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优秀短距离女子速滑运动员途中滑单步周期腿部肌肉肌电特征研究

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  摘要:通过分析短距离速滑运动员途中滑单步周期腿部肌电特征,探讨途中滑单步周期腿部肌肉动作和协调模式。运用表面肌电遥测系统和高速摄像机同步测试,对原始肌电图进行RMS时域转化,再进行均化处理。结果:途中滑单步周期中胫骨前肌有效放电时间最长,臀大肌最短,股四头肌和股后肌群有效放电时间集中在蹬冰期;除胫骨前肌在弯道左单步周期落腿阶段出现振幅峰值外,其余肌肉肌电峰值都出现在蹬冰期;直道左、右和弯道右单步周期腿部主要用力肌肉依次是股内肌、胫骨前肌和股外肌,弯道左单步周期腿部主要用力肌肉依次是股内肌、胫骨前肌和腓肠肌。结论:因弯道技术形成的腿部肌肉激活惯性导致股内肌在直道左单步周期落腿阶段出现多余放电;直道单步周期左右腿动作模式一致,肌肉协调模式不一致,弯道单步周期左右腿动作模式和肌肉协调模式都不一致;女子短距离速滑训练实践过程中对胫骨前肌和臀大肌可能存在认知上的误区,应加强非平衡状态下胫骨前肌力量。在实践训练中应把握这些细节,有针对性地发展腿部力量。
中国论文网 /4/view-11515734.htm
  关键词: 速度滑冰;单步周期;有效放电;振幅峰值;肌肉贡献度
  中图分类号: G 804.22文章编号:1009783X(2015)06056306文献标志码: A
  Abstract:By analyzing leg muscle EMG characteristics in singlestep cycles of shortdistance speed skating athletes,this paper sets to study on the movement and coordination mode of leg muscles in singlestep cycles.Methods:Synchronous test of both surface EMG telemetry system and highspeed camera is employed to conduct time domain transformation on original EMG which is further applied to homogenization treatment.Results:1) The peak amplitude of the top four left leg muscles were the vastus medialis,vastus lateralis muscle,tibialis anterior and gastrocnemius muscle;the peak amplitude of the top four the right leg muscles were the femoral muscle,tibialis anterior muscle and gastrocnemius,vastus lateralis;the left and the right leg amplitude peak minimum were the gluteus maximus muscle;2) the longest time of the left and the right leg muscles effective discharge were the tibialis anterior muscle,the shortest were the gluteus maximus;3) In the singlestep cycle,the greatest contribution of the leg muscles of vastus were inner thigh muscle,followed by anterior