速滑运动员模拟滑板训练时膝关节肌群肌电变化研究_中国有滑板速滑的地方吗

　　摘要：采用ME6000表面肌电仪和SONY高速摄像机对沈阳体育学院9名优秀速度滑冰运动员在模拟滑道训练中进行同步分析。结果表明：速度滑冰运动员侧蹬腿与支撑腿表面肌电原始电压有显著差异，左右伸膝肌群（腓外、腓内）在滑行过程中放电高于其他肌群；左腿为侧蹬腿时，半腱肌在膝关节折叠成小角度时放电最为明显；双支撑阶段右腿屈伸肌群表面肌电标准化电压在膝关节角为110—1200时达到最大值，在膝关节角大于1200之后肌肉力量降低明显。
　　关键词：速度滑冰；膝关节；模拟滑板；表面肌电；研究
　　中图分类号：G804.7
　　文献标识码：A
　　文章编号：1008—2808（2012）05—0124—05
　　速滑运动是一项集技能、体能为一体的周期性运动项目，蹬冰频率和蹬冰功量受下肢肌张力的影响。在专项训练中速滑运动员必须具备两种专门力量，一种是静力性力量，在动作中表现为单腿蹬冰支撑力；另一种为速度力量，在动作中表现为左右腿交替频率和侧蹬腿蹬冰的爆发力。这两种力量的大小与膝关节肌群张力及关节角度密切相关。然而，此前的研究多从生物力学角度分析，将影像学与电生理学结合性研究很少报道。研究通过对9名速滑运动员膝关节肌电测试，探讨速滑运动员支撑腿与蹬冰腿的肌电变化及其规律，比较运动员滑行时膝关节肌群用力特征及关节角度变化特征，为速滑运动员的科学训练提供依据。
　　1 研究对象与方法
　　1.1 研究对象
　　以9名沈阳体育学院竞技体校速度滑冰男运动员作为研究对象，年龄17.1±1.5岁；身高178.4±3.4cm；体重66.7±8.4kg；训练年限3.8±0.6年.运动员等级皆为国家一级运动员。
　　1.2 研究方法
　　1.2.1 实验仪器与测试方法采用芬兰产MEGA6000-T8型表面肌电仪，测试运动员双膝关节肌群（半腱肌、腓肠肌外侧头、和腓肠肌内侧头、股直肌肌腹）。电极选用Ag-Agel电极，每个记录部位的两电极相距2cm，参考电极在记录电极旁3cm，电极置于肌腹，且与肌纤维平行。测试时用细砂纸祛除皮屑，再用酒精棉球祛除油脂。采用肌电图的放大装置，频率1000Hz。令受试者在模拟滑板上模拟比赛速度完成300步滑行练习。同时采用两台日本产SONY HC526E高速摄像机，拍摄运动员滑行时期原始图像。
　　1.2.2 表面肌电测试数据调取
　　（1）测试指标。实验前设置表面肌电仪数据采集方式为原始电压，通过MegaWin表面肌电信号处理软件对所获得的肌电信号进行频谱分析、统计计算（积分、微分）、平滑处理等运算。选择原始电压、中位频率（MF）、平均功率频率（MPF）、平均肌电（AEMG）、积分肌电（IEMG）和均方根（RMS）等指标作为实验数据分析的主要来源。
　　（2）APAS三维运动解析。APAS三维运动解析系统是由美国R.C.纳尔逊发明，本次研究中使用APAS三维运动解析系统中Trimmer（图像剪辑）；Digitalize（数字化）；Transform（三维合成）；Filter（平滑）；Display（数据显示）5个模块对摄像机拍摄的原始图像与肌电图进行点对点同步分析。
　　（3）数据处理与统计方法。采用全波整流肌电图，对原始电压进行标准化和时间归一化处理。运用spss16.0对实验数据进行±S、独立样本t检验、单因素方差分析和因子分析等统计方法。
　　2 研究结果与分析
　　2.1 速滑运动员屈伸膝肌群表面肌电变化
　　在一个单步滑行中，速滑运动员左右侧肢膝关节屈伸肌群肌电变化特征见表1。
　　2.2 速滑运动员模拟滑行中不同支撑腿时间与最大蹬冰用力关节角
