优秀网球运动员正手击球肌肉用力表面肌电特征分析

来源:用户上传      作者: 赵伟科 何辉

　　摘要：正手击球是网球重要的技术之一，目前对于网球技术动作的研究主要集中发球方面，而对正手击球研究较少。利用表面肌电技术对北京体育大学6名优秀网球运动员正手击球动作进行测试，研究结果发现：1.正手击球动作最先发力的肌肉是斜方肌、胫骨前肌和腓肠肌三块肌肉，三角肌前部、腓肠肌、胫骨前肌和斜方肌用力时间比其他肌肉长；2.主要用力肌肉是肱二头肌、斜方肌、三角肌前部、肱桡肌以及胸大肌；3.研究结果表明表面肌电测试分析技术可以用于诊断网球击球动作合理性。
　　关键词：网球；正手击球；表面肌电；肌电积分
　　中图分类号：G804.2文献标识码：A文章编号：1007-3612（2011）07-0074-04
　　Analysis on the sEMG of Muscle Exertion of Forehand Stroke of Elite Tennis Players
　　ZHAO Wei-ke1, HE Hui2
　　（1.China University of Mining and Technology, Beijing 100083,China; 2.Beijing Sport University, Beijing 100084, China）
　　Abstract:Tennis forehand stroke is an important technique. At present, the studies of tennis techniques mainly focus on the serve while the studies on the forehand stroke are a few. The study tests the forehand stroke technique of six elite tennisplayers in Beijing Sport University by the Surface EMG. And the results are asfollows. 1. Trapezius, tibialis anterior and gastrocnemius were involved in the motion at first.The activation of tibialis anterior, trapezius, deltoid anterior and gastrocnemius is longer than the others；2. Trapezius, anterior deltoid, biceps and brachioradialis muscles and the pectoralis major muscle is the major part of all the muscles involved in the forehand；3. sEMG technique can be used to study the rationality of the action of tennis forehand.
　　Key words: tennis；forehand；sEMG；iEMG
　　投稿日期：2010-12-30
　　基金项目：教育部重点实验室开放性课题“优秀网球运动员发球技术研究”。
　　作者简介：赵伟科，讲师，硕士，研究方向网球教学与训练。
