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擲運動項目中運動員軀干旋轉肌群與積分肌電的關聯

標槍、鉛球運動是快速力量性項目,鉛球的技術過程為人體重心向后的線性或旋轉加速運動,過渡到最后用力; 而標槍的技術過程為人體重心向前的線性加速過程,銜接投擲步和最后用力。盡管二者的技術動作不同,但軀干旋轉動作接近,軀干旋轉肌群均下固定收縮,使脊柱回旋。
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  標槍、鉛球運動是快速力量性項目,鉛球的技術過程為人體重心“向后”的線性或旋轉加速運動,過渡到最后用力; 而標槍的技術過程為人體重心“向前”的線性加速過程,銜接投擲步和最后用力。盡管二者的技術動作不同,但軀干旋轉動作接近,軀干旋轉肌群均下固定收縮,使脊柱回旋。再者,軀干的脊椎結構和人體動力鏈的“核心柱”地位,所產生的轉動與髖部相比,盡管也只是處于從屬和次要地位,它是在髖部轉動的基礎上起作用于投擲器械的力量和速度疊加效果,但軀干旋轉動作在整個推射或者鞭打動作中亦然具有承下啟上重要作用,脊柱回旋可加大上肢屈伸的運動幅度,也是提高上肢帶肌及腹肌收縮力量的先決條件。

  因此,軀干旋轉肌力也是影響該項目運動員運動能力的重要因素之一。

  關于軀干肌群的力量、肌肉募集特性評定目前主要是應用等速測力系統和表面肌電信號分析技術。表面肌電信號分析技術是近年來日漸完善的肌肉功能評價方法。該方法在評價肌肉功能狀態方面,具有良好的可靠性、靈敏性、特異性和局部性; 檢測過程具有無創性、實時性和多靶點測量的優點,[1]如 Caliandro 等在疾病診斷領域應用表面肌電研究帕金森病神經肌肉狀態和運動功能研究。[2]表面肌電、等速測試穩定性較好,評定肌痙攣有良好的信度,聯合應用可作為評定肌痙攣的量化指標。[3]

  在研究表面肌電圖的信度報道中,發現無論靜態收縮還是動態收縮,變異系數一般不大于 0. 100-0. 150,認為表面肌電圖的基本參數穩定可靠。[4]

  Roland 等應用等動訓練儀結合表面肌電技術,成功探討了網球運動員的肩部肌肉外旋疲勞特征,認為這兩種技術的結合對于設計網球訓練計劃具有極大的幫助作用。[5]

  當肌肉以不同負荷進行收縮時,積分肌電( Inte-grated Electromyogram,IEMG) 同肌力成正比關系,當肌肉用 40% MVC( maximum volunteer contraction,MVC)以下強度收縮時,肌力與肌電呈線性關系; 肌力在40% - 60% MVC 收縮時,肌力與肌電之間的線性關系往往就不存在了; 60% MVC 以上強度時,肌力與肌電也呈線性關系[17].那么,IEMG 在等動訓練中和肌力矩關系如何,可否作為判斷肌力矩大小的相關指標,這一問題在訓練實際中,投擲教練員也特別關注軀干旋轉肌群的生物力學特征,尤其是肌群力量與肌電特征關系,是否可以為訓練提供量化參考顯得尤為重要。

  本研究的目的是試圖應用等動測試儀結合表面肌電儀,探索投擲運動項目中標槍、鉛球運動員軀干左右旋轉肌群的肌力與表面肌電積分肌電指標關聯特征及各肌肉活動貢獻度大小。

  1 研究對象和方法
  
  1. 1 研究對象選取河南省田徑隊投擲項目所有 9 名男子運動員為研 究 對 象,年 齡 為 20 ± 2. 9 歲,體 重 為 108 ±12. 71kg,平均身高為 187 ± 3. 56cm,運動年限為 5 ±2. 5 年,運動等級分別為國家健將( 2 名) 、一級( 5 名)和二級( 2 名) ,健康狀況良好,測試時肌肉無病變,24小時內無劇烈運動,身體機能未處于疲勞狀態,運動員了解測試過程,自愿參加實驗。

  1. 2 研究方法
  
  1. 2. 1 實驗法
  
  1. 2. 1. 1 實驗儀器德國產 ISOMED2000 等動測試系統,該系統有向心、離心、等長三種測試和訓練模式,可得到關節活動范圍、最大峰力矩、功、功率等指標。最大向心/離心力矩為700 Nm,測試速度0 ~560( °) /s; 美國產表面肌電圖測試儀 Noraxon Telemyo 2400T 無線遙測系統,分析軟件采用系統專用 MyoResartch XP Master Edition1. 07. 05 版,采樣頻率為 1500 Hz / 通道。肌電測試系統的技術參數為: 基線噪聲 < 1μV rms; 噪聲 < 2LSB;輸入阻抗 >100MΩ; 巨磁阻抗( CMR) >100dB; 頻率響應( Frequency Response) : 5-1000Hz; EMG 通道硬件增益( Gain) : ( 1000) × 1 倍、× 2 倍、× 4 倍、× 5 倍、× 8倍、×10 倍變化; 傳送數據采集系統分辨率: 12dB; 采樣頻率 1000、2000、3000、6000 樣本/秒/通道; 符合IEC60601-2 - 40 防電磁及 IEC60601-1 安全臨床肌電醫療器材標準( CE) .

