竞技武术套路中搬脚朝天蹬直立平衡动作下肢肌肉用力特征的表面肌电分析

崔景辉, 张红雷，付丽敏

(1.河北师范大学体育学院,河北 石家庄 050024;2. 广东轻工职业技术学院，广东 广州 510300；3.河北体育学院,河北 石家庄 050041)

竞技武术套路中搬脚朝天蹬直立平衡动作下肢肌肉用力特征的表面肌电分析

崔景辉1, 张红雷2，付丽敏3

(1.河北师范大学体育学院,河北 石家庄 050024;2. 广东轻工职业技术学院，广东 广州 510300；3.河北体育学院,河北 石家庄 050041)

运用表面肌电遥测和高速摄影同步测试技术，对竞技武术套路中搬脚朝天蹬直立平衡动作的下肢肌肉用力特征进行测试。结果显示： 所测五名女子运动员的下肢六部位肌肉(胫骨前肌、臀中肌、臀大肌、腓肠肌、股二头肌和股直肌)的放电大小顺序和先后顺序相似，即胫骨前肌最先放电且放电量最大、其次是臀中肌和臀大肌几乎同时放电，而后依次是腓肠肌、股二头肌和股直肌。在完成动作过程中，运动员的运动级别越高，其各部位肌肉的总积分肌电值却越低。武英级运动员与二级运动员在股直肌、股二头肌、胫骨前肌、臀中肌上的均方根振幅(RMS)指标上存在显著性差异(P<0.05)。与二级运动员相比，武英级运动员在完成该动作时肌肉间的配合更协调，总体更省力。

竞技武术；搬脚朝天蹬平衡；表面肌电；用力特征

武术平衡类动作是《武术套路竞赛规则》中明确规定的“难度动作”，它的完成与否、姿势优美舒展程度和定势稳定性直接影响整套动作的质量和成败。肌肉的收缩是在神经支配下进行的,了解平衡类动作神经肌肉系统的工作机理，能有效地提高该类动作的训练效果和成功率。

肌肉收缩是由生物电信号在肌肉纤维中的传播所致，因此，在皮肤表面，通过电极引导、记录下来神经肌肉系统活动时的生物电信号，就称为表面肌电信号(surface electromyogram )[1-5]，表面肌电信号与肌肉的活动和功能状态之间存在着不同程度的关联性，因而能在一定程度上反映神经肌肉的活动状况[4-5]；另外表面肌电信号还具有多通道测量、简便易行、无创伤等特性[5]，目前在我国体育诸多项目中广泛运用[6]，如田径、竞技体操、举重、自由式摔跤、球类及太极拳等项目。但对于竞技武术套路平衡类动作的表面肌电分析还未见到。目前，该领域平衡动作的研究主要集中在技术分析和运动学分析[7-8]。本研究的目的是从技术特点出发，从神经肌肉层面分析平衡类动作的下肢肌肉用力特点，找出该类动作平衡环节的主要用力肌肉，肌肉用力顺序及发力肌肉间的协调性关系等，为设计科学的训练方法，提高训练效果提供理论依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

河北省体育工作大队武术套路队的五名优秀女子套路运动员，其基本情况见表1。

表1 研究对象基本资料

1．2 研究方法

1.2.1 专家访谈法

请教所测试对象的主管教练、武术管理中心主任及国家级武术套路裁判，请他(她)们对于本研究给予技术方面的指导。请教河北师范大学肌电分析专家，请他们在肌电分析方面给予指导。

1.2.2 实验法

1.2.2.1 实验仪器设备及安放

采用定点定机摄影摄像测量方法，在武术套路新规则规定的正式比赛专用场地，架设两台索尼高速摄像机定点拍摄，两台摄像机主光轴夹角近100°。 运用德国Biovision公司出品的多导运动生物电测试系统对运动中的肌肉采用无损伤表面肌电采集。采样频率为1024Hz。电极片选用上海韵康医用设备有限公司生产的一次性心电电极。通过触碰式开关发光二极管装置以达到肌电和摄像的同步化的要求。