　　网球运动长期以来被称为“旋转的魔球”，它是一项技战术复杂多变、对抗激烈的隔网对抗型项目，对动作的精细度以及体能要求较高。如果想成为一名优秀网球选手，必须要具有高超的技术、灵活的战术、丰富的经验、良好的身体素质、充沛的体力以及良好的心理素质等［1］。根据对网球比赛（包括各种级别的比赛）中底线正反手抽球技术运用的数据的统计和分析可以看出：正手击球技术运用的比例占了70%以上，而反手击球技术运用次数所占的比例只有不到30%［2］。由此可见，正手击球在比赛中的重要性。由于正手击球技术在网球击球技术中占据极其重要的位置，直接影响到运动员技术水平的高低，因此，对我国运动员的正手击球技术进行定量化的全面系统的研究显得迫切和必要。
　　因此，本研究结合运动解剖学、运动生物力学、运动训练学、运动生理学等多学科知识，尝试将表面肌电技术应用于网球主要技术动作的肌肉分析中，以一个全新的角度来研究网球正手击球动作，为改进网球肌肉力量训练方法提供合理化建议。
　　1 研究对象与方法
　　1.1 研究对象 北京体育大学青年男子优秀网球运动员6名，技术全面标准、成绩优异，均为右手持拍、身体健康，无不良嗜好的运动员，均为国家二级以上运动员，专业运动年限3年以上，基本情况如表1。
　　表1 运动员基本情况一览
　　1.2 研究方法
　　1.2.1 实验仪器及器材 1）实验仪器：芬兰制ME-6000便携式肌电仪，SONY数码摄像机，笔记本电脑等。
　　2）实验器材：75%的酒精，脱脂棉，橡皮膏，绷带，电极片，剃须刀。
　　1.2.2 测试肌肉（人体右侧肌肉） 根据中国国家网球队常用训练方法，并结合运动解剖学知识确定测试的肌肉。测试肌肉如下：（人体右侧肌肉）
　　上肢肌：三角肌前部、肱二头肌、肱桡肌
　　躯干肌：背阔肌、斜方肌、腹直肌、胸大肌、腹外斜肌
　　下肢肌：胫骨前肌、股直肌、腓肠肌
　　1.2.3 测试动作 正手击球以及各主要用力肌肉最大力量测试。
　　1.2.4 实验步骤 1）记录受试者基本信息情况，调整好各个测试仪器，合理安排好各工作人员的工作，测试动作讲解给受试者，肌电的采样频率是1 000 Hz。
　　2）电极的贴放：用酒精棉球擦去要测试肌肉表面的油脂，根据测试动作要求设置的肌肉贴上电极，沿肌纤维的走向在肌肉肌腹的隆起处贴好电极，电极的直径是8 mm，两电极中心距离20 mm，参考电极贴在附近的位置。所有的电极贴好后，用弹性绷带和橡皮膏进行固定，防止动作幅度过大或者受试者在运动过程中出现导致电极滑落和移动，避免出现较大的误差。在进行测试之前，受试者要根据网球的运动特点进行充分的准备活动，熟悉球性，以免在运动过程中出现运动损伤。
　　3）测试：按实验设计进行，测试过程中辅助人员垂直向下自然喂球，受试者按照正手击球标准动作将球击出；用芬兰制造生产的ME6000便携式肌电测试仪和摄像机同时进行测试，保证肌电信号和视频的在时间上统一同步。
　　4）对各主要用力肌肉进行最大肌肉力量测试，并记录相应肌电信号。
　　最大肌肉力量测试方法
　　肱二头肌- 水平持杠铃弯举,掌心向上,负荷为1RM,每秒弯举一次,做3次,每次间隔3 min。
　　肱桡肌- 竖直持杠铃弯举,负荷为1RM,每秒弯举一次,做3次,每次间隔3 min。
　　斜方肌- 俯立持哑铃扩胸（飞鸟展翅）,负荷为1RM,每秒平举一次,做3次，每次间隔3 min。
　　三角肌前部- 持哑铃前平举,负荷为1RM,每秒平举一次,做3次,每次间隔3 min。
　　腓肠肌- 负重提踵，负荷为1RM,每秒提踵一次，做3次，每次间隔3 min。
　　股直肌-仰卧抗阻屈小腿，负荷为1RM,每秒屈一次，做3次，每次间隔3 min。
　　背阔肌-向后拉拉力器，负荷为1RM，每秒拉一次，做3次，每次间隔3 min。

　　胸大肌-负重俯卧撑，负荷为1RM，每秒做一次，做3次，每次间隔3 min。
　　腹直肌-负重仰卧起坐，负荷为1RM，每秒做一次，做3次，每次间隔3 min。
　　腹外斜肌-负重对侧两头起，负荷为1RM，每秒做一次，做3次，每次间隔3 min。
　　胫骨前肌-脚尖负重，做勾脚尖动作，负荷为1RM，每秒做一次，做3次，每次间隔3 min。