  1. 2. 1. 2 測試方案及流程電極的安放: 對皮膚進行打磨,酒精擦拭處理后,使用皮膚表面 Ag-AgCl 電極( Noraxon 廠商處電極) ,電極直徑為 1cm,兩電極中心相距為約 2cm,參考電極貼于右側鎖骨處。電極粘貼的方法參考 Edward F. Delagi等和歐盟推薦的表面肌電電極粘貼標準[5]進行電極定位粘貼和固定,所測肌群見圖 1,使用中參閱 The ABCof EMG[6]MyoResearch XPMaster Manual 等操作手冊。

  實驗前,打開 ISOMED2000 預熱1-2h,連接好表面肌電遙測系統,檢查肌電信號是否良好,同步記錄肌電信號和等動測試數據; 被試者坐于等動測試系統附件---軀干旋轉椅上,要求軀干垂直于座椅水平面,按操作手冊要求進行相應關節的固定( 見圖 2) .每種測試速度進行 2-3 次練習以便讓被試者熟悉動作,教練員及測試人員在現場加以鼓勵,然后讓被試者盡自己最大努力完成軀干左右旋轉動作; 每組速度下測試 6次,組間間歇 3-5min,測試完畢,保存數據。

  1. 2. 2 數據處理等動數據峰值力矩( Peak Torque,PT) 取六次測試各指標最大值的平均值; 肌電數據取自六次動作中中間一個左( 或右) 旋完整動作,采用系統專用 MyoRe-sartch XP Master Edition 1. 07. 05 版軟件分析,原始肌電信號經過濾波,全波整流,平滑處理,計算出平均積分肌電值。肌肉活動貢獻度 根 據 郭 峰 等 的 方 法計算。[7]

  采用 spss18. 0 軟件包對軀干左旋、右旋等動數據結果進行配對 T 檢驗分析處理,統計結果采用“平均數 ± 標準差”( x ± SD) 表示,置信區間 95%.顯著性水平為 P <0. 05,非常顯著性水平為 P <0. 01.

  2 實驗結果
  
  在等動測試中,我們得到 60°/s、90°/s、120°/s、150° / s、180° / s 五種速度下,等速數據峰值力矩均值趨勢圖,如圖 5 所示。由于篇幅的限制,我們僅列舉150° /s 速度下,左右腹外斜肌、背闊肌、斜方肌中部、斜方肌下部 IEMG 主要數據如表 1 所示。肌肉活動貢獻度如圖 3、圖 4 所示。等速訓練不同速度下各肌肉積分肌電均值如圖 6 所示。如圖 3、圖 4 分別所示,在等動測試 60°/s、90°/s等 5 種速度下,肌群任務組呈現出一定規律,即由人體前面觀察,軀干左回旋時,右腹外斜肌、右斜方肌中部、左斜方肌中部、左斜方肌下部、左背闊肌幾乎同步作主動收縮; 軀干右回旋時,左腹外斜肌、左斜方肌中部、右斜方肌中部、右斜方肌下部、右背闊肌幾乎同步作主動收縮。肌群任務組中各肌肉活動貢獻度不具有明顯的規律,但斜方肌( 或其不同部分) 在整個軀干回旋中具有較大作用。如圖 5 所示,無論是鉛球還是標槍項目運動員軀干左右旋轉峰值力矩趨勢相近,且最大值均表現在150° / s 速度上。如圖 6 所示,等動訓練不同速度下,各肌肉 IEMG均值接近,不具有統計學差異( P >0. 05) .

  3 分析與討論
  
  3. 1 軀干旋轉肌群時序特征軀干的回旋運動是由于軀干肌群有順序的同時活動而發生的。參與工作的肌肉有: 腹外斜肌,腹內斜肌,前鋸肌、夾肌、提肋肌、肋間外肌和肋間內肌、背闊肌、斜方肌、大菱形肌和小菱形肌等肌肉。[8]

  表面肌電所能測試的軀干回旋肌肉主要有腹內外斜肌、背闊肌、斜方肌。Hodson-Tole 等提出了運動單位任務組的概念,雖然其功能特征尚不清楚,但仍認為運動單位會以組群形式應運動任務的機械需要而發生不同的活動。[9,10]

  檢測肌肉激活的要求: ①當肌肉不活動時,無肌電圖信號; ②當肌肉活動時,肌電圖信號能從噪聲中分離出來[11].本次實驗中,根據 Kibler 等、[12]Samuel 等[13]的方法,記錄每塊肌肉安靜時肌電原始信號作為基礎值,并求出一段時間的基礎值的平均值、標準差( SD) .

