掷运动项目中运动员躯干旋转肌群与积分肌电的关联

　　标枪、铅球运动是快速力量性项目，铅球的技术过程为人体重心“向后”的线性或旋转加速运动，过渡到最后用力； 而标枪的技术过程为人体重心“向前”的线性加速过程，衔接投掷步和最后用力。尽管二者的技术动作不同，但躯干旋转动作接近，躯干旋转肌群均下固定收缩，使脊柱回旋。再者，躯干的脊椎结构和人体动力链的“核心柱”地位，所产生的转动与髋部相比，尽管也只是处于从属和次要地位，它是在髋部转动的基础上起作用于投掷器械的力量和速度叠加效果，但躯干旋转动作在整个推射或者鞭打动作中亦然具有承下启上重要作用，脊柱回旋可加大上肢屈伸的运动幅度，也是提高上肢带肌及腹肌收缩力量的先决条件。

　　因此，躯干旋转肌力也是影响该项目运动员运动能力的重要因素之一。

　　关于躯干肌群的力量、肌肉募集特性评定目前主要是应用等速测力系统和表面肌电信号分析技术。表面肌电信号分析技术是近年来日渐完善的肌肉功能评价方法。该方法在评价肌肉功能状态方面，具有良好的可靠性、灵敏性、特异性和局部性； 检测过程具有无创性、实时性和多靶点测量的优点，[1]如 Caliandro 等在疾病诊断领域应用表面肌电研究帕金森病神经肌肉状态和运动功能研究。[2]表面肌电、等速测试稳定性较好，评定肌痉挛有良好的信度，联合应用可作为评定肌痉挛的量化指标。[3]

　　在研究表面肌电图的信度报道中，发现无论静态收缩还是动态收缩，变异系数一般不大于 0. 100-0. 150,认为表面肌电图的基本参数稳定可靠。[4]

　　Roland 等应用等动训练仪结合表面肌电技术，成功探讨了网球运动员的肩部肌肉外旋疲劳特征，认为这两种技术的结合对于设计网球训练计划具有极大的帮助作用。[5]

　　当肌肉以不同负荷进行收缩时，积分肌电（ Inte-grated Electromyogram,IEMG） 同肌力成正比关系，当肌肉用 40% MVC（ maximum volunteer contraction,MVC）以下强度收缩时，肌力与肌电呈线性关系； 肌力在40% - 60% MVC 收缩时，肌力与肌电之间的线性关系往往就不存在了； 60% MVC 以上强度时，肌力与肌电也呈线性关系[17].那么，IEMG 在等动训练中和肌力矩关系如何，可否作为判断肌力矩大小的相关指标，这一问题在训练实际中，投掷教练员也特别关注躯干旋转肌群的生物力学特征，尤其是肌群力量与肌电特征关系，是否可以为训练提供量化参考显得尤为重要。

　　本研究的目的是试图应用等动测试仪结合表面肌电仪，探索投掷运动项目中标枪、铅球运动员躯干左右旋转肌群的肌力与表面肌电积分肌电指标关联特征及各肌肉活动贡献度大小。

　　1 研究对象和方法
　　
　　1. 1 研究对象选取河南省田径队投掷项目所有 9 名男子运动员为研 究 对 象，年 龄 为 20 ± 2. 9 岁，体 重 为 108 ±12. 71kg,平均身高为 187 ± 3. 56cm,运动年限为 5 ±2. 5 年，运动等级分别为国家健将（ 2 名） 、一级（ 5 名）和二级（ 2 名） ,健康状况良好，测试时肌肉无病变，24小时内无剧烈运动，身体机能未处于疲劳状态，运动员了解测试过程，自愿参加实验。

　　1. 2 研究方法
　　
　　1. 2. 1 实验法
　　
　　1. 2. 1. 1 实验仪器德国产 ISOMED2000 等动测试系统，该系统有向心、离心、等长三种测试和训练模式，可得到关节活动范围、最大峰力矩、功、功率等指标。最大向心/离心力矩为700 Nm,测试速度0 ~560（ °） /s; 美国产表面肌电图测试仪 Noraxon Telemyo 2400T 无线遥测系统，分析软件采用系统专用 MyoResartch XP Master Edition1. 07. 05 版，采样频率为 1500 Hz / 通道。肌电测试系统的技术参数为： 基线噪声 < 1μV rms; 噪声 < 2LSB;输入阻抗 >100MΩ； 巨磁阻抗（ CMR） >100dB; 频率响应（ Frequency Response） : 5-1000Hz; EMG 通道硬件增益（ Gain） : （ 1000） × 1 倍、× 2 倍、× 4 倍、× 5 倍、× 8倍、×10 倍变化； 传送数据采集系统分辨率： 12dB; 采样频率 1000、2000、3000、6000 样本/秒/通道； 符合IEC60601-2 - 40 防电磁及 IEC60601-1 安全临床肌电医疗器材标准（ CE） .