　　1.2.3 数据处理 应用MegaWin软件对原始的肌电信号进行标准化处理，获得相应的数据。各个测试动作肌肉的原始积分肌电、放电顺序、持续时间、贡献率和动员率。
　　1）原始肌电信号与视频的同步：测试过程中，原始肌电信号上已打上开始标记，并用摄像机拍下标记，此后才开始拍摄受试者正手击球动作，根据这个标记就可以将视频和原始肌电信号同步起来，方便找出每一个击球动作对应的原始肌电信号。
　　2）肌肉的发力顺序：肌肉的发力顺序是以第一块放电的肌肉为基础，看其他肌肉相对这块基础肌肉的延迟时间，求平均值，平均延迟时间越短说明发力越早。
　　3）肌肉活动的持续时间：根据本实验网球正手击球动作肌肉放电的特点，采用10%积分肌电最大值作为判定肌肉放电活动的开始点。除要达到或超过10%积分肌电最大值外，还要求肌电活动所持续的时间达到整个动作总时间的10%以上，才能认为所测试的肌肉开始进行活动。
　　4）肌肉肌电活动的贡献率：测试过程中各块肌肉的积分肌电值占所测16块肌肉的积分肌电总和的百分比。
　　5）肌肉动员比：测定每个受试者所测每块肌肉的最大力量肌肉放电情况，计算出最大力量时肌肉放电信号的积分肌电值，用受试者每块肌肉的原始积分肌电值除以单位时间内同块肌肉最大力量测试的积分肌电值，从而获得这个受试者每块肌肉标准化后的动员率。
　　2 结 果
　　2.1 正手击球各肌肉发力顺序和持续时间 通过对图1和表2可以看出，正手击球过程中，肌肉的发力顺序依次为：三角肌前部、胫骨前肌、腓肠肌、股直肌、斜方肌、腹直肌、腹外斜肌、胸大肌、肱桡肌、肱二头肌、背阔肌；胫骨前肌和斜方肌放电持续时间最长，其次为三角肌前部和腓肠肌，胸大肌放电时间最短。肌肉放电持续时间依次为：胫骨前肌、斜方肌、三角肌前部、腓肠肌、肱桡肌、背阔肌、股直肌、肱二头肌、腹外斜肌、腹直肌、胸大肌。
　　表2 正手击球过程中各肌发力顺序和放电持续时间ms
　　2.2 正手击球动作过程中各肌肉肌电图积分肌电值、贡献率和动员率 通过对图2和表3可以得出，正手击球过程中，积分肌电最大的肌肉是斜方肌和肱二头肌，分别是0.552 mv・s和0.549 mv・s，其次为肱桡肌、三角肌前部和胸大肌，分别是0.392 mv・s、0.368 mv・s和0.364 mv・s，腹直肌的积分肌电值最小。
　　由表4和图3可以看出，在击球过程中，整体上，胸大肌动员程度最大，达到60.7%，其次是三角肌前部、肱二头肌、斜方肌，肱桡肌，分别达到58.8%、57.0%、51.9%、49.0%，背阔肌、腹直肌、腹外斜肌、股直肌、胫骨前肌、腓肠肌动员较小，均在40%以下，特别是腹直肌、股直肌动员比在10%以下。贡献率最大的肌肉是斜方肌和肱二头肌，其余依次是肱桡肌、三角肌前部和胸大肌，腹直肌的贡献率最小。
　　表3 正手击球各肌肉积分肌电值
　　表4 正手击球各肌肉贡献率和动员率
　　3 分析讨论
　　3.1 正手击球各肌肉放电时间和持续时间分析 正手击球灵活多变，属于开放性运动技能，它需要运动员根据对外部的分析与判断以此来控制身体动作，同时对外部信息的判断和分析必然会导致身体运动做出必要的调整以适应击球需要。正手击球是网球运动员必须掌握基本技术，它可以保障每个优秀运动员在比赛中充分发挥自己的水平。有研究表明：肌电活动情况是反映在肌肉的用力的状况，肌肉的放电顺序反映的是肌肉活动的顺序［3］。表面肌电测试分析技术可以应用于网球运动员技术动作科学化、合理化分析,并且在实验条件许可的情况下，可以进一步尝试将其应用于更细微的技术动作诊断与分析［4］。因此，肌电放电顺序和放电时间，能够反映用力顺利和用力的时情况。