1.2.2.2 肌肉的选取及数据的采集

依据所测肌群能够反映动作特征为标准，选取平衡动作支撑腿肌群中的股直肌、臀大肌、股二头肌、臀中肌、腓肠肌和胫骨前肌共六块肌肉进行测量。电极安放前先用脱脂酒精棉球清洗受试者局部皮肤,再去掉安放处表皮的角质层。安放时将电极顺肌纤维方向贴在被测肌肉的肌腹处，电极10 mm，二电极中心相距约20 mm，用弹性绷带固定电极。

1.2.2.3 实验数理处理

使用艾力尔三维录像解析系统进行图像的采集和数据的统计。肌电数据的处理，首先将每条肌电曲线的数据以ASCII文件格式导出(export),然后用专用肌电数据处理软件dasylab10软件进行处理，首先对每条肌电曲线进行滤波处理，分别去除其中掺杂的低频、高频及50Hz工频干扰信号；低通滤波的截止频率是 400Hz，高通滤波截止频率是 10Hz。然后再进行其他参数的分析。运用SPSS.18.0统计软件包对所有肌电变量参数进行常规统计学处理。对相关的肌电变量参数进行统计学独立样本T检验(双侧)，显著性水平P=0.05，数据分析用(X±S)表示。

2 结果与分析

2.1 搬脚朝天蹬直立平衡动作的运动学分析

武术平衡类动作是指单脚支撑，另一只脚悬起或者扣摆于支撑腿上，从而形成各种静止姿势[8]。搬脚朝天蹬直立平衡又被称作“朝天蹬”，要求运动员在支撑腿直立站稳的状态下，非支撑腿用手经体侧上托，同时脚尖勾起，脚底朝上，大腿与地面保持垂直。见图1所示。对此动作进行运动学和静力学分析显示(见图2)，整个动作过程中(从搬脚开始到形成平衡)身体重心在非支撑腿离地到上举至头顶阶段晃动最大，晃动范围大致在0.06m内。支撑腿踝关节角度在该阶段随非支撑腿的上举而逐渐缩小，在维持平衡阶段，踝关节角度始终处在10°左右的范围内变化。

图1 搬脚朝天蹬直立平衡动作示意

图2 搬脚朝天直立平衡非支撑腿环节角变化(°)

2.2 搬脚朝天蹬直立平衡动作主要用力肌肉的肌电分析

目前，对肌电图信号的分析主要集中在时域和频域分析两个方面。时域分析的指标主要包括积分肌电(IEMG)，均方根振幅(RMS)。频域分析的指标主要有平均功率频率(MPF)、中位频率(MF)[9]。本研究主要对肌电信号进行IEMG和RMS指标的时域分析。IEMG(积分肌电)是表示在一定时间内肌肉中参与活动的运动单位放电总量，可以说在一定时间内，其值的大小在一定程度上反映了参加工作的运动单位的数量和每个运动单位的放电大小。RMS (均方根值) 反映一段时间内肌肉放电的平均水平，一般认为与运动单位募集和兴奋节律的同步化有关。多项研究表明[10-11]，IEMG和RMS值越大，表明募集肌纤维的能力越强，肌肉协调用力能力越大；当肌肉随意静力收缩时，IEMG与肌肉力量之间成线性关系[12]；在相同的时间内某一肌肉的IEMG大小和其用力成高度正相关[3;4;13;15;]；IEMG可以比较直观地评价某一块肌肉的活动强度等[16]。以下是对本研究5名实验对象所测肌肉的IEMG和RMS的图表处理结果。

