下肢肌肉形态与自由式滑雪空中技巧运动员平衡稳定的相关性研究

程宇琦，王 新

自由式滑雪空中技巧项目是我国冬奥会雪上优势技巧类项目，需要较高的平衡能力来控制落地稳定性。以2018年平昌冬奥会自由式滑雪空中技巧项目为例，运动员落地动作失误率达到28.17%，直接影响了比赛成绩。所以，运动员的平衡能力研究一直是自由式滑雪空中技巧项目的研究重点。

站立姿势一直是平衡研究的主要方式，早期研究认为，在支撑面固定且平衡干扰较小的情况下主要由踝的调节来完成控制（Menz et al.，2015；Winter，1995），由较小的髋关节协同运动所产生的微小摆动就足够来维持在内/外侧方向上的平衡。当站立宽度变窄时，侧方稳定性的控制主要发生在髋和躯干环节（Gruneberg et al.，2005）。研究进一步指出，前/后方向稳定性是由肢体的远端向近端传递的肌肉反应模式（Fitzpatrick et al.，1994），肌肉活动顺序由远端的腓肠肌开始，侧方稳定性则为由近至远的肌肉反应模式，髋部肌肉先于踝部肌肉被激活。根据压力重心随时间间隔变化，计算出人体平衡控制由开环动态稳定性（open-loop control）无感觉系统参与的稳定进入闭环控制机制（closed-loop control）从无感觉系统参与到感觉系统参与转换时机的判定方法（Collins et al.，1993）。根据这种方法计算人体站立平衡中平衡控制的转换效率，并将肌肉形态转换效率做了相关分析（Zhang et al.，2017）。

单腿平衡测试可以更好地检测运动员平衡的缺陷和骨骼肌损伤（Duclos et al.，2014；Moghadam et al.，2011），尤其是非稳定支撑面单脚站立测试，更适合于技巧类项目运动员的平衡能力测试，双腿的测试经常不会发现运动员的平衡问题。在考虑各种不平衡的问题时，可通过使用非稳定的支撑面来完成更高的测试。Schmit等（2005）研究对不同平面的平衡能力训练和测试，发现非稳定平面的平衡训练比稳定平面的平衡练习可获得更好的稳定程度，展示出不同平面下训练的重要性，并确定每个人的平衡表现，找出不同的差异。通过对不同运动员的平衡进行分析（Walsh et al.，2018），发现不同项目具有不同的平衡特点。对雪上运动项目而言，使用稳定的平面和非稳定平面来进行实验。但单腿平衡测试的缺点是平衡能力不足会代偿对支撑平面产生一定的影响，受试者经常会用上肢或者非着地的下肢来纠正已经失去稳定的姿势。

超声波测量技术是非介入性测量手段，该测试方式对身体安全，操作方式简便，并能得到实时反馈。随着测量精度的提高，近年对骨骼肌肉系统进行超声波检测成为研究热点（Harmon et al.，2010）。李玉章等（2010）综述了超声波技术应用中的常用参数及运动条件下的肌肉、腱组织的形态特征，指出肌肉厚度会直接反映肌肉含量。运用超声对冈上肌厚度进行测量，结果认为超声测量是一种可靠的方式（Yi et al.，2012），可用于对人体肌肉状态的评估和判断。超声诊断成像技术可以直接、准确地测量肌肉，连续测量具有潜在的实用价值（Young et al.，1980）。Martinson等（1991）也发现，超声是测量肌肉大小的可靠方式，可用于评估成年人肌肉形态特征。检查内在和外在肌肉形态可以进一步了解这些肌肉在平衡过程中所起到的作用（Crofts et al.，2014；Guo et al.，2017；Mickle et al.，2013）。本研究的目的，是通过观察单腿站立情况下，下肢不同肌肉的形态对于平衡能力的影响程度。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

以22名自由式滑雪空中技巧国家队运动员为研究对象（表1）。受试者完成了病史调查问卷，以确定是否存在肌肉骨骼、神经或者其他影响单腿平衡能力的情况，确认所有受试者6个月内下肢都未有损伤。