　　根据完成1个复步平均时间2.151s，将1个复步分为左腿蹬冰阶段和右腿蹬冰阶段，剪接运动员完成1个复步的表面肌电时域图像分析，结果发现，速滑运动员模拟滑行中不同支撑腿时间与最大蹬冰用力关节角不同，见表2、3。
　　2.3 不同支撑时期屈伸膝肌群标准化原始电压时间归一化方差分析
　　对运动员不同支撑时期左右腿屈伸膝肌群表面肌电原始电压经过标准化和时间归一化处理，以不同支撑时期为因素进行单因素方差分析，结果发现，除左腿屈膝肌群（小腿）无统计学意义外，其他5组肌群在不同支撑时期的电压变化存在显著差异，如表4所示。
　　2.4 频域指标分析结果
　　计算运动员左右腿屈伸膝肌群频域指标MF、MPF的下降率，即（最大值一最小值）/最大值，在6组肌群中，左屈伸膝肌群（大腿）MPF下降率大于MF，其他4组肌群均为MF下降率大于MPF下降率，结果如图1所示。
　　3 分析与讨论
　　3.1 运动员时域、频域指标的变化
　　由表1可见，三种时域指标分析中，左腿伸膝肌群数值均为最大，这与因子分析结果相一致，表明在速滑运动员滑板练习过程中，左腿伸膝肌群产生的肌力为各肌群最大，随训练时间延长，左腿伸膝肌群平均肌电等3项指标的变化存在统计学意义；左腿小腿屈膝肌群3项时域指标数值最小。经过30次滑步练习后，时域指标变化同样存在统计学意义，表明无论肌肉力量大小、运动单位动员数量和同步化程度都有所改变，提示在滑板训练后运动员可能出现疲劳现象。最大积分肌电值出现在7号运动员左侧股直肌，这与均方根的测试结果一致，表明在测试过程中这块肌肉动员运动单位数目多产生的力量大有关。研究认为积分肌电随张力增大而增加是由于运动单位不断募集造成，倾角加大是由于在疲劳时运动单位收缩力量下降，为弥补肌收缩力量的不足，需动员更多运动单位参与活动。
　　频谱可以反映表面肌电图信号不同频率的变化，中位频率是指将频谱能量一分为二的中分位置处的频率；平均功率频率是反映信号频率特征的生物物理指标，其大小与动作电位的传导速度有关。本研究中发现，平均功率频率下降率高于中位频率下降率，左小腿屈膝肌群和右大腿屈膝肌群平均功率频率下降率高于其他。频域指标下降率主要与肌肉疲劳的程度有关，引发频域指标下降的原因可能有中枢与外周两方面作用因素，运动单位放电的同步性在肌肉发生疲劳时减弱，进而引发频域指标下降趋势加强。目前，频域指标用来评价运动过程中疲劳程度尚存在争议。由表4可见，左右下肢作为支撑腿时所选各肌群产生的电压大于蹬冰腿，从标准化电压比较显示支撑腿的肌肉力量大于蹬冰腿。大腿伸膝肌群出现显著性差异的人数7人，股直肌所属的股四头肌近固定伸膝肌肉力量强，侧蹬是在外展过程中伸膝。从图1中能够看出股直肌在膝关节处于小角度时即达到放电的最大值。在模拟滑板训练中，运动员模拟滑板上依靠蹬冰腿施加于滑板两侧的凸起木条的作用力产生的反作用力推动身体滑向另一侧，蹬冰腿从接触滑板两侧的凸起木条到完全与之分离，即完成了一次蹬伸发力过程。支撑腿释放肌力维持身体重心平衡，直到进入双支撑状态时，支撑腿的肌力开始下降，支撑腿发力时间长于蹬冰腿。模拟滑板上滑步训练的蹬冰与支撑与冰上训练相比，滑板一个单步时间是冰上2.11倍，运动员在滑板上一个单步动作完成时间长，对于身体各个环节的控制时间延长。 　　3.2 不同膝关节角度下表面肌电变化