所测六块肌肉：臀大肌、臀中肌、股直肌、股二头肌、胫骨前肌和腓肠肌，分别维持着髋关节、膝关节和踝关节的稳定，保持身体姿态平衡。从图3下肢肌肉的IEMG可以看出这六块肌肉的放电量的大小呈现出相似的排序，其放电量由大到小的顺序分别是胫骨前肌、臀中肌、臀大肌、腓肠肌、股二头肌和股直肌。从RMS图(见图4)也可以看出，胫骨前肌的放电量最大，激活程度也最高。腓肠肌的IEMG和RMS仅次于臀大肌和臀中肌排在第四位，说明该肌肉的激活程度也较高。胫骨前肌和腓肠肌放电量都较大说明踝关节在平衡过程中较不稳定，这种不稳定造成了胫骨前肌的持续收缩放电。这与前面由高速摄像机所拍摄并分析得出的“踝关节角度始终处在10°左右的范围内变化”相一致。对于胫骨前肌的放电量远大于腓肠肌，其原因在于身体重心的前移和前脚掌的扒地技术。张斌对武术平衡动作的静力学分析认为[8]，支撑面越大，平衡动作的稳定性就越好，脚趾内扣是增加足底支撑面的有效方法。足的支撑面是建立于胫骨前肌、胫骨后肌、趾短屈肌和髓长屈肌等内收肌收缩的稳定支撑基础上，当身体重心的投影偏移，足局部内收肌群便在神经系统支配下加强收缩来调节重心位置。费兰兰等对此进行运动学分析后认为[16]，平衡动作中保持2s需做到脚掌足中区充分接触地面，足前区形成积极的“扒地”动作。脚底受力面积是决定运动员能否将平衡动作保持2S的因素之一。由此可以推断， 胫骨前肌在维持该动作平衡阶段所做的功最大，胫骨前肌持续收缩一方面维持踝关节角度的稳定性，另一方面使前脚掌充分与地面接触，增大支撑面，使脚掌像吸盘一样固定在支撑面上，并将重心保持在支撑面内。臀中肌和臀大肌分别排在第二和第三位，说明髋关节处于适当的位置与保持稳定是该平衡动作的决定因素之一。因为人体处于正常的解剖位时，足的前后向与髓关节横轴近乎垂直，这时髓关节各部分肌肉只起固定作用。而在搬脚朝天蹬直立平衡动作中，由于一侧肢体的向上运动，势必引起骨盆上下和前后的转动，臀中肌的作用是稳定骨盆，其放电量大是必然的。臀大肌的放电量也很大，说明该动作直立平衡过程中髋是伸展的。髋伸展有利于保持重心的稳定。

以上分析可以发现，在整个平衡过程中，胫骨前肌、臀中肌、臀大肌和腓肠肌的激活程度远大于其他肌肉，提示前脚掌扒地，保持踝关节稳定，保持髋关节处于直立位对于搬脚朝天蹬直立平衡动作非常重要。同时，另一侧肢体的柔韧性是决定朝天蹬动作髋关节位置的决定性因素。

表2 起平衡及平衡环节IEMS(mVs)计算结果(Mean±Std)

表3 平衡环节RMS计算结果(Mean±Std)

图3 搬脚朝天蹬直立平衡动作下肢肌肉IEMG

图4 搬脚朝天蹬直立平衡动作下肢肌肉RMS

2.3 平衡环节肌肉用力的协调性关系

搬脚朝天蹬直立平衡动作属于下支撑平衡，即重心在支撑面之上，在力学中属于不稳定平衡。其静力平衡是补偿性的，必须由神经肌肉的协调控制来完成。肌肉协调就是肌肉的适宜与合理的用力，其协同关系主要体现在参与工作的肌肉在时间和空间上的用力大小、用力的先后顺序及主动肌与拮抗肌的协调性配合等方面。