　　1. 2. 1. 2 测试方案及流程电极的安放： 对皮肤进行打磨，酒精擦拭处理后，使用皮肤表面 Ag-AgCl 电极（ Noraxon 厂商处电极） ,电极直径为 1cm,两电极中心相距为约 2cm,参考电极贴于右侧锁骨处。电极粘贴的方法参考 Edward F. Delagi等和欧盟推荐的表面肌电电极粘贴标准[5]进行电极定位粘贴和固定，所测肌群见图 1,使用中参阅 The ABCof EMG[6]MyoResearch XPMaster Manual 等操作手册。

　　实验前，打开 ISOMED2000 预热1-2h,连接好表面肌电遥测系统，检查肌电信号是否良好，同步记录肌电信号和等动测试数据； 被试者坐于等动测试系统附件---躯干旋转椅上，要求躯干垂直于座椅水平面，按操作手册要求进行相应关节的固定（ 见图 2） .每种测试速度进行 2-3 次练习以便让被试者熟悉动作，教练员及测试人员在现场加以鼓励，然后让被试者尽自己最大努力完成躯干左右旋转动作； 每组速度下测试 6次，组间间歇 3-5min,测试完毕，保存数据。

　　1. 2. 2 数据处理等动数据峰值力矩（ Peak Torque,PT） 取六次测试各指标最大值的平均值； 肌电数据取自六次动作中中间一个左（ 或右） 旋完整动作，采用系统专用 MyoRe-sartch XP Master Edition 1. 07. 05 版软件分析，原始肌电信号经过滤波，全波整流，平滑处理，计算出平均积分肌电值。肌肉活动贡献度 根 据 郭 峰 等 的 方 法计算。[7]

　　采用 spss18. 0 软件包对躯干左旋、右旋等动数据结果进行配对 T 检验分析处理，统计结果采用“平均数 ± 标准差”（ x ± SD） 表示，置信区间 95%.显着性水平为 P <0. 05,非常显着性水平为 P <0. 01.

　　2 实验结果
　　
　　在等动测试中，我们得到 60°/s、90°/s、120°/s、150° / s、180° / s 五种速度下，等速数据峰值力矩均值趋势图，如图 5 所示。由于篇幅的限制，我们仅列举150° /s 速度下，左右腹外斜肌、背阔肌、斜方肌中部、斜方肌下部 IEMG 主要数据如表 1 所示。肌肉活动贡献度如图 3、图 4 所示。等速训练不同速度下各肌肉积分肌电均值如图 6 所示。如图 3、图 4 分别所示，在等动测试 60°/s、90°/s等 5 种速度下，肌群任务组呈现出一定规律，即由人体前面观察，躯干左回旋时，右腹外斜肌、右斜方肌中部、左斜方肌中部、左斜方肌下部、左背阔肌几乎同步作主动收缩； 躯干右回旋时，左腹外斜肌、左斜方肌中部、右斜方肌中部、右斜方肌下部、右背阔肌几乎同步作主动收缩。肌群任务组中各肌肉活动贡献度不具有明显的规律，但斜方肌（ 或其不同部分） 在整个躯干回旋中具有较大作用。如图 5 所示，无论是铅球还是标枪项目运动员躯干左右旋转峰值力矩趋势相近，且最大值均表现在150° / s 速度上。如图 6 所示，等动训练不同速度下，各肌肉 IEMG均值接近，不具有统计学差异（ P >0. 05） .

　　3 分析与讨论
　　
　　3. 1 躯干旋转肌群时序特征躯干的回旋运动是由于躯干肌群有顺序的同时活动而发生的。参与工作的肌肉有： 腹外斜肌，腹内斜肌，前锯肌、夹肌、提肋肌、肋间外肌和肋间内肌、背阔肌、斜方肌、大菱形肌和小菱形肌等肌肉。[8]

　　表面肌电所能测试的躯干回旋肌肉主要有腹内外斜肌、背阔肌、斜方肌。Hodson-Tole 等提出了运动单位任务组的概念，虽然其功能特征尚不清楚，但仍认为运动单位会以组群形式应运动任务的机械需要而发生不同的活动。[9,10]

　　检测肌肉激活的要求： ①当肌肉不活动时，无肌电图信号； ②当肌肉活动时，肌电图信号能从噪声中分离出来[11].本次实验中，根据 Kibler 等、[12]Samuel 等[13]的方法，记录每块肌肉安静时肌电原始信号作为基础值，并求出一段时间的基础值的平均值、标准差（ SD） .

