优秀橄榄球运动员侧切跑的下肢肌电特征

鲁智勇 ，普江艳 *，解 强 ，李 伟，刘 卉 ，李国平

橄榄球是一项身体对抗激烈、运动技巧繁多，并要求参与者具有顽强的品质，同时具有极强的观赏性的团体运动。前交叉韧带（anterior cruciate ligament，ACL）损伤是橄榄球运动员常见的运动损伤之一（Fuller et al.，2009）。研究表明，前交叉韧带损伤与突然改变方向的运动，诸如侧切跑等技术动作有关（O’Rourke et al.，2007）。有研究指出，运动员在正常的侧切跑动作中，腘绳肌和股四头肌的神经肌肉控制和强度比率等指标被认为是矢状面损伤机制的重要因素（Gudmundsson et al.，2004）。橄榄球运动员侧切跑技术速度快、强度大、参与动作的下肢肌肉多，较多的肌肉参与维持膝关节在矢状面、冠状面及水平面的稳定性，而在侧切跑动作的运动周期中，从落地瞬间至足部离开地面的支撑阶段，此阶段各关节应力较大，是损伤的高发阶段。神经肌肉控制力、肌肉平衡对人体结构与功能的稳定极为重要。对于侧切跑运动，高效的神经肌肉控制系统可有效协调各个肌肉、肌群的配合协调工作，发挥肌肉的最大功效，保护关节，同时增加其运动表现。同时，下肢的肌肉失衡一方面造成相应的肌肉激活不足；另一方面，过度紧张的下肢肌肉的过度激活也可造成肌肉间或者肌肉内失衡。因此，合理的肌肉比例可以有效预防膝关节的损伤。

本研究通过对专业橄榄球运动员侧切跑过程中的下肢肌电特征进行研究，探寻侧切跑中男、女运动员各项肌电指标的差异。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

研究对象为男、女橄榄球运动员共26名（表1），均为健将级运动员。其中优秀女运动员（EF）14人，优秀男运动员（EM）12人。

表1 研究对象的基本情况Table 1 Basic Information of the Research Object

研究对象纳入标准：1）均为国家男、女橄榄球队队员；2）研究期间应处于常规训练状态，排除3个月以上未参加训练的运动员；3）所有队员测试均为优势侧，无膝关节相关手术史；4）无任何影响其完成测试动作的相关疾病；5）签署知情同意书。

1.2 实验仪器与测试方法

1.2.1 表面肌电测试系统

实验中，使用8通道NORAXON无线肌电系统对运动员进行实时的肌电采集（TeleMyo 900，USA Inc）。采样频率为1 000 Hz，A/D变频器±5 V输入范围，带宽为30～500 Hz，无陷波器。

1.2.2 肌电测试方法

被试采用侧切跑动作进行测试，采集运动周期内的相关数据与实验资料。生物力学实验室的平均温度控制在26℃。

实验前告知受试者注意事项，穿戴平日训练用鞋、紧身运动衣。将起跳腿定义为受试者的优势腿，并记录受试者基本情况。依据身体解剖定位，贴好电极片与标记点。本研究中，研究对象优势侧均为右侧。

实验时，标定空间为测力台上方长2.75 m×宽2.25 m×高2.4 m的范围。调试所有测试仪器，依据海伦海耶斯模型（张美珍，2012）进行反光标志点的粘贴，红外反光标志点用固定胶带粘贴于体表，并用绷带进行外固定防止标志点脱落。测试前每位运动员进行至少与运动任务相似的3次预热准备活动，以减少测力台对运动员的影响。

图1 采用EMG肌电测试系统进行测试Figure 1. Testing by EMG Test System

侧切跑动作定义：受试者距离测力台8 m处进行助跑，当还有一步左右距离到达测力台时，侧切跑准备，以优势腿为支撑腿，身体迅速变向沿原运动方向的左前45°方向继续奔跑，向前2～3步后结束动作。要求受试者发挥自己最大的能力，完成测试。测速控制在5.2±0.5 m/s范围以内。受试者分别进行有关注和无关注的两种情境下的直线跑、45°（45°±5°）变向跑，直至其成功完成 3次测试动作，即完成无关注下的45°侧切跑。