  肌電激活起始、結束時刻以幅值等于“基礎值平均數± 3SD”計算。

  如結果中所示,在等動測試60°/s、90°/s 等5 種速度下,軀干左、右回旋時呈現出一定規律。以上肌肉均在下固定時做向心收縮活動。正如 Hodson-Tole 等提出的運動單位任務組觀點,軀干左右旋轉的運動單位任務組由于運動任務的不同而發生不同的活動。這是由于長期的專項化訓練,神經肌肉系統已具有一定的適應性。神經中樞協調主動肌和拮抗肌,按一定的時序激活、募集主動肌運動單位任務組,同時抑制拮抗肌運動單位任務組,達到動作流暢,運動高效目的。

  3. 2 軀干旋轉肌肉活動貢獻度分析肌肉活動貢獻度是指一塊肌肉在完成某一動作時特定的時間內的積分肌電值與所參與完成該動作所有肌肉的積分肌電總和的百分比值,也稱為肌肉做功百分比。[7]

  它可以反映出每塊參與活動的肌肉在所完成的動作中所發揮的作用大小,體現動作中的主要發力肌肉,同時它還能反映運動員動作技術優劣。本實驗中,軀干旋轉肌肉活動貢獻度定義為: 軀干左( 右) 回旋時,已測所有主動肌的積分肌電值總合為 100%,所測各個肌肉或某一肌肉的局部的積分肌電除以總和。

  軀干左/右回旋時,由前面分析可知每名被試肌肉群時序基本呈現相同的規律,但具體每塊肌肉或同一肌肉不同部分的激活程度并不相同。可見每名被試者神經肌肉控制策略各不相同。

  應用表面肌電儀測試肌肉活動時,不可避免受到很多因素影響。對肌肉做肌電測試大多數是在運動狀態中,所以影響 sEMG 表現特征主要有: 運動性質( 靜力性、動力性) 、強度、肌肉的收縮形式( 離心、向心收縮) 、所選肌肉、受試者的個體特點、提取特征量的計算方法等。鉀離子濃度增加或減少均可顯著地影響表面肌電的變化,氫離子濃度顯著增加可使肌肉頻率( MF) 下降、IEMG 值增加,而溫度變化對表面肌電影響很小[14].時域指標的測量亦易受受試者皮下脂肪厚度的影響,皮脂越厚,電阻越大,相關分析表明,IEMG 和時間序列曲線的斜率與皮脂厚度呈顯著負相關( r = - 0. 56,P = 0. 03) .[15]

  本次實驗在預實驗和正式實驗中,正是由于被試者皮脂較厚,腹內斜肌肌電幾乎為零,故沒有將測試的腹內斜肌表面肌電特征值加以分析。根據《運動解剖學》知,軀干左回旋時,左腹內斜肌主動收縮; 軀干右回旋時,右腹內斜肌參與收縮。

  [8]本次實驗中,發現五種速度下的各個運動員自身的積分肌電值幾乎相同如圖 6 所示。因此,我們也只分析了 150°/s 速度下的肌肉活動貢獻度特征。由表1,圖 3、圖 4 知,肌電個別數據離散性較大,所測肌肉活動貢獻度也各不相同,看不出所表現的規律。可能的原因一是本次測試的運動員水平不同,項目也有一定的差異; 二是樣本量較小; 再有可能的原因是每個人神經肌肉控制策略不同所致。

  本實驗中,幾乎所有被試的斜方肌中部、下部活動貢獻度處于較高水平,且斜方肌中部、下部作用不同,提示在分析神經肌肉功能時,要結合動作、負荷等條件共同分析,才有可能揭示神經肌肉之間的機理。同時,我們注意到斜方肌不同部位對于軀干回旋作用不同,說明在描述肌肉功能時,神經控制肌肉內的協調配合需要具體到每塊肌肉的哪一部位收縮占主導作用。因此在設計訓練動作時,要有針對性。設計訓練動作應分清是針對整塊肌肉訓練的動作還是針對同一塊肌肉的某一專門部位訓練的動作。這樣在肌肉訓練中就會有的放矢,從而使真正薄弱肌肉或者某一部位不會被遺漏,既保障了運動水平的正常發揮,也可預防運動損傷出現。根據本次測試我們發現整個被試斜方肌在軀干旋轉中肌肉活動貢獻度均較大,而其它肌肉活動貢獻度在不同被試大小各異,可見斜方肌在脊柱旋轉中作用不可忽視,要加強訓練該肌肉。同時其它軀干旋轉肌肉也要加強訓練,以增強其作用,提高其肌肉活動貢獻度,軀干回旋會更加有力、高效。肌肉活動貢獻度的不同,是否還說明存在最佳貢獻度組合,有待以后進一步研究。