表1 受试者基本信息Table 1 Basic Information of Participants

1.2 研究方法

1.2.1 实验过程

为保证测试过程中运动员身体处于无疲劳的放松状态，测试安排在当天无训练的调整休息日进行。数据的采集分3个实验进行，运动员赤脚踩在一个60 cm×90 cm的平衡板上（CSMI，American，Humac Balance）。在第3个实验过程中，采用Mindary M9便携式超声诊断设备，频率为5～13 MHz，选用高频线阵探头，测量肌肉厚度时将线阵探头与肌肉起止方向平行放置，超声波测量方法以及测量位置的选择参考前人研究所采取的测量方法（Angin et al.，2014；Cameron et al.，2008；McKeon et al.，2015）。

实验1：在稳定平面对运动员进行左、右两侧单腿的平衡测试（Matsuda et al.，2008），每次测试时间为15 s，若有非着地腿落地则重新进行测试，要求运动员尽可能保持平衡。记录压力中心（COP）在前后侧（anteroposterior，AP）和内外侧（mediolateral，ML）的变化。

实验2：将泡沫垫放在平衡板上使运动员处在一个非稳定的平面对其左、右两侧单腿分别进行测试，测试时间为15 s（Riemann et al.，2017）。测试过程中，要求运动员尽可能保持水平和不动，如果有非着地腿落地则重新进行测试，直到完成实验。在测试过程中，全程保持安静，给予运动员相对无声的环境进行测试，减小噪声对运动员平衡能力的干扰。要求运动员把手放在臀部，根据标准的测试方案，运动员脚第二跖骨的底部与地板的标记对齐，不允许用非支撑腿触碰支撑腿。运动员视线目光集中在1个直径5 cm的白色圆圈上，并避免出现任何其他动作，此圆圈与其视线平行，放置在约3 m外的墙上。2次测试间休息30 s（静坐休息），整个实验过程中，运动员双眼目视前方，保持轻微的髋部和膝关节弯曲，同时将身体保持在一侧。

实验3：在运动员舒适的体位下，用迈瑞便携式B超测量仪测量运动员双侧下肢对平衡能力具有一定影响的肌肉（股直肌、半腱肌、胫骨前肌），分别采集3块肌肉的肌肉厚度（Connolly et al.，2015；Gruther et al.，2008）。

1.2.2 数据处理

所有数据分析处理使用SPSS 21.0（SPSS，Chicago，Illinois），结果用平均值±标准差（M±SD）表示，数据通过对组间与组内COP差异进行检验，所有测试的概率水平设置0.05为显著性差异。在进行相关性分析时，通过稳定指数（公式1）与肌肉厚度进行相关性分析（Arnold et al.，1998）。

其中，OSI为稳定指数。稳定指数代表人体在保持平衡状态下的稳定情况，稳定指数越趋近于0代表平衡稳定情况越好。

2 结果

2.1 稳定平面与非稳定平面下COP变化

平衡测试结果显示，稳定平面下所有运动员都可以在稳定平面进行站立并达到15 s，运动员都能很好地控制自身平衡，没有进行二次测试（表2）。男、女运动员稳定平面下ML方向上的COP偏移幅度均显著大于AP方向（P＜0.05）。

表2 男、女运动员两次实验COP变化结果Table 2 Results of COPChanges of Male and FemaleAthletes in Two Experiments

91%的运动员都可以在非稳定平面完成站立15 s的测试，有2名运动员在测试时出现非着地腿落地，进行了重新测试。实验结果显示，男、女运动员非稳定平面ML方向COP偏移幅度均显著大于稳定平面（P＜0.05）；非稳定平面ML方向COP偏移幅度均显著大于AP方向（P＜0.05）；非稳定平面与稳定平面下AP方向COP偏移幅度均有显著性差异（P＜0.05）；在不同平面站立的情况下，女运动员的平衡能力高于男运动员。

运动员下肢肌肉测量结果如表3所示，每个运动员都在自己理想的姿势下进行肌肉形态测量，实验测量了股直肌、胫骨前肌与半腱肌的肌肉厚度。男运动员股直肌、半腱肌、胫骨前肌3块肌肉厚度明显大于女运动员（P＜0.05）。

表3 男、女运动员肌肉形态测量结果Table 3 Measurement Results of Muscle Morphology of Male and FemaleAthletes