首先采集测试肌肉的最大主动等长收缩（maximum voluntary contraction，MVC）的肌电图数据。在贴敷电极前，首先清洁皮肤表面，以防止造成信号干扰与皮肤损伤。测试前要求所有阻抗必须低于3 000 Ω，将直径1 cm，间距为1.5 cm的成对电极贴放于优势侧膝关节，所有电极片均平行于肌纤维放置，电极的贴敷位置参照肌电系统配套软件的推荐及相关研究（表2）。正式测试前，向受试者详细说明动作要求，要求受试者做到熟练掌握，同时进行适当的下肢关节准备活动。

表2 测试肌肉表面肌电电极片放置解剖位置（Xie et al.，2013）Table 2 Anatomical Position of Electrode Placement for Testing Muscle Surface EMG

MVC测试：股四头肌在David训练系统上进行抗阻伸膝测试。股后肌群测试时，由测试人员配合做抗阻动作，运动员抗阻屈膝完成。腓肠肌MVC测试通过提踵对抗双肩的负重动作来完成，所有MVC持续5 s，做3次，每次间隔10 s。以避免肌肉疲劳。所有测试在实验实施者节拍指令下完成。

1.3 数据分析及处理

1.3.1 动作周期的划分

本实验所有数据来自处于侧切跑动作的支撑阶段，即足部落地时刻到足部离开地面这一阶段。根据相关的研究（Dempsey et al.，2009），非接触性的前交叉韧带损伤通常发生在这一阶段的早期。

1.3.2 肌电指标的处理

采用Noraxon MRXP 1.06软件对肌电信号进行处理。为了减小系统误差的影响，采用单位时间内MVC%进行标准化处理，定义侧切跑动作的每一肌肉的MVC%的平均值和标准差（李玉章，2015）。最大振幅（maximum amplitude mar，MAR），积分肌电值（integrated electromyogram，IEMG）都采用最大收缩的百分比表示。

收集各受试动作肌肉原始肌电，取3次有效测试数据。测试指标如下：1）准确标记动作起止时间。2）肌肉肌电活动贡献率；3）各测试动作时肌肉活动的最大振幅均值占MVC的百分比；4）共同收缩指数。

1.3.3 数据分析

所有数据统计学分析使用SPSS 22.0软件。正态分布计量数据用（M±SD）表示，两样本比较方差齐性时采用独立样本t检验，方差不齐采用校正t检验。

2 研究结果

2.1 肌肉贡献率

侧切跑动作的动作周期中，肌肉贡献率为肌肉积分肌电值占所测肌肉总值的百分比。本实验7块肌肉的贡献率结果由表3所示，EF组按照贡献率大小排序依次为：股四头肌内侧头、外侧腘绳肌、腓肠肌内侧头、内侧腘绳肌、股四头肌外侧头、股直肌、腓肠肌外侧头；EM组排序依次为：外侧腘绳肌、股四头肌内侧头、腓肠肌内侧头、内侧腘绳肌、股四头肌外侧头、股直肌、腓肠肌外侧头；两者的排序差别主要是股内侧肌与内侧腘绳肌。支撑阶段，EF组与EM组的肌肉贡献率基本一致，但是股内侧肌组间贡献率有显著性差异（P＜0.05）。

表3 男、女橄榄球运动员侧切跑动作周期中各肌肉贡献率Table 3 The Main Muscle Contribution Rate of Male and Female Rugby Players in Side-Cut Runnnig Cycle

2.2 肌肉的表面肌电（surface electromyogram，SEMG）

EF组与EM组的股直肌、股内侧肌、腓肠肌内外侧最大的肌电活动MVC%均值存在显著性差异（P＜0.05，表4）。女橄榄球运动员的股直肌、股内侧肌、腓肠肌内外侧头的肌电活动高于男橄榄球运动员。

表4 橄榄球运动员肌肉肌电最大振幅均值占MVC比例Table 4 Average Maximum Amplitude to MVC Ratio of Muscles of Rugby Players