2.3.1 各部位肌肉的整体用力情况

罗炯等认为如果肌肉间协调配合程度高，则肌肉放电整齐且有一定的规律性，而不会出现多余的肌肉放电现象[14]，从而在做功相同的情况下节省更多的能量。如何判断肌肉工作时的协同关系?本研究以IEMG值和RMS值来评价各部分肌肉在时间、顺序上的发力大小及变化，借此来评价不同运动员各部分肌肉的协调配合关系。因为，各种负荷形式下肌肉收缩力或输出功率的变化与表面肌电信号的振幅间存在着良好的线性关系。IEMG值和RMS值均可在时间维度上反映表面肌电信号振幅的变化特征。依据这一理论，我们将这六块肌肉的肌电积分相加，得出各个运动员在完成动作时的总积分肌电值。见表2所示。结果发现，她们的积分肌电总值随运动级别的降低而增加。YYX是武英级运动员，其IEMG值的总值最小，为4.43mvs，SF的运动级别最低，二级，其IEMG值的总值最大。为6.35 mvs。分析该平衡动作的用力情况，肌肉工作的性质是静力性的等长收缩，肌电信号的平稳性与肌肉工作的性质有关。一般来说，静力学性工作时肌肉收缩时间长、肌电时程大、发放的频率低、振幅较小、平稳[16]。从二人的肌电图(见图5,6)可以看出，YYX的原始肌电图符合以上特征，而SF的原始肌电图较YYX振幅大，不平稳。SF的肌电图显示振幅时大时小，推测应该是肌肉用力不均匀，动作不稳定，其外在的表现形式可能有晃动。为进一步验证，我们调取了YYX和SF的原始录像，结果显示，YYX动作从开始到结束，整个动作很稳，SF在整个过程中，能看出轻微的晃动，虽然都达到了完成的标准，但在动作质量有差别。对她们的IEMG图(见图3)和RMS图(见图4)进行比较发现，武英级运动员YYX各部位肌肉的IEMG值和RMS值的排列较整齐有规律。由此可以推出，理想的搬脚朝天蹬直立平衡动作下肢主要用力肌肉的肌电信号是肌肉收缩时间长、肌电放电的时程大、发放的频率低、振幅较小、平稳。武英级运动员与一级和二级运动员的肌电相比，主要表现在肌肉放电整齐且有一定的规律性，做功相同的情况下能量消耗最少，可以认为是肌肉间协调配合程度高的表现。

图5 YYX平衡过程各肌肉活动原始肌电

注：肌电图从上到下的顺序依次为股直肌、股二头肌、腓肠肌、胫骨前肌、臀中肌和臀大肌。以下各图与之相同。

图6 SF平衡过程各肌肉活动原始肌电

2.3.2 各部位肌肉的用力顺序

肌肉收缩时，在检测电极间会产生电位差，表现为在肌电信号图中表面肌电偏离其准线，收缩越厉害(即信号越强)，表面肌电偏离准线越远(幅值越大)。为进一步观察表面肌电的幅值变化，我们将棘波所对应的肌电数据进行平方。图7和8就是对YYX、SF的原始肌电图进行振幅平方处理之后所得到的图片，可直观地看出肌肉的发力起止点，直观地判断出肌肉的发力顺序。

图7 yyx平衡过程原始肌电平方振幅

图8 SF平衡过程原始肌电平方振幅

从图7和图8可以看出，胫骨前肌最先放电，臀中肌和臀大肌几乎同时。遵循从下到上的发力顺序。另外， YYX的放电时间较早，且持续时间较长，精确地说，YYX胫骨前肌的放电时间要早于其他肌肉大约1s。而SF的胫骨前肌放电时间比其他的肌肉早大于0.3s。也就是说YYX的胫骨前肌在非支撑腿离地前已表现出明显的肌电信号，表明肌肉兴奋并已进行收缩活动。这种肌肉“预激活”的现象是中枢神经系统预先对支撑腿的膝、踝关节相关肌肉群做出的“动员”，应该是中枢神经系统对相关肌肉群进行收缩、准确地支配和调控运动单位的结果。不同的是，运动员SF没有出现该现象。

2.3.3 肌肉协调性的个体间比较

以上分析发现，肌肉间协调配合程度越高，做功相同的情况下能量消耗也越少。本研究所测五位运动员六部位肌肉的积分总量随运动级别的降低而增大。那么他们之间的这种差别是否有统计学意义，还需进一步比较。以往研究认为各种负荷形式下肌肉收缩力或输出功率的变化与表面肌电信号的振幅间存在着良好的线性关系[4-5]。因此，我们以RMS值为变量，比较不同运动员是否在运动级别上存在差异。经统计学检验，武英级运动员与一级运动员之间没有差别，一级与二级运动员之间没有差别，而武英级与二级运动员之间存在显著性差异。见表4所示，分别在股直肌、股二头肌、胫骨前肌、臀中肌上有显著性差异。武英级运动员的RMS的均值除臀大肌外，均小于二级运动员。RMS值的大小，表示肌肉放电的平均水平，也就是说，武英级运动员与二级运动员在放电量大小上有显著性差异，即武英级运动员比二级运动员在完成动作时更省力，肌肉的协调程度更高。

表2 武英级和二级运动员RMS值的独立样本T检验结果

注：*表示P<0.05.