  3. 3 軀干左、右側旋轉峰值力矩與表面肌電的關系峰值力矩( PT) 是最常用的等動測試指標。等動測試中,關于60°/s、90°/s、120°/s、150°/s、180°/s 五種速度下峰值力矩的變化,桂海榮( 2012)[16]等發現各種速度下軀干左右旋轉峰值力矩趨勢相近,最大值均表現在 150°/s 速度段上。進一步探究產生這種現象的原因,肌肉收縮時產生的張力的大小,取決于快慢肌纖維百分比,亦取決于活化的橫橋數目; 而收縮速度則取決于能量釋放速率和肌球蛋白 ATP 酶活性,與活化的橫橋數目無關[17].在 60°/s 等較低速度下,一是可能由于神經興奮性較低,募集的肌纖維較少,從而活化的橫橋數目較少; 二是可能募集的慢肌纖維較多,快肌纖維較少,而慢肌纖維百分比較高的肌肉產生的力量較小,從而導致在低速運動時,肌肉的峰值力矩較小。當在合適的速度下( 如 150°/s) ,神經興奮性較高,募集的快肌肌纖維較多,活化的橫橋數目較多,能量釋放速率較合適,肌球蛋白 ATP 酶活性達到最高,產生了該速度下最大力矩。而在較高速度 180°/s 下,可能的情況是: 雖然神經興奮性高,募集的快肌纖維較多,但能量釋放速率過快,肌球蛋白 ATP 酶活性反而降低,此時肌肉力量又與活化的橫橋數目無關,導致力量下降。

  從長期專項訓練神經適應性來看,由于投擲項目特點,需最佳負荷和最佳速度相結合才能產生最大爆發力,最大力量也需處于最佳的神經肌肉活化狀態才能發揮出來。該研究說明對投擲運動員進行等動力量訓練時,并不是訓練速度越高,軀干旋轉肌群力量增加越大,可能存在與最大肌力匹配的最佳訓練速度。

  在等動訓練每一速度下,肌肉向心主動收縮,不會產生爆發式運動,其長度縮短,收縮速度基本不變,肌力值越高,張力越大,肌肉在運動全過程中的任何一點都能產生最大力量。本次實驗中,要求運動員以最大肌力進行測試,而且肌肉在整個運動范圍內都能產生最大的肌張力,發現五種速度下的各個運動員自身的積分肌電值幾乎相同如圖 6 所示。對于肌力與肌電關系,Astrand[18]在其著作中已表明表面肌電圖與肌力的關系: 在最大用力收縮時,無論是靜力、向心、離心、還是速度快慢,肌電積分值均相同。因此,我們也只分析了 150°/s 速度下的肌電特征。結合如圖 5 所示,不同速度下峰值力矩數據可知,盡管每一速度下的最大力矩并不相同,但都反映出該速度下的肌肉最大用力。

  可見投擲項群運動員軀干肌肉最大用力時,雖然肌力值在改變,但積分肌電值保持不變,和 Astrand 研究結論一致。

  李翰君等研究認為,用 EMG 表示肌力要非常謹慎,用其表示肌肉激活程度更為合適,因為肌力還跟長度 - 張力關系、速度 - 張力關系有關[19].

  本研究中主要不足之處在于樣本量偏小,結論的普適性受到一定的限制。我們期待以后結合更多的高級別如國際健將投擲運動員繼續加以探索。

  4 結論
  
  ( 1) 等動訓練中,不同速度下積分肌電值和峰值力矩變化趨勢不一致,單一積分肌電值指標不能反映峰值力矩變化特征。

  ( 2) 等動訓練中,軀干旋轉肌群表面肌電時序一致,各肌肉活動貢獻度大小不同,斜方肌肌肉活動貢獻度處于較高水平。

  參考文獻

  [1] 王健,方紅光,劉加海。 表面肌電信號分析下腰痛研究中的新方法[J]. 中國康復醫學雜志,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,程凱,周俊,等。 表面肌電聯合等速測試評定肌痙攣的臨床研究[J]. 中國現代醫學雜志,2010,20( 04) : 605-608.
  [4] 李青青,吳宗耀,羅利平。 表面肌電圖的信度研究[J]. 中國康復醫學雜志,2006,21 ( 03) :224-227.

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