2.3 肌肉SEMG变化

侧切跑动作周期中，在支撑阶段，EF组、EM组在侧切跑动作状态下，肌肉的肌电变化如图2所示，各组间曲线存在显著差异。侧切跑动作中，股直肌的肌电活动程度不高，EF组和EM组的RF的肌电变化曲线存在差异。股四头肌外侧头和股四头肌内侧头的肌电变化曲线显示，两组的MVC%数值较大，肌肉激活程度较高。外侧腘绳肌、内侧腘绳肌肌电变化曲线显示，两组的MVC%数值较小，肌肉激活程度较低，在运动周期的30%阶段，出现运动的峰值，在运动中，两组的MVC%数值差异不大。腓肠肌外侧头肌电变化曲线显示，两组MVC%数值差异不大，肌肉激活程度较高，腓肠肌内侧头的MVC%数值波动较大，肌肉激活程度较高，在运动周期的40%阶段，出现运动的峰值，在运动中，两组的MVC%数值差异不大。

图2 肌肉的肌电变化Figure 2. SENG Changes in Muscles

2.4 共同收缩指数

从表5可以看出，EF组与EM组的腘绳肌/股四头肌、腓肠肌外侧头/外侧腘绳肌共同收缩指数存在显著性差异（P＜0.05），EM组的腘绳肌/股四头肌、腓肠肌外侧头/外侧腘绳肌共同收缩性能高于EF组。

表5 橄榄球运动员各肌群的共同收缩指数比较Table 5 Comparison of Contrtraction Index of Rugby Players

3 分析与讨论

3.1 肌肉贡献率分析

积分肌电在一定程度上反映了肌肉在各个动作阶段的放电总量，体现的是肌肉总的激活和募集程度。想要进一步深入分析动作阶段中哪些肌肉起到主要作用，就需要用肌电活动的贡献率来分析（Shiavi et al.，2011）。肌电活动贡献率也叫作肌肉负荷百分比，指的是在动作过程中，各块肌肉激活状态下的积分肌电值占所有肌肉激活状态下积分肌电总和的百分比，是评价肌肉协调性的一个重要指标（Dempsey et al.，2009）。从贡献率情况可见肌肉发力主次关系比较明显，一般情况下，下肢肌肉前群占主导，拮抗肌作用相对较小。前侧肌群积极发力为该动作的主动肌，后侧肌群则配合前侧起缓冲作用。

本研究显示，男、女橄榄球运动员侧切跑测试动作中，肌肉的贡献率基本一致，唯一的差别是排序前两位的股内侧肌与内侧腘绳肌。女橄榄球运动员肌肉贡献率最高的是股内侧肌，而男橄榄球运动员肌肉贡献率最高的是内侧腘绳肌，虽然贡献率排序有差别，但是内侧腘绳肌的贡献率，却未见明显差异，分析其原因主要是女橄榄球运动员的前群肌肉贡献率过高。本研究发现，男、女股内侧肌组间贡献率有显著性差异，说明侧切跑的动作周期中，女橄榄球运动员主要激活前群的股内侧肌，过于强大的股内侧肌一方面容易导致内外肌肉失衡，另一方面容易导致前后肌群失衡，增加膝关节矢状面的负荷，导致ACL受力增加。对于男橄榄球运动员来说，内侧腘绳肌贡献率最大，内侧腘绳肌的主要作用为伸髋屈膝，与大腿前群肌肉拮抗保持平衡。在男橄榄球运动员侧切跑的落地阶段，优势侧股二头肌内侧贡献率明显大于女橄榄球运动员。此时，起拮抗作用的股二头肌贡献率增高，说明该肌肉缓冲作用非常主动，股四头肌可能存在问题或者肌肉激活足够使得机体产生保护性抑制（Suzuki et al.，2014）。由此可见，下肢肌肉在特定动作中的贡献率有其规律，且能反映出运动员下肢功能状况。本研究结果提示，不同性别的橄榄球运动员完成相同的侧切跑动作时，大腿前后肌群贡献率出现明显差异，正因为如此，肌肉的贡献率可以为ACL康复以及损伤预防提供较为精确的评价指标。将这一理论运用到实践，例如，通过静动力康复锻炼股四头肌可有效提高股四头肌功能，在训练过程中可结合股二头肌一起锻练。股二头肌的动作练习，既能使大腿肌群得到平衡发展，又能在练股二头肌的过程中使股四头肌得到积极性休息，促进股四头肌的恢复。所以，在临床中，可根据下肢肌肉的EMG测试结果监测局部肌肉，针对其不足进行有效康复训练。