陈小平认为肌肉的协调有精确、快速、应变和经济等四个特征[17]。其中，经济指的是肌肉在对外完成相同的功的情况下,能够节省肌肉能量的消耗。以上分析，武英级运动员与二级运动员在节能上有显著性差异，说明肌肉协调性的建立是一个长期而复杂的过程，它需要运动员在反复练习的过程中，逐步在中枢神经系统上建立正确的神经活动程序，逐步形成神经肌肉协调，肌肉内协调、肌间协调和肌群间协调等各个方面。并且动作技术的完成应是一个整体系统，不能靠各个局部的练习达到整体效果，而要通过各个部位的协调性练习达到整体效果。提示运动员在练习搬脚朝天蹬直立平衡动作时应结合专业技术特点，完整练习，以训练神经肌肉及肌肉间的协调性。

3 结论与建议

3.1 结论

3.1.1 搬脚朝天蹬直立平衡动作的下肢肌肉的积分肌电图显示：所测五名运动员的六部位肌肉的放电大小表现出相似的排列；其放电量由大到小的顺序是胫骨前肌、臀中肌、臀大肌、腓肠肌、股二头肌和股直肌。踝关节在平衡过程中较不稳定，胫骨前肌在维持该动作平衡阶段所做的功最大。胫骨前肌持续收缩一方面维持踝关节角度的稳定，一方面使前脚掌充分与地面接触，增大支撑面，使脚掌像吸盘一样固定在支撑面上，并将重心保持在支撑面内。髋关节处于适当的位置与保持稳定是该平衡动作的另一决定因素。提示前脚掌扒地，保持踝关节稳定，保持髋关节处于直立位对于搬脚朝天蹬直立平衡动作非常重要。同时，另一侧肢体的柔韧性是保持髋关节能否处于直立位的保证。

3.1.2 所测五名运动员在完成动作时各部位肌肉的总的积分肌电值随运动级别的降低而增加。武英级运动员的搬脚朝天蹬直立平衡动作的下肢主要用力肌肉的肌电信号图显示具有肌肉收缩时间长、肌电放电的时程大、振幅较小、平稳的特点。其总的积分肌电值最低。完成该平衡动作环节的发力顺序是，胫骨前肌最先放电，臀中肌和臀大肌几乎同时。遵循从下到上的发力顺序。另外，武英级运动员在动作前出现了肌肉“预激活”的现象，其他级别的运动员未出现或不明显。

3.1.3 武英级运动员与二级运动员下肢主要用力肌肉的RMS分别在股直肌、股二头肌、胫骨前肌、臀中肌上存在显著性差异(P<0.05)，其RMS均值均小于二级运动员，提示在完成该平衡动作过程中，武英级运动员与二级运动员在平均放电水平上存在显著性差异，即武英级运动员比二级运动员在完成动作时更省力，肌肉的协调程度更高。

3.2 建议

搬脚朝天蹬直立平衡动作属于不稳定的下支撑平衡，其静力平衡是补偿性的，神经肌肉的协调控制是完成该动作关键。建议在训练该动作或该类动作时，首先建立正常的肌肉用力顺序，注重前脚掌扒地技术的训练和掌握。其次是髋关节适当位置的调整和把握。再有就是完整动作的系统科学练习。协调性的建立是一个长期而复杂的过程，它需要运动员在反复练习的过程中，逐步在中枢神经系统上建立正确的神经活动程序，逐步形成神经肌肉的协调，肌肉内协调、肌间协调和肌群间协调等各个方面。因此科学地发展神经肌肉协调性练习时完成该动作的保障。

