本研究是在现场情境下被试使用不同材质拍线的网球拍进行底线击球测试。以往相关研究主要是在实验室中进行[4，5]，并且更多的是对网球拍线张力的研究[2，3]，目前关于网球拍线材质的研究还较少。底线击球结果显示：聚酯线与尼龙仿肠线的击球速度与控制性得分没有显著性差异，但聚酯线的击球速度与控制性呈现出来的总体趋势均要略高于尼龙仿肠线。Cross[14]测试发现，天然肠线的弹性要比聚酯线好，因而本研究所用的尼龙仿肠线的弹性要相对地优于聚酯线，但聚酯线球拍的线床张力要高于尼龙仿肠线球拍。以往研究都得出一致结论：在一定的网球拍线张力范围内，较高的线床张力可以提升击球的控制性[15]。Goodwill等[16]研究发现，拍线的磅数会改变球拍的弹性性能，引起碰撞时间的变化，这些都会影响到击球的控制性。因此，弹性较差但张力更好的尼龙仿肠线表现出来的击球控制性相对更好，与前人的相关研究结果一致[17]。Leigh 等[18]与Elliott[19]研究发现，磅数越低的球拍线床形变越大，反弹球速也越快，表明较低的线床张力有助于加快击球速度[20]，拍线张力较小可以得到较大的击球速度[21]。但本研究中聚酯线的击球速度表现出来的趋势要高于尼龙仿肠线的击球速度，可能与被试日常运动训练时所使用的球拍和拍线有关，被试在测试过程中可能为保证击球控制性而降低了击球速度。

被试使用聚酯线与尼龙仿肠线球拍击球条件下，球拍与球碰撞时的振动频率没有显著差异，说明球拍的振动频率并不受网球拍线材质的影响。球与球拍碰撞时，由于力的作用而产生的振动会传递到持拍前臂，可能导致网球肘等运动损伤[21]，这种振动的产生也与手部握力、持拍前臂肌肉活动及拍床碰撞位置等有关[22]。被试使用不同拍线材质的网球拍击球时，球拍的加速度峰值没有显著差异，说明网球拍线材质对球拍加速度峰值没有直接影响，而可能取决于被试和球拍自身参数，如挥重、平衡点等因素。以往研究证明，网球拍的硬度、重量及平衡点都会影响到发球速度[2]，减小球拍的横向转动惯量会使球拍挥得更快，而且可能是最终发球速度的重要决定因素[23]。球撞击固定的网球拍面时会产生一种“蹦床”效应[16]，较低磅数（401 bs）的拍线传递到球拍的生物能相对较少，持拍手臂受到的冲击力也相应减小[18，19]。因此，本研究结果与以往研究结果一致，张力相对较小的尼龙仿肠材质网球拍线，其所产生的球拍应力应变较大。

肌电峰值指击球过程中持拍前臂放电的最大幅度，能够反映持拍前臂肌肉对球拍与球碰撞产生的冲击压力的应激强度，及击球时肌肉参与活动的程度。聚酯线条件下被试持拍前臂肌电峰值表现出来的总体趋势要高于尼龙仿肠线，其中肱桡肌和桡侧腕屈肌肌电峰值的趋势更明显，并且不同拍线材质条件下被试持拍前臂肱桡肌的肌电峰值之间存在显著性差异。肱桡肌是持拍前臂前群浅层肌，起于肱骨外上髁，止于桡骨茎突[11]，其在击球过程中的主要功能是伸腕，并使前臂保持正中位。在球拍与球的碰撞过程中，持拍前臂的肱桡肌作为原动肌保持腕关节和前臂的稳定，承受了球拍与球碰撞时产生的强大冲击力，并对球拍冲击的反作用力产生一种生理应激，同时更多的球拍冲击振动传递给持拍前臂。桡侧腕屈肌是持拍前臂前群浅层肌，起于肱骨内上髁，止于第2掌骨底[11]，其在击球过程中的主要功能是屈腕，并使前臂内旋。被试使用不同拍线材质的网球拍击球时，持拍前臂桡侧腕屈肌肌电峰值之间的差异趋势较为明显，聚酯材质网球拍线对其的影响更大，表明被试在使用聚酯材质网球拍线的击球过程中，更多地动用了桡侧腕屈肌参与运动，以求更加稳定地控制腕关节，最终对击球实现更好的控制。放电时程指持拍前臂肌肉参与活动放电时间的长短，可以借此判定肌肉在击球过程中作用时间的长短。网球拍线材质对持拍前臂肌肉的放电时程没有显著作用，但表现出一定的影响趋势。聚酯线材质网球拍线对持拍前臂放电时程的影响趋势要稍高于尼龙仿肠材质，其中差异更为明显的是肱桡肌的放电时程。肱桡肌作为击球过程中的原动肌，球拍与球发生碰撞时产生的冲击力对其影响很大，容易造成该肌肉的持续性紧张，因而网球拍线材质对肱桡肌放电时程的影响趋势较为明显。