　　肌电激活起始、结束时刻以幅值等于“基础值平均数± 3SD”计算。

　　如结果中所示，在等动测试60°/s、90°/s 等5 种速度下，躯干左、右回旋时呈现出一定规律。以上肌肉均在下固定时做向心收缩活动。正如 Hodson-Tole 等提出的运动单位任务组观点，躯干左右旋转的运动单位任务组由于运动任务的不同而发生不同的活动。这是由于长期的专项化训练，神经肌肉系统已具有一定的适应性。神经中枢协调主动肌和拮抗肌，按一定的时序激活、募集主动肌运动单位任务组，同时抑制拮抗肌运动单位任务组，达到动作流畅，运动高效目的。

　　3. 2 躯干旋转肌肉活动贡献度分析肌肉活动贡献度是指一块肌肉在完成某一动作时特定的时间内的积分肌电值与所参与完成该动作所有肌肉的积分肌电总和的百分比值，也称为肌肉做功百分比。[7]

　　它可以反映出每块参与活动的肌肉在所完成的动作中所发挥的作用大小，体现动作中的主要发力肌肉，同时它还能反映运动员动作技术优劣。本实验中，躯干旋转肌肉活动贡献度定义为： 躯干左（ 右） 回旋时，已测所有主动肌的积分肌电值总合为 100%,所测各个肌肉或某一肌肉的局部的积分肌电除以总和。

　　躯干左/右回旋时，由前面分析可知每名被试肌肉群时序基本呈现相同的规律，但具体每块肌肉或同一肌肉不同部分的激活程度并不相同。可见每名被试者神经肌肉控制策略各不相同。

　　应用表面肌电仪测试肌肉活动时，不可避免受到很多因素影响。对肌肉做肌电测试大多数是在运动状态中，所以影响 sEMG 表现特征主要有： 运动性质（ 静力性、动力性） 、强度、肌肉的收缩形式（ 离心、向心收缩） 、所选肌肉、受试者的个体特点、提取特征量的计算方法等。钾离子浓度增加或减少均可显着地影响表面肌电的变化，氢离子浓度显着增加可使肌肉频率（ MF） 下降、IEMG 值增加，而温度变化对表面肌电影响很小[14].时域指标的测量亦易受受试者皮下脂肪厚度的影响，皮脂越厚，电阻越大，相关分析表明，IEMG 和时间序列曲线的斜率与皮脂厚度呈显着负相关（ r = - 0. 56,P = 0. 03） .[15]

　　本次实验在预实验和正式实验中，正是由于被试者皮脂较厚，腹内斜肌肌电几乎为零，故没有将测试的腹内斜肌表面肌电特征值加以分析。根据《运动解剖学》知，躯干左回旋时，左腹内斜肌主动收缩； 躯干右回旋时，右腹内斜肌参与收缩。

　　[8]本次实验中，发现五种速度下的各个运动员自身的积分肌电值几乎相同如图 6 所示。因此，我们也只分析了 150°/s 速度下的肌肉活动贡献度特征。由表1,图 3、图 4 知，肌电个别数据离散性较大，所测肌肉活动贡献度也各不相同，看不出所表现的规律。可能的原因一是本次测试的运动员水平不同，项目也有一定的差异； 二是样本量较小； 再有可能的原因是每个人神经肌肉控制策略不同所致。

　　本实验中，几乎所有被试的斜方肌中部、下部活动贡献度处于较高水平，且斜方肌中部、下部作用不同，提示在分析神经肌肉功能时，要结合动作、负荷等条件共同分析，才有可能揭示神经肌肉之间的机理。同时，我们注意到斜方肌不同部位对于躯干回旋作用不同，说明在描述肌肉功能时，神经控制肌肉内的协调配合需要具体到每块肌肉的哪一部位收缩占主导作用。因此在设计训练动作时，要有针对性。设计训练动作应分清是针对整块肌肉训练的动作还是针对同一块肌肉的某一专门部位训练的动作。这样在肌肉训练中就会有的放矢，从而使真正薄弱肌肉或者某一部位不会被遗漏，既保障了运动水平的正常发挥，也可预防运动损伤出现。根据本次测试我们发现整个被试斜方肌在躯干旋转中肌肉活动贡献度均较大，而其它肌肉活动贡献度在不同被试大小各异，可见斜方肌在脊柱旋转中作用不可忽视，要加强训练该肌肉。同时其它躯干旋转肌肉也要加强训练，以增强其作用，提高其肌肉活动贡献度，躯干回旋会更加有力、高效。肌肉活动贡献度的不同，是否还说明存在最佳贡献度组合，有待以后进一步研究。