总之，男、女橄榄球运动员在完成侧切跑技术的动作周期中，下肢主要肌肉的贡献率排序基本一致，但是不同肌群的肌肉贡献率存在差异，提示在接下来的研究中，肌肉贡献率可以作为一个重要的肌肉状态指标，应用于临床肌肉功能评估，也可广泛用于运动训练与损伤的临床康复。

3.2 主要肌肉SEMG分析

本研究结果显示，在侧切跑的动作支撑阶段，男、女橄榄球运动员股直肌、股内侧肌、腓肠肌内外侧头肌电活动MVC%均值存在显著性差异，即女橄榄球运动员的腓肠肌内外侧头、股直肌和股内侧肌的肌电活动高于男橄榄球运动员。

首先讨论一下腓肠肌的肌电活动。支撑阶段，男、女运动员的腓肠肌肌电活动存在显著差异性。在此之前，鲜有研究或文献资料报道侧切跑的落地阶段，腓肠肌的肌电活动存在性别差异。本研究发现，在支撑阶段的早期到中期，女橄榄球运动员有着更大的肌肉激活，而且腓肠肌外侧头的激活程度大于腓肠肌内侧头。腓肠肌的肌肉激活，对于维持侧切跑技术中，下肢远端的稳定性尤其重要（Hershman et al.，2012）。整个支撑阶段，男橄榄球运动员的腓肠肌内外头的激活也是外侧头大于内侧头。腓肠肌激活规律的发现，对于在侧切跑的动作完成中，如何改善下肢肌肉发力模式具有重要的意义。掌握了激活规律，对于康复训练预防以及损伤后康复，具有重要的临床意义。

其次，除了腓肠肌内外侧头肌肉的激活，女橄榄球运动员的股直肌的激活程度也大于男橄榄球运动员，两者之间存在明显差异。研究发现，股直肌的激活程度，女性运动员要高于男性运动员，分析其原因，从股直肌的解剖结构上分析，股直肌的激活程度较高更大程度上是为了更好地控制髋关节而不是膝关节。股直肌的激活程度高，减少了屈髋角度和屈髋力矩，导致膝关节矢状面的剪切力增加，从而导致ACL损伤风险增高，所以在30°以内的膝关节屈曲角度下，股直肌的屈膝功能将加大ACL的损伤风险。

本研究发现，股内侧肌的肌电活动也有着明显的性别差异。比较Malinzak等（2001）的实验结果，他们针对20名女足运动员进行了相同的实验，在5 m/s的情况下发现，女子橄榄球运动员的股四头肌外侧头与股四头肌内侧头在完成侧切跑的动作周期中，她们的肌肉激活比率超过男子橄榄球运动员。虽然与本研究结果有所差异，但是从测试数据来看，女子运动员的股四头肌外侧头、股四头肌内侧头肌肉激活大于男子运动员，股四头肌外侧头指标无统计学意义，股四头肌内侧头指标有显著差别。分析其原因，需要考虑橄榄球运动项目特征在该实验中是否具有关联性，橄榄球运动员是否存在股四头肌内外侧的肌力不平衡，值得进一步探索。另外，Sigward等（2006）的研究进一步指出，更大的股四头肌外侧头活动是在动作周期的早期与本研究结果一致，而股四头肌内侧头活动则稍晚。这些研究结果提示，大腿前群肌肉肌电活动存在性别差异，如何改善其相关指标，将会是以后研究需要深入探讨的问题。