均方根振幅（RMS）是肌电时域分析的常用指标，通常用来反映一段时间内肌肉放电的平均水平[24]，以及肌肉参与运动的程度[25]，同时能够表明运动过程中的主要主动发力肌肉，可以评价技术动作是否合理[12]。聚酯材质网球拍线对持拍前臂肌肉RMS的总体影响趋势要高于尼龙仿肠材质，其中对旋前圆肌与肱桡肌RMS的影响更明显，并对旋前圆肌RMS产生显著影响。持拍前臂伸肌群中肱桡肌在球拍与球发生快速而强烈的碰撞时，由于受到击球反作用力的影响，会产生较强生理应激反应，在一定时间内的放电水平较高。旋前圆肌是持拍前臂前群浅层肌，起于肱骨内上髁、尺骨冠突，止于桡骨中部前面[11]，其在击球过程中的主要功能是使前臂内旋。被试持拍前臂旋前圆肌放电时程较短，肌电峰值较小，但RMS 较大，表明在击球短时间内被试动用了持拍前臂小肌肉参与运动，使持拍前臂快速内旋，以更好地对击球进行“包裹”，提升击球控制性。被试在底线击球过程中，持拍手肘部小肌肉在突然受到较大张力时，容易出现肌肉筋骨连接处的部分纤维过度拉伸，形成轻微撕裂，可能会造成持拍前臂肱骨内上髁炎症[26]。网球肘的产生是由于持拍前臂肌肉受到惯性冲击而快速离心收缩导致的，反复的离心收缩增大了肌纤维的负荷而造成损伤，也与球拍对持拍前臂的冲击振动及持拍前臂肌肉的离心收缩和过度使用有关[8]，[9]。因而网球运动者在击球过程中，要注意技术动作的规范性，不要过度使用持拍前臂肌肉进行击球控制，强调击球动作的流畅性，这样可以有效防止运动损伤。

4 总结

网球拍线材质对底线击球表现没有显著作用，但聚酯线材质表现出较高的影响趋势；网球拍线材质会对持拍前臂造成一定程度的影响，聚酯材质的网球拍线对持拍前臂产生更大的冲击载荷，其中对伸肌群中肱桡肌的冲击最大。网球运动员在击球过程中为实现更好的控制，更大程度地动用屈肌群中桡侧腕屈肌和旋前圆肌，导致其过度使用，可能会造成持拍前臂腕关节运动性损伤。网球拍线作为直接与来球接触的部分，会对击球表现与持拍前臂造成较大影响，尤其是高水平网球运动员对拍线的性能更为敏感。本研究有助于了解不同材质网球拍线在击球过程中的动态性能及对持拍前臂的影响。由于测试条件的限制（场地与仪器设备等），仪器数据线可能会对被试的测试表现产生影响，因此，将来的研究可以使用无线便携式实验设备仪器，更为合理缜密地设计研究，以更好地达到研究目的。