　　腿部各关节角度的变化反映了在蹬冰过程中蹬冰腿动作的特征，在单支撑蹬冰结束瞬间表现出较大的差异，即滑行距离越长，膝关节角度伸展幅度越大。从图1单支撑左腿蹬冰中，右腿3个肌群从膝关节60°肌力开始增大，除肌肉力量相对一致。右支撑阶段右腿远固定从屈曲到伸展，伸膝肌群为原动肌，屈肌群为对抗肌。在速滑运动中，依靠体重蹬冰身体重心落在支撑腿上，支撑腿的各肌群需要协同发力，在蹬冰腿给予身体横向作用力时保持身体平衡。右腿伸膝肌群在蹬伸过程中的肌力不是持续增加，相反在最初达到较高放电水平后电压下降，膝关节接近90°时伸膝肌群的放电水平再次提高，证明膝关节90°左右伸膝肌群肌肉力量良好，实验测得右膝关节在右支撑阶段角度平均值为91.0°这与相关研究中男子速滑选手单支撑右腿蹬冰膝关节角度比较接近（95.8°）。伸膝肌群肌肉放电水平在单支撑右腿蹬冰结束时再一次达到一个相对高值，运动员在一次单支撑结束时身体重心随之提高伸膝充分，进入双支撑右腿蹬冰阶段。右腿在单支撑左腿蹬冰时变为蹬冰腿，从单支撑右腿蹬冰过程中看出伸膝肌群的放电水平在膝关节90°，由表3可见右膝关节角度在侧蹬阶段的平均值为106.8°，与相关资料对比，这一膝关节角度有10°的增加。在右膝关节为90°的时候，伸膝肌群与大腿屈肌群达到最大放电水平，小腿屈肌群在膝关节100—110°时2块肌肉分别达到最大放电水平。说明运动员右腿的大腿伸膝屈膝肌群最大放电时刻与适宜关节角度有重合的现象，但小腿屈膝肌群则相对滞后。
　　根据单支撑左腿蹬冰过程中左膝关节的变化情况可以发现，左腿作为蹬冰腿大腿的屈膝肌群在膝关节70°时率先达到最大放电水平，侧蹬前左腿要尽量减小膝关节角度，这是为了使左腿在侧蹬时先离心收缩再向心收缩产生较大的肌肉力量，加大侧蹬速度和滑行距离。左腿作为蹬冰腿和蹬冰腿伸肌群放电水平有所不同，相对侧蹬的蹬伸过程放电水平而言，左腿作为支撑腿时伸膝关节肌群放电水平更高，小腿屈膝肌群放电水平很低，形成原因可能与运动员蹲滑过程中身体重心相对较高屈膝角小有关。
　　3.3 双支撑阶段关节角度与标准化电压关系
　　在双支撑右腿蹬冰阶段，右膝关节角度变化幅度小于单支撑阶段，双支撑是双腿交换工作方式的缓冲阶段，右腿由蹬冰腿转为蹬冰腿，右膝关节开始折叠，由图1可知，小腿屈膝肌群在110°时已经达到最大放电水平。研究指出，同属于小腿三头肌的腓肠肌内外侧头在膝关节角度增大时放电水平异常，可能与运动员为了完成蹬伸动作和控制冰刀离冰前刀尖刨冰，不得不控制足的趾屈，再加之躯干和足在蹬冰过程中缺乏转动，导致速滑蹬冰动作主要是通过大小腿的转动产生的蹬伸。有研究表明速滑运动员在弯道技术中，右单步中的双支撑阶段时间小于左单步中的双支撑阶段时间，其原因与外侧腿（右腿）的滑行路线长于内侧腿（左腿），在蹬冰过程中运动员有意识延长右侧腿单支撑阶段时间来达到延长单步时间的作用所致，这样有利于身体重心紧贴弯道内沿滑行，不至于被甩出。左腿伸膝肌群在2次双支撑阶段不同膝关节下放电水平也有所不同，在双支撑右腿蹬冰时，伸膝肌群在膝关节小角度达到电压高值，这个阶段左腿完成侧蹬结束双支撑后进行蹬冰阶段，屈膝关节后为使右腿侧蹬力量增加左腿要在膝关节小角度时加速蹬伸；在双支撑左腿蹬冰时，在膝关节大角度时的放电水平更高，这个阶段左腿由蹬冰腿向蹬冰腿过渡，提高身体重心并将重心移至右腿，开始单支撑右腿蹬冰。
　　4 结论
　　（1）速度滑冰运动员侧蹬腿与支撑腿标准化表面肌电原始电压有显著差异；左右伸膝肌群在滑行过程中放电高于屈肌群。
　　（2）侧蹬练习时，半腱肌在膝关节折叠成小角度时放电最为明显，双支撑阶段右腿屈伸肌群表面肌电标准化电压在110°-120°时达到最大值。
　　（3）滑行练习中，运动员在膝关节角度大于120°之后肌肉力量降低，在相对小的膝关节角度产生最大肌力。
　　（4）运动员之间均方根值和积分肌电值存在显著性差异，这与运动时骨胳肌的激活顺序和运动单位动员等因素有关。屈伸膝关节肌群肌肉力量在膝关节角度为90—110°之间达到最大值，表明运动员肌肉放电处于适宜的膝关节角度。

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