高水平短跑運動員途中跑擺動技術表面肌電(sEMG)特征

張 杰，吳 瑛，康文峰

(1.上海體育學院體育教育訓練學院，上海 200438;2.上海體育學院教務處，上海 200438; 3.河南科技大學體育學院，河南洛陽471003)

高水平短跑運動員途中跑擺動技術表面肌電(sEMG)特征

張 杰1，吳 瑛2，康文峰3

(1.上海體育學院體育教育訓練學院，上海 200438;2.上海體育學院教務處，上海 200438; 3.河南科技大學體育學院，河南洛陽471003)

運用表面肌電遙測和高速攝像同步測試方法，結合功能解剖學知識，揭示我國部分高水平短跑運動員途中跑擺動技術肌肉活動特征。結果表明:短跑途中跑擺動技術肌電特征表現為明顯的時序性，肌肉間的收縮具有高度協調性。在完成擺動技術動作中，折疊前擺階段，闊筋膜張肌、股直肌等屈髖肌以及脛骨前肌是參與活動的主要肌群;下壓著地階段，臀大肌、股二頭肌長頭、半腱肌是參與活動的主要肌群。在專項力量訓練實踐中，教練員應結合髖關節屈伸肌群的發力范圍、發力特點，優選專項力量訓練的手段，以提高訓練效果。

短跑;擺動技術;表面肌電;肌肉活動特征

在現代高水平運動員的專項訓練中，通常采用圍繞關鍵技術環節運動特征以局部的單肌群進行力量訓練［1］，研究表明，發展擺動技術的肌肉力量采用的練習手段與完成短跑專項技術的肌肉用力特征一致，有助于提高訓練效果。表面肌電信號是神經肌肉系統的生物電變化在皮膚表面加以引導、放大，并記錄和顯示所得到的一維時間序列信號［2］。通過研究表面肌電信號的時頻域特征可以有效反映肌肉的活動和功能狀態，能在一定程度上反映神經肌肉的活動。因此，本文基于現代短跑技術理念，運用表面肌電遙測和高速攝像同步測試方法，深入分析擺動技術的肌肉活動特征，以進一步認識短跑途中跑擺動技術的動作特點和肌肉活動特點。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以我國6名(健將級3人，一級3人)男性高水平短跑運動員為實驗對象，受試者平均年齡22±3 yr，身高181±9cm，體重70±7 kg。

1.2 實驗方法

1.2.1 數據采集 運動學數據運用MotionPro X－4 (美國產)高速攝像機對短跑途中跑一個復步動作進行定點定焦拍攝，攝像機主光軸與運動平面垂直，拍攝范圍7米，拍攝距離35米，機高1.1米，采樣頻率100Hz，曝光時間1/1000s。

肌電數據運用Biovision(德國產)16通道無線遙測表面肌電測試儀進行采集，采樣頻率1000Hz。所測肌肉為右腿闊筋膜張肌、股直肌、股內、股外側肌、臀大肌、股二頭肌長頭、半腱肌、脛骨前肌、腓腸肌內側頭、腓腸肌外側頭。肌電數據與運動學數據通過無線同步信號器實現同步采集。

1.2.2 數據處理 運用德國SIMI motion錄像解析軟件對運動學圖像進行解析，選取Dempster模型作為運動學分析的慣性參數。采用二階低通濾波法對原始數據進行平滑，截止頻率10Hz。運用DASYlab8.0肌電分析軟件對原始肌電數據進行處理，原始肌電經帶通濾波(截止頻率20－400Hz)，全波整流，求積分肌電(IEMG)［3－4］。相關數據的時間標準化處理:把完整擺動技術過程作為100%，對數據進行樣條插值，取每1%標準化時刻的數值。文中數據的運算與作圖運用Excel2003及origin7.0軟件完成，運動學各環節角度定義為:大腿角:大腿與通過髖的水平線構成的后夾角;小腿角:小腿與通過膝的水平線構成的后夾角;膝關節角:髖、膝、踝三關節所構成的后夾角。

2 結果與分析

2.1 運動學

根據研究目的需要，選取擺動腿大腿角度、角速度以及小腿角度、角速度作為分析指標，由圖1可知，折疊前擺階段，在擺動初期，大腿角有短暫的減小，隨后由最小值59°增至最大160°。小腿角呈現由減小到增大再略微減小的趨勢。從圖2發現，大腿角屈角速度與角度變化的趨勢比較相似，但在時間上不同步，表現為大腿角屈角速度出現峰值的時間(44%)早于關節角度(67%)。進一步觀察發現，在垂直支撐時刻前，小腿角屈角速度與大腿角屈角速度先后均出現峰值。

下壓著地階段，大腿角持續減小，大腿角伸角速度不斷增大;小腿角持續減小，并且在擺動技術標準化時間的62%處，小腿角伸角速度達到峰值，且小腿環節角速度峰值大于大腿環節角速度峰值。