本研究未发现腘绳肌的肌电活动存在明显性别差异，这一结果与Sigward等（2006）的研究结果一致。Malinzak等（2001）报道了腘绳肌肌肉激活存在性别差异，这种差异主要发生在动作周期的准备阶段，在侧切跑、绕切、直线跑等技术动作中，直线跑的表现最为明显。研究结果存在差异，考虑主要是选取的研究对象不同，还有运动速度、有无关注、被试的熟练程度也会影响测试的结果。Sigward等（2006）研究中选择的是优秀运动员，而Malinzak等（2001）研究中选择的是业余运动员，本研究选取的人群更为复杂，交织着两种不同人群。根据分析，膝关节屈曲大于30°时，收缩腘绳肌可以降低ACL的损伤率，因为其可以减少ACL的受力，维持膝关节的稳定，减少膝关节的胫骨前移。侧切跑着地时，腘绳肌的功能下降对于ACL是一个潜在的风险因素。虽然目前还没有足够的证据证明侧切跑动作周期中，腘绳肌的肌电活动存在性别差异，但是本研究发现，在男橄榄球运动员中，存在着内外侧腘绳肌的肌力不平衡现象，而女橄榄球运动员中则表现得不太明显。从肌电活动的曲线上，可以观察到在男子橄榄球运动员中，外侧腘绳肌的激活程度大于内侧腘绳肌，出现的时间在运动周期的中段，恰恰此时膝关节经历了一个较大的髋关节内收旋转、屈曲力矩。所以，此时腘绳肌内外侧肌的肌力不平衡反而会帮助男子运动员做侧切跑时，更为有效，或者可以更加有力地保护膝关节，可以产生更有效的对抗一个更大的屈伸、内收、旋转力矩，主要表现为男子运动员外侧的腘绳肌的肌肉激活更为明显，有助于增加后外侧的肌力平衡。膝关节的后外侧有复合体这一组织结构，通常情况下，当ACL损伤时，后外侧复合体极易产生损伤，这也佐证了以上的分析。

3.3 共同收缩指数分析

肌肉的共同收缩又称协同收缩、共同作用，即主动肌与拮抗肌或协同肌在特定时间段内同时激活，共同收缩是反映拮抗肌与主动肌肌肉相互协调性的指标，这种肌肉间的协同工作关系是影响肌肉收缩力量的主要因素之一（Hewett et al.，2006）。另外有学者提出，共同收缩可以提高关节刚度（Sigward et al.，2006）。肌肉共同收缩指数的计算公式为拮抗肌的积分肌电图面积/主动肌的积分肌电面积（Hewett et al.，2006；Lloyd et al.，2005）。依据此定义，共同收缩指数是重要的描述肌肉功能的指标。

本研究结果显示，男橄榄球运动员的腘绳肌/股四头肌、腓肠肌外侧头/外侧腘绳肌共同收缩性能高于女子橄榄球运动员。共同收缩指数作为反映拮抗肌与主动肌相互协调性的指标，在保护关节、维持稳定方面具有重要作用。腘绳肌/股四头肌比值，在防止ACL损伤方面具有重要作用。膝关节矢状面的稳定性主要依靠大腿前群的股四头肌和后群的腘绳肌，股四头肌在膝关节屈曲小于30°时，使胫骨向前增加ACL的拉力；膝关节腘绳肌同时收缩，可以拮抗股四头肌对胫骨向前的拉力，控制膝关节伸和内收力矩，因此股四头肌和腘绳肌在维持膝关节矢状面的稳定性、防止ACL损伤中具有重要作用。运动中，膝关节腘绳肌和股四头肌的肌肉共同收缩可增加膝关节之间的接触力，从而抵抗膝关节外翻，同时，如果膝关节内侧接触力减小，必然降低动态活动中对膝关节外翻的保护，同时使股骨内侧髁与胫骨平台间距加大，增加ACL的负荷。诸多的研究证实了以上理论。Lloyd等（2005）指出，股四头肌内侧头和内侧腘绳肌的肌电活动减弱会增加膝关节外翻的可能性，从而增加ACL损伤的风险。神经肌肉的生物力学模型研究发现（Lloyd et al.，2005），股四头肌和腘绳肌不仅能够对膝关节矢状面的稳定性起作用，而且还可以维持冠状面内外翻的活动。实证研究表明，落地和变向中膝关节接近伸直的状态下发生膝关节的外翻伴有胫骨的内旋或外旋是导致非接触性ACL损伤的主要原因（Pasanen et al.，2008.）。为了对抗动态动作中膝关节额外的负荷，存在两种神经肌肉激活模式（Caplan et al.，2015），一种是选择性地激活能够对抗负荷的肌肉；另一种是不加选择地共同激活能够维持生物力学稳定的肌肉，这两种激活模式对于维持膝关节运动过程中在冠状面上的稳定性尤其重要（Markolf et al.，2005）。因为股四头肌和腘绳肌能产生内翻或者外翻的力矩，所以股四头肌和腘绳肌在动态活动中能够控制膝关节冠状面的稳定性（Houck，2003；Kim et al.，2016；Patrek et al.，2011；Suzuki et al.，2014）。另外，非接触性的ACL损伤机制，在矢状面有着增加的伸肌力矩和更大的股四头肌肌肉的激活，导致胫骨前移，进而导致ACL损伤（Patrek et al.，2011）。股四头肌肌电研究已经证实，股四头肌可增加ACL的受力，腘绳肌可以降低ACL的受力。但是，新的研究观点认为，除了矢状面的外旋力矩可以导致ACL韧带损伤之外，而依据股四头肌与腘绳肌的肌肉激活模式而建立的模型表明，由其产生的水平剪切应力不足以造成ACL损伤（Dempsey，2009），现在还没有足够的证据来证明股四头肌的激活程度与ACL损伤存在高度相关性，有待进一步研究。综上所述，股四头肌和腘绳肌肌肉间协同收缩情况对预防非接触性ACL损伤和相关损伤至关重要。