tibial muscle and vastus lateralis.Conclusions:1) The singlestep cycle of the all leg muscles amplitude peak appeared in the tic glacial stage,in the gravity transfer stage and the tic glacial stage,the quadriceps femoris and the muscle group of back femoris showed similar amplitude peak and appeared coactivation phenomenon;In the left and the right leg's singlestep cycle,the amplitude curves of the ankle joint muscles were consistent,the peak amplitude of the tibialis anterior muscle appeared in the gravity transfer stage,the peak amplitude of gastrocnemius muscle appeared in the tic glacial stage.2) In the singlestep cycle,the vastus medialis,the tibialis anterior muscle and the vastus lateralis relative to the other leg muscles,their effectively discharging time was the longest,their work was the biggest and they completed the singlestep cycle action role was also the largest;however,compared with the other leg muscles,the gluteus maximus effectively discharging time was shortest,the work was the smallest and completed the singlestep cycle action role was little.3) Athletes of the left and right leg was consistent in the singlestep cycle operation mode,but in the swing phase,the left was more active than the right leg,the tic glacial stage,the specific coordination model of the leg muscles were different.   Keywords:speed skating;singlestep cycle;effective discharge;peak amplitude;muscle contribution degree
  度不高和专项训练细节把握不够等是限制我国短距离速滑项目持续性发展的主要问题。竞技体育发展至今,运动训练已进入多学科综合运用的科学训练阶段,运动员的竞技成绩比较接近,竞争主要集中在专项训练的细节把握上。科研、教练组为更细致地了解项目技术特点,以发现和改善训练中存在的问题,对重点队员途中滑单步周期进行了表面肌电遥测和高速摄像同步测试,通过分析运动员单步周期腿部肌肉肌电特征,揭示腿部肌肉发力规律。通过对运动员途中滑腿部肌电分析,揭示滑跑技术腿部肌肉的动作模式和协调特征,为女子短距离速滑运动员腿部力量训练提供理论指导。
  1研究对象与方法
  1.1研究对象