2.2 表面肌電圖

2.2.1 原始肌電圖 原始肌電圖是由肌電采集系統直接采集，沒有經過任何信號處理的肌電信號圖。原始肌電圖能夠很好的反映肌肉激活的順序、停止活動的順序以及它們之間的協調性作用關系［3］22。如圖3，運動員支撐腿蹬離地面瞬間，腓腸肌、股二頭肌、半腱肌的電活動逐漸消失［6－7］，其后，闊筋膜張肌、股直肌、脛骨前肌依次出現強烈的電位活動，垂直支撐時刻后，大腿股后肌群、臀大肌的電位活動最為強烈，并且一直持續到準備著地時刻。與此同時，股四頭肌也出現了電活動。隨后，腓腸肌內側頭和脛骨前肌幾乎同時出現電活動。在下壓著地階段，除闊筋膜張肌電位明顯降低外，其它各肌群都保持較高的電活動。擺動期，擺動腿各肌群活動的先后順序為:闊筋膜張肌－股直肌－脛骨前肌－股后肌群(股二頭肌長頭、半腱肌)－臀大肌－腓腸肌內外側頭－股四頭肌(股內、股外、股直肌)。

2.2.2 積分肌電(IEMG)及肌肉活動貢獻度 積分肌電(IEMG)是指肌電圖曲線所包絡的面積，它在一定程度上反映了一定時間內肌肉中運動單位的放電總量［3］4。肌肉活動貢獻度是指一塊肌肉在完成某一動作時積分肌電值與所測參與完成該動作所有肌肉積分肌電總和的百分比值，也稱肌肉做功百分比。它可以反映每塊參與活動的肌肉在完成動作中發揮作用的大小、體現動作中的主要用力肌肉。

3 討論

3.1 短跑途中跑擺動技術動作肌肉活動特點及對訓練實踐的啟示

3.1.1 時序性及協調性 整體觀察發現(見圖3)，擺動期擺動腿的肌電活動表現出高度的協調性、時序性。折疊前擺階段，支撐腿蹬地結束后，運動員進入無支撐的騰空期，騰空期的技術動作表現為大腿帶動小腿加速前擺，在高速前擺的慣性作用下，大小腿充分折疊［7］。對照肌電圖發現:折疊前擺階段，特別是在擺動腿擺過(另一腿)垂直支撐時刻前，屈髖肌(闊筋膜張肌、股直肌)電位強度較高而伸髖肌群(臀大肌、股二頭肌、半腱肌)未見明顯的電位活動，即拮抗肌表現為適時的放松狀態;下壓著地階段，擺動腿的技術動作表現為大腿積極下壓，小腿回趴，準備著地。這一階段，伸髖肌(臀大肌、股二頭肌、半腱肌)表現出協同放電，而股直肌和闊筋膜張肌等屈髖肌的電位活動明顯減弱，也說明了拮抗肌的快速放松能力。短跑是典型的速度型項目，在高速跑動過程中，神經系統對肌肉快速收縮和放松的動員能力強、精確性高［8］，擺動期主動肌快速收縮時，拮抗肌適時放松不僅有利于主動肌快速收縮，而且能減少動作周期中能量的消耗，實現能量“節省化”，提高下肢肌肉的工作能力，肌肉的協調放松能力是短跑放松跑的重要體現［9－10］。

3.1.2 雙關節肌的活動特點 雙關節肌股二頭肌長頭、半腱肌均起自坐骨結節，分別止于腓骨頭和脛骨上端內側。折疊前擺階段，有觀點認為伸髖屈膝肌(股二頭肌長頭、半腱肌)是影響大小腿折疊角的主要肌群，由于髖關節在前擺初期還處于伸展狀態，使這些肌肉保持較高的激活水平，造成了屈膝折疊力量的主動不足［11］。近來，越來越多的研究認為:使小腿屈曲的工作不是由股后肌群完成的，而是在支撐期蹬伸的后效應引起的隨勢動作［5－7］，特別是在大腿加速前擺的慣性作用下，促進了大小腿迅速折疊。本研究也發現:擺動前期，股二頭肌長頭、半腱肌并沒有出現積極放電且放電頻率較高的現象(見圖3)，可以推斷大小腿的折疊動作并不是騰空期股二頭肌積極收縮的結果。因此，傳統練習手段中過多強調后收腿練習以提高大小腿折疊能力的有效性值得斟酌，相比較而言，增強屈髖肌的專項力量，改進蹬地技術，對騰空期大小腿的快速折疊、前擺具有重要意義。

在擺動腿擺過身體垂直支撐面以后，股二頭肌、半腱肌被動拉長，使大腿前擺減速，積極下壓。在下壓過程中，股后肌群同時參與活動以控制小腿進一步伸展。這一階段，股二頭肌作為伸髖動作的原動肌同時作用于膝關節使膝關節屈，存在多關節肌的“主動不足”［12］。所以，在專項力量訓練實踐中，長期采用俯臥后屈腿練習作為股后肌群專項力量訓練的手段是一個誤區，其肌肉工作的性質與途中跑過程中肌肉工作的性質并不一致，我們必須根據股后肌群的工作特點，即要充分發展股后肌群的快速向心力量訓練，尤其要重視股后肌群等超長收縮模式下的肌肉力量訓練。