男橄榄球运动员的腓肠肌外侧头/外侧腘绳肌共同收缩指数高于女橄榄球运动员，下肢近端肌肉和远端肌肉对于维持下肢水平面的稳定十分重要。有报道指出，下肢前侧肌肉与后侧肌肉、内侧肌肉与外侧肌肉、下肢近端与远端肌肉共同维持侧切跑或类似着地动作中膝关节在矢状面、冠状面以及水平面的稳定性（Caplan et al.，2015）。特别是臀部肌肉和腓肠肌对于维持落地动作中髋关节、膝关节水平面上的稳定具有重要作用（Carpinelli，2012）。腓肠肌作为肢体远端肌肉，对于维持肢体下端的肌肉稳定，特别是矢状面的稳定尤其重要，因此，腓肠肌外侧头/外侧腘绳肌的共同收缩指数对于维持肢体远端的稳定性非常重要。

总之，共同收缩指数作为反映拮抗肌与主动肌相互协调性的指标，在维持稳定方面具有重要作用，可作为评估运动员ACL损伤风险的重要指标。

4 结论

1）橄榄球运动员下肢肌电特点存在显著的性别特征。侧切跑支撑阶段，女橄榄球运动员下肢主要肌肉贡献率大小排序依次为：股四头肌内侧头、外侧腘绳肌、腓肠肌内侧头、内侧腘绳肌、股四头肌外侧头、股直肌、腓肠肌外侧头；男橄榄球运动员肌肉贡献率大小排序依次为：外侧腘绳肌、股四头肌内侧头、腓肠肌内侧头、内侧腘绳肌、股四头肌外侧头、股直肌、腓肠肌外侧头，其中股四头肌内侧头的肌肉贡献率男、女运动员存在显著性差异。侧切跑支撑阶段，女橄榄球运动员的股直肌、股四头肌内侧头、腓肠肌内外侧头肌电活动高于男橄榄球运动员。

2）橄榄球运动员的腓肠肌内外头、腘绳肌、股直肌的激活规律，对于损伤预防具有重要临床意义。侧切跑动作状态下，肌肉的肌电变化状态，男、女橄榄球运动员总体趋势保持一致，其中，股直肌、腓肠肌内侧头、外侧腘绳肌的肌电活动程度不高，男、女橄榄球运动员的股直肌的肌电变化曲线存在差异，股四头肌内侧头、外侧腘绳肌、股四头肌外侧头、腓肠肌外侧头的肌电活动程度较高。

3）腘绳肌/股四头肌、腓肠肌外侧头/外侧腘绳肌的共同收缩指数、肌电的贡献率可作为评估运动员ACL损伤风险指标。男橄榄球运动员的腘绳肌/股四头肌、腓肠肌外侧头/外侧腘绳肌共同收缩性能高于女橄榄球运动员。

4）女橄榄球运动员的膝关节ACL损伤风险高于男橄榄球运动员。