  以我国短距离女子速滑重点队员金佩玉、于静、张虹和王北星为实验对象,采集范围包括弯、直道左右腿连续5次单步周期。运动员测试前通过辅导,理解实验意图,身体健康无异常,在测试前24 h无剧烈运动。
  1.2实验数据采集与处理
  数据采集:使用TM6710CL高速摄像机和芬兰MEGA电子有限公司ME6000T16肌电测试系统采集运动学和肌电学数据,腿部肌电贴片肌肉为胫骨前肌、腓肠肌外侧头、股四头肌内侧头、股四头肌外侧头、股四头肌直肌、股二头肌、半腱肌和臀大肌。
  实验控制:本研究采集4名运动员第1弯道和第2直道阶段第2~6步连续5次左右腿单步周期原始肌电数据。为了控
  制肌肉疲劳因素对肌电数据的影响,对每一名运动员都进行240°/s等速肌力实验,分析骨直肌肌电数据,发现与4名运动员采集素材相同时域里的等速肌力测试股直肌IEMG都没有显著性差异(P<0.05),验证了肌肉疲劳因素对肌电数据影响较小,4名运动员实验数据有一致性,实验数据有统计学意义,同时严格控制运动员实验前准备活动量,使之保持一致性。
  数据处理:首先对连续5次原始肌电图进行RMS时域转化,然后经RMS平均化得出运动员弯直道左、右腿平均肌电数据。运用肌电测试系统自带分析软件进行数据处理,获取相关肌电参数。
  1.3单步周期动作时相划分
  途中滑包括直道滑跑和弯道滑跑,因为弯道向心力的作用,弯道滑跑技术特点不同于直道滑跑,但从动作模式结构来看,两者单步周期动作时相构成一致。发力脚离地起到发力脚离地止为单步周期(如图1所示),单步周期的起点和终点为实验设置的2个同步点,再以膝关节运动特征划分动作时相并找出各阶段同步点。根据发力腿的时空特征,单步周期划分为摆动期和蹬冰期。摆动期描述发力脚处于腾空状态,其中摆动期膝关节角度逐渐变小、作向心运动时划分为收腿阶段,摆动期膝关节角度逐渐变大、作离心运动时划分为落腿阶段。蹬冰期描述发力脚处于触冰状态,其中期间膝关节角度不变,肌肉静力收缩时划分为重心转移阶段。膝关节角度逐步变大,肌肉做离心收缩时划分为蹬冰阶段。
  图 1冰上直道左腿
  2结果
  2.1肌肉有效电活动时间特征
  有研究[3]认为,在某一动作下,肌肉电活动在300 μV以下属于无效放电,对动作的完成基本没有影响。从表1可以看出:在直道滑冰右单步周期,踝关节肌群中胫骨前肌有效放电为95%,时间最长,腓肠肌有效放电为25%,股四头肌有效放电时间为60%,股后肌群中半腱肌有效放电时间70%,股二头肌有效放电为25%,臀大肌有效放电为10%,时间最短;在直道滑冰左单步周期,踝关节肌群和臀大肌有效放电时间和右单步周期基本相同,股四头肌中股内肌有效放电为70%,时间长于右腿,骨直肌有效放电为30%,少于右腿,股外肌有效放电时间与右腿相同,股后肌群中股二头肌有效放电为70%,半腱肌有效放电为30%,与右腿差异很大。从表1还可以看出:在弯道滑冰右单步周期,踝关节肌群中胫骨前肌有效放电为70%,时间最长,腓肠肌有效放电为30%,股四头肌有效放电时间为60%,股后肌群中半腱肌有效放电时间70%,股二头肌有效放电为35%,臀大肌有效放电为20%,时间最短;在弯道滑冰左单步周期,踝关节肌群中胫骨前肌有效放电为95%,时间最长,腓肠肌有效放电为65%,股四头肌中骨外肌与右单步周期相同,股内肌和骨直肌有效放电时间为70%和80%,都要长于右单步周期,股后肌群中半腱肌与右单步周期相同,股二头肌有效放电时间为60%,长于右单步周期,臀大肌有效放电为10%,时间最短。
  如图2和图3所示:在直道滑冰左右单步周期,踝关节肌群中胫骨前肌在单步周期各个阶段都出现有效放电,在重心转移阶段放电最剧烈;股四头肌中除了股内肌在左单步周期落腿阶段有放电外,在摆动期都没有出现激活现象,有效放电都出现在蹬冰期,并且在重心转移和蹬冰阶段都出现倒“U”振幅曲线的双峰现象[4];股后肌群中股二头肌在直道右单步周期落腿阶段和重心转移阶段出现有效放电,在左单步周期中蹬冰期都出现有效放电,振幅曲线与股四头肌类似,半腱肌在直道右单步周期中各个阶段基本都有有效放电,但在直道左单步周期中只有落腿阶段和蹬冰阶段出现有效放电;臀大肌在只在蹬冰阶段出现短暂有效放电,其余阶段基本没有激活现象。