[1] 王 健.sEMG信号分析及其应用研究进展[J].体育科学,2000,20(4):56-60

[2] 李延军,孙有平,隋新梅，等.旋转推铅球过渡阶段肌肉用力特征的sEMG分析[J].北京体育大学学报，2010，33(5)：50-54

[3] 刘述芝. 我国优秀男子跳远运动员起跳环节肌肉用力特征及其训练监测系统开发的研究[D].上海：上海体育学院博士学位论文，2011：25-26

[4] 刘述芝,吴 瑛.优秀跳远运动员起跳环节支撑腿表面肌电活动特征研究[J].河北体育学院学报，2010，24(6)：65-69

[5] 罗旋.不同形式跑台运动过程中下肢肌表面肌电图的变化特征[M].苏州：苏州大学硕士学位论文，2009：10-21

[6] 周炜. 基于直方图和频谱的表面肌电信号处理[M].杭州：杭州电子科技大学,2009，12

[7] 李明哲.北京市青少年铁饼运动员技术动作的表面肌电图分析[D].北京：首都体育学院，2010:7

[8] 张斌.武术平衡动作的静力学分析[J].阴山学刊，自然科学版，1996，13(4)：43-46

[9] 李世明.肌电测量技术的应用[J]. 中国临床康复，2006,10(41)：149-151

[10]孙启柱.基于表面肌电的运动解析系统的研究[D].北京:中国科学院研究生院，2005:31- 40

[11]Tommy Oberg. Muscle Fatigue and Calibration of EMGM measurements [J].Electromyography Kinesiology, 1995(4):239-243

[12]Naomi C, Chesler, William. Surface EMG as a Fatigue Indicator during FES-Induced Isometric Contractions [J].Electromyography Kinesiology, 1997, 7 (1):27-37

[13]Bilodeau M. EMG Power Spectra of Elbow Extensors during Ramp and Step Isometric Contraction [J].European J Apply Physiology,63:24-29

[14]罗 炯,金季春.表面肌电处理方法及在体育科研中的应用前景[J].福建体育科技，2005,24(2):31-34

[15]刘述芝,吴瑛,李玉章.我国部分优秀男子跳远运动员起跳环节肌肉用力特征[J].上海体育学院学报，2011,35(2):61-65

[16]费兰兰,李建设. 武术套路若干平衡动作的动力学分析[J]. 浙江体育科学, 2004,26(5):82-86

[17]陈小平.“神经支配能力”的训练———我国力量训练一个亟待解决的问题[J].中国体育教练员,2004(4):51-54

sEMG Analysis for Muscles in Upright Balance Acts with One Leg Up in Martial Arts

CUI Jing-hui1, ,ZHANG Hong-lei2， FU Li-min3
(1.College of Physical Education,Hebei Normal University,Shijiazhuang 050024,China; 2.Guangdong Industry Technical College,Guangzhou 510300,China; 3.Hebei Institute of Physical Education,Shijiazhuang 050041,China)

Through the synchronized surface electromyography telemetry and high-speed photography ， the present paper explored the muscle exertion features of Upright balance acts with one leg up in Martial arts. The results showed that the discharge capacity of the six muscles tested in five athletes' displays similar arrangement. The order of them by large to small respectively is tibialis anterior, gluteus medius, glutaeus maximus, gastrocnemius, biceps femoris, rectus femoris. The sequence of Power Application is as follows, Tibialis anterior discharge first, and gluteus medius and glutaeus maximus is almost at the same time. There exists significant differences in RMS on rectus femoris, biceps femoris, Tibialis anterior, gluteus medius.between level WuYing athletes and level 2. Compared with level 2 players, WuYing athletes are more efficient and the degrees of muscle coordination are higher during the whole acts.

Martial arts; Upright balance acts with one leg up; surface electromyogram; exertion features

2013-10-10

崔景辉(1973-)，男，河北石家庄人。副教授，硕士导师

研究方向：从事武术教学、训练研究

G852.4

A

1007-323X(2014)01-0103-06