如表4所示，男运动员在稳定平面与非稳定平面下的稳定指数均大于女运动员，说明男运动员在两种平面下的平衡能力均弱于女运动员。

表4 男、女运动员稳定指数Table 4 Stability Index of Male and FemaleAthletes

2.2 肌肉形态与稳定指数

稳定平面与非稳定平面下男、女运动员的平衡稳定指数与肌肉形态数据分布情况如图1A、图1B所示，非稳定平面下男、女运动员的平衡稳定指数与肌肉形态数据分布情况如图1C、图1D所示，男、女运动员胫骨前肌与平衡能力相关程度较高，股直肌和半腱肌相关程度接近，均低于胫骨前肌。

图1 稳定平面与非稳定平面男、女运动员肌肉厚度与稳定指数散点图Figure 1. Muscle Thickness and Stability Index of Unstable Surface in Male and FemaleAthletes

分别对运动员在稳定平面与非稳定平面下的稳定指数（表4）与运动员下肢肌肉形态（表3）进行Pearson相关检验显示，稳定平面下男运动员的股直肌相关系数r=0.415，呈中度相关；半腱肌相关系数r=0.714，呈强相关；胫骨前肌相关系数r=0.580，呈中度相关。稳定平面女运动员的股直肌相关系数r=0.105，呈极弱相关；半腱肌相关系数r=0.425，呈中度相关；胫骨前肌相关系数r=0.630，呈强相关。

非稳定平面男运动员仅股直肌的相关系数高于稳定平面，股直肌相关系数R=0.456，呈中度相关；半腱肌相关系数R=0.114，呈极弱相关；胫骨前肌相关系数R=0.153，呈极弱相关。非稳定平面下女运动员3块肌肉的相关系数均低于稳定平面，股直肌相关指数R=0.038，呈极弱相关；半腱肌相关系数R=0.241，呈弱相关；胫骨前肌的相关系数R=0.239，呈弱相关。

3 讨论

运动员在实验1都可以完全稳定的站立，并且时间都达到了15 s。稳定平面下男、女运动员都能很好地控制自身平衡，没有进行二次测试。因为运动员具有良好的平衡能力，平衡测试过程中受到的挑战较小。在稳定平面下所有运动员ML偏移幅度大于AP。AP、ML方向上女运动员的偏移幅度大多低于男运动员。这与娄彦涛等（2016）对国家运动员的测试结果一致，女运动员稳定性优于男运动员，国家青年男运动员呈现出侧方稳定性差于前后方向的现象。同时，运动员表现出在AP偏移幅度的减少，可能由于自由式滑雪空中技巧运动员长期需要在带有坡度的雪上训练，需要单脚支撑滑板来保持身体平衡。因此，自由式滑雪空中技巧运动员对ML方向COP偏差具有一定的敏感性，并会不断修正这些偏差，保持自身在雪上的稳定位置，这是项目的特殊性所表现出来的特征。根据于作军等（2017）对2016—2017赛季自由式滑雪空中技巧世界杯和世锦赛裁判员评分尺度的解读可知，流畅的、高质量的着陆动作和滑出动作是影响裁判员评分的重要因素之一。马毅等（2014）、王新等（2011）研究了影响自由式滑雪空中技巧动作难度相关因素，认为运动员在完成难度动作时其成功率多在50%～70%的水平，优秀运动员为80%左右的水平，成功的落地动作已成为我国自由式滑雪空中技巧运动员获得冠军的关键因素。自由式滑雪空中技巧运动员落地前的时刻站立阶段主要以维持肢体固定姿势的静态平衡为主，落地后的高速滑行阶段则需要很强的静态和动态平衡能力，随着空中技巧项目动作难度的不断加大，需要提高运动员的平衡能力，加强落地稳定性，从而提高比赛成绩。

在运动员单腿站立的过程中，由于每个横向偏差的持续校正补偿，导致COP长度增加。运动员在雪上保持平衡需要更多AP方向上的调节作用，更多地训练运动员AP方向的平衡能力。所以对于自由式滑雪空中技巧运动员来说，长期的比赛与训练使其AP方向上的平衡调节能力较好，这与Walsh等（2018）研究结果一致，特定项目运动员会展示出独特的平衡特征。