　　3. 3 躯干左、右侧旋转峰值力矩与表面肌电的关系峰值力矩（ PT） 是最常用的等动测试指标。等动测试中，关于60°/s、90°/s、120°/s、150°/s、180°/s 五种速度下峰值力矩的变化，桂海荣（ 2012）[16]等发现各种速度下躯干左右旋转峰值力矩趋势相近，最大值均表现在 150°/s 速度段上。进一步探究产生这种现象的原因，肌肉收缩时产生的张力的大小，取决于快慢肌纤维百分比，亦取决于活化的横桥数目； 而收缩速度则取决于能量释放速率和肌球蛋白 ATP 酶活性，与活化的横桥数目无关[17].在 60°/s 等较低速度下，一是可能由于神经兴奋性较低，募集的肌纤维较少，从而活化的横桥数目较少； 二是可能募集的慢肌纤维较多，快肌纤维较少，而慢肌纤维百分比较高的肌肉产生的力量较小，从而导致在低速运动时，肌肉的峰值力矩较小。当在合适的速度下（ 如 150°/s） ,神经兴奋性较高，募集的快肌肌纤维较多，活化的横桥数目较多，能量释放速率较合适，肌球蛋白 ATP 酶活性达到最高，产生了该速度下最大力矩。而在较高速度 180°/s 下，可能的情况是： 虽然神经兴奋性高，募集的快肌纤维较多，但能量释放速率过快，肌球蛋白 ATP 酶活性反而降低，此时肌肉力量又与活化的横桥数目无关，导致力量下降。

　　从长期专项训练神经适应性来看，由于投掷项目特点，需最佳负荷和最佳速度相结合才能产生最大爆发力，最大力量也需处于最佳的神经肌肉活化状态才能发挥出来。该研究说明对投掷运动员进行等动力量训练时，并不是训练速度越高，躯干旋转肌群力量增加越大，可能存在与最大肌力匹配的最佳训练速度。

　　在等动训练每一速度下，肌肉向心主动收缩，不会产生爆发式运动，其长度缩短，收缩速度基本不变，肌力值越高，张力越大，肌肉在运动全过程中的任何一点都能产生最大力量。本次实验中，要求运动员以最大肌力进行测试，而且肌肉在整个运动范围内都能产生最大的肌张力，发现五种速度下的各个运动员自身的积分肌电值几乎相同如图 6 所示。对于肌力与肌电关系，Astrand[18]在其着作中已表明表面肌电图与肌力的关系： 在最大用力收缩时，无论是静力、向心、离心、还是速度快慢，肌电积分值均相同。因此，我们也只分析了 150°/s 速度下的肌电特征。结合如图 5 所示，不同速度下峰值力矩数据可知，尽管每一速度下的最大力矩并不相同，但都反映出该速度下的肌肉最大用力。

　　可见投掷项群运动员躯干肌肉最大用力时，虽然肌力值在改变，但积分肌电值保持不变，和 Astrand 研究结论一致。

　　李翰君等研究认为，用 EMG 表示肌力要非常谨慎，用其表示肌肉激活程度更为合适，因为肌力还跟长度 - 张力关系、速度 - 张力关系有关[19].

　　本研究中主要不足之处在于样本量偏小，结论的普适性受到一定的限制。我们期待以后结合更多的高级别如国际健将投掷运动员继续加以探索。

　　4 结论
　　
　　（ 1） 等动训练中，不同速度下积分肌电值和峰值力矩变化趋势不一致，单一积分肌电值指标不能反映峰值力矩变化特征。

　　（ 2） 等动训练中，躯干旋转肌群表面肌电时序一致，各肌肉活动贡献度大小不同，斜方肌肌肉活动贡献度处于较高水平。

　　参考文献：

　　[1] 王健，方红光，刘加海。 表面肌电信号分析下腰痛研究中的新方法[J]. 中国康复医学杂志，2004,19（ 8） : 627-630.
　　[2] Caliandro P,Ferrarin M,Cioni M,et al. Levodopaeffect on electromyographic activation patterns oftibialis anterior muscle during walking inParkinson's disease [J]. Gait Posture,2011,33:436-441.
　　[3] 李雪萍，程凯，周俊，等。 表面肌电联合等速测试评定肌痉挛的临床研究[J]. 中国现代医学杂志，2010,20（ 04） : 605-608.
　　[4] 李青青，吴宗耀，罗利平。 表面肌电图的信度研究[J]. 中国康复医学杂志，2006,21 （ 03） :224-227.