雙關節肌中的股直肌起于髂前下棘，止于脛骨粗隆，近固定收縮時，使小腿在膝關節處伸，也可使大腿在髖關節屈。如圖3所示，折疊前擺初期，股直肌的活動強烈，當擺動腿擺過身體垂直支撐面后，股直肌的電活動較小，直到準備著地前再次出現較為明顯的電位變化。折疊前擺階段，股直肌向心收縮使大腿屈并使小腿在膝關節處伸，觀察肌電圖發現，伸膝時股直肌肌電微弱，最優秀的運動員股直肌幾乎沒有肌電活動，也就是股直肌的放松能力更強，所以，折疊前擺階段，擺動腿大腿股直肌快速收縮與放松機制，是雙關節肌股直肌肌肉力量訓練的重點，不僅要發展股直肌屈髖的速度和力量，還要注重屈髖后股直肌的快速放松能力。

3.1.3 主要用力肌肉與用力范圍 圖4表明:折疊前擺階段，闊筋膜張肌、股直肌、脛骨前肌的貢獻度較大，應為主要用力肌肉;下壓著地階段，股二頭肌長頭、半腱肌、臀大肌的貢獻度較大，應為主要用力肌肉。在完成擺動技術過程中，同一動作階段，不同塊肌肉活動的貢獻度存在明顯差異;同一塊肌肉的貢獻度在不同動作階段也明顯不同。為進一步量化主要用力肌肉的這種活動特點，我們把原始肌電圖(見圖3)中各肌肉肌電活動由激活至出現明顯衰減時對應的關節角度作為該肌肉的發力范圍(見表1)。這是因為人體的各種運動都是在神經系統的支配下，由肌肉收縮牽引骨以關節為支點發生的轉動。

表1 短跑途中跑擺動技術主要用力肌肉活動與關節角度對應關系

盡管在實踐中，我們很難精確地掌握各關節的角度，但是在進行專項力量訓練時，必須根據肌肉用力的特點與范圍，有針對性地選擇訓練手段，提高訓練的科學性，提高運動成績。

4 結論

(1)在完成短跑途中跑擺動技術動作過程中，擺動腿的肌電活動表現出高度的協調性、時序性。擺動期所測肌肉活動的先后順序:闊筋膜張肌－股直肌－脛骨前肌－股后肌群(股二頭肌長頭、半腱肌)－臀大肌－腓腸肌內外側頭－股四頭肌(股內、股外、股直肌)。

(2)擺動初期:運動員支撐腿蹬離地面后，雙關節肌(股二頭肌長頭、半腱肌)的活動迅速消失，并不是影響大小腿折疊的主要肌群，當(支撐腿)垂直支撐時刻后，擺動腿股后肌群(股二頭肌長頭、半腱肌)的活動明顯，股后肌群作為伸髖動作的原動肌同時作用于膝關節，使膝關節屈，存在雙關節肌的“主動不足”。

(3)在完成短跑途中跑擺動技術動作過程中，同一動作階段，參與活動肌肉(肌群)的貢獻度不同;折疊前擺階段，以闊筋膜張肌、股直肌為代表的屈髖肌，脛骨前肌應為主要用力肌肉;下壓著地階段，臀大肌、股二頭肌長頭、半腱肌應為主要用力肌肉，主要用力肌肉在不同關節角度、不同動作時相活動的強度不同。

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Top Sprinters＇sEMG Characteristics in Swinging Skills

ZHANG Jie et al
(Shanghai University of Sport，Shanghai China 200438)

By using the methods of sEMG synchronized with high－speed camera and combining functional anatomy knowledge，the paper analyzes high－level sprinters＇characteristics of muscle activity in their swinging skills to guide special strength training，with the results indicating that EMG of swinging skills are characterized by obvious time series and high coordination of muscle contraction.During the phase of forward－swinging，hip flexor muscles(tensor fasciae latae，rectus femoris，tibialis anterior)are highly active.In the phase of pressing，hip extensor muscles(gluteus maximus，biceps femoris，semitendinosus)are the main muscle groups.Therefore，in the training of special strength，we should fully understand its working characteristics in order to optimize special strength training and improve training efficiency.

sprint，swinging skill，surface electromyography，characteristics of muscle activity

G804.2 Document code:A Article ID:1001－9154(2011)09－0051－04

G804.2

A

1001－9154(2011)09－0051－04

上海市科委重點科研計劃項目(08490512900);上海市教委第五期重點學科建設資助項目(J51001)

張杰(1979－)，女，河南信陽人，講師，博士研究生，研究方向:體育教學與訓練。

2011－05－24