如图4和图5所示:踝关节肌群中胫骨前肌在弯道右单步周期落腿阶段没有有效放电,在弯道左单步周腿各个动作阶段都出现有效放电,腓肠肌在弯道右单步周期重心转移阶段没有有效放电,在弯道左单步周期收腿阶段没有有效放电;股四头肌中除了股内肌在左单步周期落腿阶段有放电外,有效放电都出现在蹬冰期,振幅曲线表现双峰现象;弯道右单步周期中股二头肌和半腱肌在落腿阶段和蹬冰期出现有效放电,弯道左单步周期中股二头肌在蹬冰期出现有效放电,振幅曲线与股四头肌类似,半腱肌在落腿阶段和蹬冰期都出现有效放电;臀大肌在弯道右单步周期蹬冰阶段出现有效放电,在弯道左单步周期重心转移阶段和蹬冰阶段都出现有效放电。   由左至右再往下依次是胫骨前肌、腓肠肌外侧头、股四头肌内侧头、
  股四头肌外侧头、股四头肌直肌、股二头肌、半腱肌和臀大肌。下同。
  图 2直道滑跑右腿各肌肉RMS
  图 3直道滑跑左腿各肌肉RMS
  图 4弯道滑跑右腿各肌肉RMS
  图 5弯道滑跑左腿各肌肉RMS
  2.2振幅峰值
  从表2可以看出:胫骨前肌在直道左右单步周期和弯道右单步周期,肌电振幅峰值出现在重心转移阶段,在弯道左单步周期肌电振幅峰值出现在落腿阶段,但在重心转移阶段也出现于直道左右单步周期和弯道右单步周期类似的“倒U”振幅;腓肠肌、骨外肌、骨直肌、半腱肌和臀大肌在弯、直道左右单步周期肌电振幅峰值都出现在蹬冰阶段;股内肌和股二头肌在弯、直道右单步周期肌电振幅峰值出现在重心转移阶段,在弯、直道左单步周期肌电振幅峰值出现在蹬冰阶段。从图2~5还可以看出:在弯、直道左右单步周期重心转移阶段和蹬冰阶段2个阶段,股四头肌都出现“倒U”振幅和双峰现象,半腱肌在直道左右单步周期、股二头肌在弯、直道左单步周期也都出现“倒U”振幅和双峰现象。从弯、直道单步周期振幅曲线可以看出,除胫骨前肌在弯道左单步周期落腿阶段出现振幅峰值外,单步周期腿部肌肉肌电振幅峰值都集中在蹬冰期。
  2.3IEMG和肌肉贡献度
  ME6000T16肌电测试系统数据分析系统给出了单步周期腿部各肌肉的积分肌电百分比,即肌肉贡献度。从表3可以看出,直道左右单步周期腿部主要用力肌肉高度一致,股内肌、胫骨前肌和股外肌肌肉贡献度依次排前三,臀大肌肌肉贡献度最小。从表3还可以看出,弯道左右单步周期腿部主要用力肌肉不一致,弯道右单步周期肌肉贡献度依次是股内肌、胫骨前肌和骨外肌,弯道左单步周期肌肉贡献度依次是股内肌、胫骨前肌和腓肠肌,弯道左右单步周期贡献度最小的都是臀大肌。
  表 2单步周期腿部肌肉振幅峰值出现阶段
  表 3左、右腿单步周期肌肉贡献度
  3讨论与分析
  振幅曲线能反映肌肉有效放电时间长短,可以判断肌肉在某一动作中的参与度与重要性。研究结果显示,胫骨前肌在途中滑单步周期里有效放电时间最长,在动作周期的各个阶段都有有效放电,在各个阶段都作用于动作完成。在收腿和落腿阶段,发力腿处于腾空状态,理论上踝关节肌群应该放松,缓解蹬冰期积累的疲劳,访谈教练员也基本持这种观点;但4名运动员在摆动期胫骨前肌都出现明显放电,通过技术视频发现运动员在摆动期踝关节有背屈。课题组和教练员分析认为:胫骨前肌在摆动期的放电原因可能是为了控制冰刀姿态,以利于冰刀触地时获得合适角度;速滑是以冰刀作为器械的有器械运动,冰刀支撑面小,同时还增加了足底高度。在重心转移阶段,身体重心又处于非平衡状态,因此即使踝关节没有背屈,为了保持身体重心的远端固定,胫骨前肌也会出现放电,因为关节的不稳定将导致力量外输下降[56]。同时短距离速滑运动员滑行速度快,最高速度可超过15 m/s,运动员为了减小风阻普遍采用低重心滑行姿势,这更增加了维持关节稳定的难度;因此在途中滑重心转移阶段,为维持踝关节的稳定胫骨前肌需要持续用力。研究结果也显示:胫骨前肌在重心转移阶段电活动剧烈,出现峰值,弯道左单步周期重心转移阶段腓肠肌出现有效放电,原因可能是拮抗肌与主动肌的共激活现象;除胫骨前肌和股内肌在弯、直道右单步周期外,其余腿部肌肉肌电峰值都出现在蹬冰阶段,表明蹬冰阶段属于爆发用力,蹬冰阶段踝关节拓屈爆发用力,踝关节主动肌腓肠肌出现峰值。肌肉贡献度也称肌肉做功百分比,是指一块肌肉在完成某一动作时积分肌电值与所测参与完成该动作所有肌肉积分肌电总和的百分比值。