　　正手击球动作分成准备、引拍、击球和随挥四个部分，整个过程为：准备→引拍→击球→随挥。准备动作为双脚平行站立，且距离与肩同宽，双膝微屈约成120°角。在此过程中，维持膝关节姿势的肌肉中胫骨前肌和腓肠肌作克服阻力的离心运动，这样的动作积蓄了弹性势能。当来球后，击球者跨步并立即右转，使身体重心位于两腿之间，身体带动双肩以及肘关节为轴向后作弧线拉拍动作，同时左脚向前跨步。准备动作到向后引拍过程中，主要是胫骨前肌、腓肠肌和斜方肌参与收缩活动。通过肌电图也可以看出这三块肌肉最先开始放电。然后球拍继续后引，手臂达到伸直状态，肱二头肌和三角肌前部均被被动拉长，通过肌电图上可以看出肱桡肌和肱二头肌紧接着放电。整个动作，身体始终保持前屈状态，因此，胫骨前肌始终处于放电状态。同时持拍手臂做内收运动，直到随挥阶段，从肌电图上也可以得到验证，表现为斜方肌始终处于放电状态。这与图1和表2的结果一致，正手击球过程中，斜方肌、胫骨前肌、腓肠肌最先发力，并且持续时间较长，这符合“大关节先产生活动原理”，当需要表现出较大的运动速度或者需要克服大阻力时，虽然运动链中各关节的肌肉是同时用力的，但总是大关节先产生活动的，并且依据关节的大小，有一定的先后顺序。
　　3.2 正手击球动作过程中各肌肉肌电图积分值、贡献率和动员率分析 目前研究表明，表面肌电信号时域特征主要与肌肉的收缩力相关。苏志雄［5］等人在验证节奏策略中中枢控制的实验中，也认为运动过程中IE M G值变化曲线与肌肉输出功率曲线有着很高的拟合度。影响肌肉收缩力量的因素众多，主要包括不同运动单位募集顺序和激活率、肌纤维的类型及构成比例、神经冲动的频率以及其传导速度等，这些因素会在不同程度上影响着肌电信号时域特征，产生不同的肌肉力量。大量研究发现, 肌电积分与肌肉收缩力存在线性关系,肌电积分是肌肉在活动时产生肌张力大小的反应，即肌张力增加,肌电积分也会随之增加［6］。肌电积分与肌肉力量存在线性关系的原因主要是对于同一肌肉来讲，各运动单位之间，不仅有运动单位大小和肌纤维密度的不同，而且还存在诸如募集顺序、易疲劳性以及收缩时间等生理特性差异［7-10］。随意收缩时，激活的是那些肌纤维数目较少、收缩时间长的小运动单位，支配它的运动神经元小，激活水平低。反之，强烈收缩是激活的是含肌纤维数目多、收缩时间短的运动单位，它由较大运动神经元支配，这就是所谓的“容量原则”或“大小原则”。以此原则可以得出，随着肌肉力量增大，运动单位的募集方式会发生改变，快运动单位逐渐参与收缩，快肌纤维肌电振幅和频率都比慢肌纤维高。
　　根据图2、3和表3、4可以得出，肌电积分最大的肌肉是积分肌电最大的肌肉是斜方肌和肱二头肌，其次为肱桡肌、三角肌前部和胸大肌，其他几块主要肌肉的肌电积分值都比较小，贡献率较小，且动员比也都比较小，很多都在5%～30%之间。因此，在正手击球动作过程中，斜方肌、肱桡肌、肱二头肌、胸大肌和三角肌前部是主要用力肌肉，在这几块肌肉中，虽然胫骨前肌、腓肠肌和斜方肌持续时间比较长，但是对正手击球动作来说，这些肌肉并不是主要用力肌肉，对其的力量大小要求不高，但对其力量耐力要求较高。这提示，在正手击球训练时，既要注重主要用力肌肉的力量练习还要注重持续时间长肌肉的耐力练习，从而可以充分发挥出主要用力肌肉的最大肌力，同时提高那些参与整个动作时间长的肌肉的耐力水平，即在日常的训练中不但要注意加强三角肌前部、斜方肌、肱桡肌、胸大肌和肱二头肌的反应力量、最大力量、快速力量训练，还要加强三角肌前部、腓肠肌、胫骨前肌、斜方肌力量耐力训练。

　　4 结论与建议
　　4.1 结论 1）正手击球动作最先发力的肌肉是斜方肌、胫骨前肌和腓肠肌三块肌肉，三角肌前部、腓肠肌、胫骨前肌和斜方肌用力时间比其他肌肉长；
　　2）主要用力肌肉是肱二头肌、斜方肌、三角肌前部、肱桡肌以及胸大肌；
　　3）研究结果表明表面肌电测试分析技术可以用于诊断网球击球动作合理性。
　　4.2 建议 日常的训练中不但要注意加强三角肌前部、斜方肌、肱桡肌、胸大肌和肱二头肌的反应力量、最大力量、快速力量训练，还要加强三角肌前部、腓肠肌、胫骨前肌、斜方肌力量耐力训练。
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