在非稳定平面上，男、女运动员在ML方向上的偏移摆动都显著高于稳定平面，对比ML方向上变化幅度在平面不同的情况下，出现偏移幅度显著增大。但AP方向上的偏移幅度则有所不同。这可能是因为运动员常年在雪上进行比赛项目，雪质本身就属于非稳定平面，且自由式滑雪空中技巧运动员在空中落地在雪上，长时间的比赛与训练会对运动员在AP方向上的平衡调节起到很大的促进作用，但在ML方向上的调节作用并不好。这与本研究实验1运动员在AP与ML方向的偏移摆动情况表现出了一致的特征。

本研究实验3测量了男、女运动员股直肌、半腱肌与胫骨前肌的肌肉厚度，由于肌肉厚度直接反映了肌肉含量（李玉章等，2010）。自由式滑雪空中技巧的运动对运动员下肢肌肉要求较高，运动员在比赛中落地维持身体的平衡需要控制股四头肌和控制膝关节的小腿肌肉具有足够的力量（Guo et al.，2014，2019）。因性别差异，并受长时间训练影响，男、女运动员肌肉含量差异明显。对比男、女运动员测试的3块肌肉形态，男、女运动员的胫骨前肌的肌肉厚度均最大，相较于其他2块肌肉差距明显，这与王新等（2012）、马毅等（2012）研究结果一致，肌力不足对运动员成绩有很大影响，运动员长期比赛或训练，应该在落地保持稳定性时需要强大的下肢肌力来有效弥补落地时的臀部、背部或双手触雪的现象，来达到自身的稳定。

对不同站立平面男、女运动员的稳定指数与肌肉厚度进行相关性分析。分析表明，稳定平面与非稳定平面男、女运动员不同肌肉的肌肉厚度相关程度表现出不同的特点。稳定平面下，女运动员股直肌的相关系数较小，无相关性。女运动员胫骨前肌和半腱肌都展示出了一定的相关性，相关程度最高的为胫骨前肌。而男运动员的3块肌肉都展示出了一定程度的相关性，相关性最高的肌肉是半腱肌。不同肌肉对男、女运动员的平衡能力有不同程度的作用，可能是男、女运动员肌肉对平衡控制的不同差异，男运动员更多地依靠肌肉来控制自身的平衡能力，减少了视觉及本体感觉的参与，导致了平衡能力的差异，也是训练和比赛中要注意解决的问题。并且由于长时间进行雪上训练运动的特殊性，运动员在保持自身平衡的过程中肌肉控制展示出了不同的情况。这与Niu等（2011）对成年人双侧下肢胫骨前肌、腓肠肌外侧的表面肌电图进行分析的结果一致，不同人的肌肉在维持身体平衡会展示出不同的特征。在非稳定平面下，女运动员的所有肌肉相关系数明显低于稳定平面时，男运动员也仅股直肌的相关程度高于稳定平面。稳定平面下男、女运动员的肌肉厚度相关程度较高，表明运动员在稳定平面下，肌肉对于平衡能力的影响程度更大，肌肉更多对平衡能力起到有效作用。相反，运动员在非稳定平面下站立时，运动员下肢肌肉与平衡能力的线性相关程度下降明显，由于非稳定平面下自身的本体感觉会被削弱，维持身体的平衡更多地需要视觉、前庭觉参与，这与刘波等（2007）的研究结果一致。

本研究的不足主要是实验选择了3块影响人体平衡能力的肌肉进行测量，测量的肌肉较少。同时，对运动员的下肢肌肉没有进行肌电学分析，可能导致研究结果不全面。

4 结论

1）男、女运动员在稳定与非稳定平面展示出了相同的平衡能力特征，ML方向上的偏移幅度显著大于AP方向，ML方向上平衡调节能力稍差，对运动员整体平衡能力影响较大。

2）非稳定平面下男、女运动员ML、AP方向上的偏移幅度均大于稳定平面，平衡能力弱于稳定平面。

3）稳定平面下运动员平衡能力与下肢肌肉相关性较高，不同肌肉的相关程度不同。

4）不同平面下平衡能力与肌肉厚度展示出的相关性不一致，非稳定平面下平衡能力与肌肉厚度的相关性程度较低，肌肉在非稳定平面下对平衡控制主导因素下降。