张杰等[7]、刘述芝[8]、刘敏等[9]在研究短跑、跳高、手枪慢射运动项目表面肌电特征时,发现所测肌肉百分比值与所测肌肉在动作的作用大小和稳定性上有所关联,认为肌肉做功百分比可以反映每块参与活动的肌肉在完成动作中发挥作用的大小、体现动作中的主要用力肌肉。研究结果显示,速滑途中滑单步周期中胫骨前肌肌肉贡献度都排在第二,是单步周期主要用力肌肉,腓肠肌只是在弯道左单步周期时主要用力肌肉,且肌肉贡献度仍小于胫骨前肌。胫骨前肌在有效放电时间长于腓肠肌,单步周期各阶段的参与度也多于腓肠肌,肌肉贡献度更是强于腓肠肌,表明在短距离速滑途中滑单步周期踝关节肌群中,胫骨前肌发挥的作用要强于腓肠肌。胫骨前肌在途中滑单步周期中的作用是课题组在研究短距离速滑腿部肌电过程中的最大发现。在访谈中发现,教练员普遍认为速滑单步周期踝关节肌群中腓肠肌作用更大,原因是新式冰刀使踝关节活动度更大,蹬冰时踝关节能充分拓屈,腓肠肌可以充分发力。观察国家队陆上力量训练也发现,目前发展踝关节力量主要是发展腓肠肌力量,有很多关于加强腓肠肌力量的练习设计,而没有专门发展胫骨前肌的练习设计。我国短距离速滑运动员滑行时后期容易动作“发散”、滑行时重心过高和蹬冰力量不足等问题可能都与胫骨前肌力量发展不足有关,胫骨前肌力量增强后有利于维持运动员滑行时关节的稳定性,能促使动作时力量的外输上升,应该可以在一定程度上解决这些问题。因为胫骨前肌单步周期的肌电峰值都出现在重心转移阶段,此阶段肌电活动也更剧烈,所以在陆上设计非平衡状态下的发展胫骨前肌的力量练习,专项性更强。
  通过对短距离速滑国家队教练员和运动员的访谈,以及训练实践的观察,结合途中滑单步周期腿部肌电特征,发现在训练实践过程中,在对臀大肌的认知上也存在误区。过去的观点一直认为臀大肌是短距离速滑动作周期的主要用力肌肉之一,我国短距离速滑运动员的体态特征一般都是臀大腿粗,在陆上力量训练过程中臀大肌是重点发展的肌肉之一;但研究结果显示:臀大肌在直道左、右单步周期和弯道左单步周期有效放电时间仅占10%,弯道右单步周期有效放电时间只占20%,在腿部8块肌肉中有效放电时间最短,有效放电只出现在蹬冰阶段;臀大肌在途中滑单步周期的肌肉贡献度在3%~5%,在腿部8块肌肉中肌肉贡献度最小;臀大肌在途中滑单步周期的振幅峰值不超过500 μV,电活动程度弱。表明臀大肌在途中滑单步周期中发力时间短,最大用力小,在途中滑单步周期动作中的参与度和作用在8块腿部肌肉中最小。在陆上力量训练过程中大力发展臀大肌没有必要,甚至过度发达的臀大肌可能影响髋关节灵活性,对速滑技术动作发力链造成不良影响;因此在陆上力量训练方案设计中应减少发展臀大肌力量的力度。   振幅作为sEMG的基本信号活动特征,其参数受多种因素的影响,如神经系统大脑皮层活动[10]、运动单位募集效率[11]、肌纤维本身的生理特性[12]等。振幅峰值代表肌肉电活动的最大兴奋点,振幅峰值在一定程度上可以体现肌肉的最大用力。不同个体和不同肌肉间无法进行定性分析和量化比较,但通过比较不同个体完成相同动作时主动肌和拮抗肌振幅曲线趋势基本可以判断完成动作时的动作模式和协调模式是否一致。单步周期收腿阶段的主要动作模式是大小腿折叠,股二头肌和半腱肌是促使大小腿折叠的主要肌肉。过去的观点认为此阶段股后肌群会有较高的激活水平,但在短跑腿部肌电的研究中,此阶段股二头肌和半腱肌有可能不激活。许多观点[1315]认为,当前期蹬伸力量够大时,大小腿折叠不由股二头肌和半腱肌完成,而是由蹬伸动作的后效应引起的随势动作,因此股二头肌和半腱肌不激活。在途中滑弯道左、右单步周期收腿阶段,除胫骨前肌因控制冰刀姿态而出现有效放电外,股二头肌和半腱肌等腿部7块肌肉肌电活动都基本不激活。可能是弯道单步周期蹬冰力量大,收腿阶段大小腿折叠是蹬冰后效应引起的随势动作,股二头肌和半腱肌不激活;在途中滑直道左右单步周期收腿阶段前半段股二头肌和半腱肌不激活;后半段股二头肌和半腱肌出现有效放电,处于激活状态,可能是蹬冰后效应引起的随势动作不足,表明弯道单步周期蹬冰力度比直道更大,这恰好符合短距离速滑项目弯道拼加速的技术特点。单步周期落腿阶段主要动作模式是膝关节伸,股四头肌是促使膝关节伸的主要肌肉,因切冰技术对发力脚触冰角度要求较高,运动员都不会主动落腿,此阶段运动员表现伸膝动作主动性不足。股四头肌理论上不会出现激活现象。弯道右腿股四头肌没有出现激活现象,弯道左腿股内肌和骨直肌出现激活现象。原因可能是因弯道向心力的原因,身体出现向左倾角,左脚切冰点靠近身体右侧,骨直肌出现被动拉伸,表明弯道左右腿单步周期在落腿阶段动作模式不一致。直道右单步周期落腿阶段股四头肌没有出现激活现象,左单步周期股内肌出现激活现象,出现多余放电。研究结果显示,弯、直道同侧腿在振幅曲线和峰值表现出高度相似性,表明直道左单步周期股内肌出现多余放电原因可能是弯道技术形成的左腿股内肌激活惯性,也表明直道左右腿单步周期在落腿阶段动作模式一致。股内肌是单步周期最主要用力肌肉,出现多余放电会增加肌肉疲劳积累,可能会在比赛后段造成左右腿不平衡,并造成动作“发散”,在训练中应加强直道左腿滑跑技术练习,克服弯道技术惯性影响,形成正确动作定型。
  研究结果显示,途中滑单步周期腿部肌肉有效放电、肌电峰值基本出现在蹬冰期。重心转移阶段肌肉静力做功,运动员因减小风阻需要在此阶段保持低重心,股四头肌会出现剧烈放电,运动单位兴奋超过选择性抑制的能力,从而引起拮抗肌股后肌群的共激活。直道左右单步周期股四头肌剧烈放电,拮抗肌股二头肌和半腱肌都出现与股四头肌类似的振幅曲线和峰值;弯道左、右单步周期股四头肌剧烈放电,右单步周期股二头肌出现与股四头肌类似的振幅曲线和峰值,半腱肌出现激活现象,但振幅曲线和峰值与股四头肌不同步,左单步周期拮抗肌股二头肌和半腱肌出现激活现象,但振幅曲线和峰值与股四头肌都不同步,表明重心转移阶段,直道单步周期拮抗肌协调模式一致,弯道单步周期拮抗肌协调模式不一致。蹬冰阶段蹬伸肌群爆发用力,最终成绩也主要取决于蹬伸肌群快速做功的能力[16],股四头肌和腓肠肌都在此阶段出现肌电峰值。直道左、右单步周期股四头肌和腓肠肌振幅曲线类似、峰值出现时间一致,右单步周期拮抗肌半腱肌振幅曲线和峰值时间与蹬伸肌群基本一致,胫骨前肌和股二头肌都不一致,左单步周期拮抗肌股二头肌振幅曲线和峰值时间与蹬伸肌群基本一致,半腱肌胫骨前肌和都不一致,表明直道单步周期蹬冰阶段左右腿拮抗肌协调模式不一致;弯道左右单步周期股四头肌和腓肠肌振幅曲线类似、峰值出现时间一致,拮抗肌股二头肌和半腱肌振幅曲线和峰值时间与蹬伸肌群基本一致,右单步周期胫骨前肌无激活,左单步周期胫骨前肌出现激活,但振幅曲线和峰值时间与蹬伸肌群都不一致,表明弯道单步周期蹬冰阶段左、右腿拮抗肌协调模式不一致。
  通过与教练员的访谈发现,运动员左右腿力量发展不均衡一直是训练中很难克服的问题。通过对研究结果分析和训练观察,发现直道左右单步滑冰周期各个阶段动作关节的用力方向和腿部肌肉收缩方式一致,振幅曲线趋势和振幅峰值出现时间都一致,蹬冰阶段拮抗肌协调模式不一致,表明直道单步周期左右腿动作模式一致,但肌肉间的协调模式不一致;弯道左右单步滑冰周期主动肌振幅曲线趋势和振幅峰值出现时间都一致,但因向心力的原因,身体出现向左的偏角,腿部关节运动方向不一致,在蹬冰期拮抗肌的协调模式不一致,表明弯道单步周期左右腿虽然主动肌肌电振幅一致,但动作模式和肌肉间的协调模式都不一致。在实践训练中要根据左、右腿动作模式和肌肉协调模式的区别,有针对性地安排陆上力量训练,是两腿力量处于平衡状态,避免滑行过程中左右腿不平衡的问题。
  4结束语
  研究发现,女子短距离速滑训练实践过程中对胫骨前肌和臀大肌存在认知上的误区,在途中滑单步周期中胫骨前肌的作用被低估,应加强非平衡状态下胫骨前肌力量;可能因弯道技术形成的腿部肌肉激活惯性,直道左单步周期股内肌在落腿阶段出现多余放电;直道单步周期左右腿动作模式一致,肌肉协调模式不一致,弯道单步周期左右腿动作模式和肌肉协调模式都不一致,在训练中应把握这些细节,有针对性地发展腿部力量。在实践训练过程中应根据腿部肌肉肌电特征制定腿部肌肉力量训练计划,实施科学化训练。
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