复合弓不同开弓技术动作肌肉用力一致性分析与比较

2018-08-01陈金鳌谭亲平李卓琳陆阿明

成都体育学院学报 2018年4期

陈金鳌，谭亲平，李卓琳，陆阿明

射箭是一项对动作技巧和一致性要求很高的运动项目。在射箭动作的举弓、开弓、固势和撒放4个阶段中，开弓处于核心地位[1]。开弓动作是依靠两臂骨骼肌发力来抵抗和克服弓的弹力，使弓的拉距不断扩大[2]。相关研究发现，开弓动作对运动员射箭成绩的影响作用最明显，尤其是拉弓臂的偏差会显著降低射箭的精准度[3]。但相较于固势和撒放，对开弓技术动作的研究还较为缺乏。

目前，国内对射箭技术的研究主要基于反曲弓[4-6]，鲜见对复合弓射箭技术的理论和实验研究。参考反曲弓的平位开弓和高位开弓技术，结合复合弓自身结构特点，在复合弓练习者中形成了两种主流的开弓技术动作：“直臂开弓”和“屈臂开弓”。其中，直臂开弓技术沿袭了反曲弓的开弓方式，在举弓后，持弓臂肘关节伸直，持弓手与下颌持平，眼睛、准星、靶心连成一条直线；拉弓臂加力开弓时，持弓臂保持伸直且上下位移不明显。屈臂开弓技术则是在举弓时，持弓臂肘关节弯曲，持弓手与眉持平；拉弓臂加力开弓的同时，持弓臂肘关节由屈到伸，持弓手自上而下，位移明显。

在复合弓射箭运动的整套技术动作中，开弓阶段因受复合弓高磅数的影响而最易发生动伤损伤，初学者在不同开弓技术动作中出现拉弓臂斜方肌及三角肌后束拉伤的情况十分频繁。然而，对直臂开弓和屈臂开弓技术动作直接进行比较研究的文献报道却很少见。作为非周期性的重复运动，射箭动作的流畅和精准性依赖于肌肉用力的一致性。本研究试图运用表面肌电技术，对复合弓初学者分别在两种不同开弓技术动作中上肢躯干主要发力肌肉的用力一致性进行分析与比较，并从运动解剖和运动生理学角度确立两种开弓技术动作的分类应用价值，以期为复合弓初学者提升成绩和预防运动损伤提供理论与实践参考。

1 研究对象与方法

1.1 对象

从复合弓初学者中招募青年健康男性受试者16名，训练年限均在1年以下，练习频率≤2次/周。经常规健康体检后确认所有受试者均身体健康，无服药记录，无呼吸、循环、代谢系统及肌肉骨骼疾患，无肩、肘、腕关节等上肢损伤史及腰背病史。要求实验中每位受试者使用个人刚好能够完成标准12支箭连射动作的弓lb负荷。基本情况见表1。

表1 受试者基本情况一览Table 1 Basic information of the subjects

1.2 实验器材

开弓实验选用美国Mathews Mission CRAZEⅡ型复合弓，结构如图1所示。

图1 MISSION GRAZY Ⅱ型复合弓结构Graph 1 Structure of MISSION GRAZY Ⅱ compound bow

测试仪器包括：(1)Cometa 16通道无线表面肌电测试系统——EMG and Motion Tools，可将从被试肌肉采集到的电信号通过无线传输给主机，采样频率为2 000 Hz，具有同步视频采集功能；(2)VICON红外摄像头(100 Hz)和SIMI-MOTION录像解析系统；(3)LT-301型一次性氯化银Ag/AgCl皮肤表面电极片，直径为5 mm，交流阻抗≤ 3kΩ。

1.3 sEMG信号的采集

在动作技术诊断与分析实验室进行数据采集。根据预实验结果，采集持弓臂肱三头肌、三角肌中束、三角肌后束，以及拉弓臂肱二头肌、三角肌后束、斜方肌下束共6块主要用力肌肉在开弓阶段积分肌电(iEMG)指标的原始肌电信号。首先，对目标肌肉的体表部位进行定位、剃刮、打磨、酒精擦拭处理，随后在每块肌肉肌腹隆起的体表最高点处粘贴2个一次性表面电极片，并使两电极中心连线方向与采样肌纤维的长轴方向平行，电极片中心间距相隔2 cm；然后，通过Cometa 16通道无线表面肌电测试系统EMG and Motion Tools采集iEMG的原始肌电信号，采样频率为2 000 Hz。

为避免两种开弓方式互相干扰并对最终结果产生影响，先采集受试者以“直臂开弓”方式连续实射12支箭的肌电信号，待间歇72 h，再采集受试者以“屈臂开弓”方式连续实射12支箭的肌电信号。

1.4 iEMG指标的数据处理

首先，对每支箭开弓用力阶段iEMG的数据进行记录，每支箭iEMG的计算方法如下：在受试者拉弓臂的肩关节、肘关节、腕关节及手背处作MARK点标记，利用VICON红外摄像头配合SIMI-MOTION录像解析系统确定开弓阶段的起止时间点，即以弓前点在Z轴的最高点或连续5帧没有超过0.5 mm的首帧作为开弓阶段的起点，以拉弓臂肘在X轴方向上至少连续5帧画面的位移变化不超过0.5 mm的首帧作为开弓阶段的止点(靠弦)[1]。然后，将该时段截取到的帧数换算成以秒(s)为时间计量单位，再由EMG and Motion Tools系统中的EMG Easy Report软件对该时段iEMG的原始肌电信号进行整流滤波分析，滤波带宽为10～500 Hz，并导出iEMG的具体数值，肌电导出的时间常数为0.000 5 s。iEMG的计算公式为：

因此，分别将评价连续实射1～3、4～6、7～9、10～12支箭的一致性指标表示为：Z1-3(%)或Q1-3(%)、Z4-6(%)或Q4-6(%)、Z7-9(%)或Q7-9(%)、Z10-12(%)或Q10-12(%)。

1.5 数理统计

2 研究结果

表2中的Bartlett球形检验结果显示，各主要用力肌肉均满足球对称条件(P>0.05)，不用对自由度进行校正；两个内因素的交互作用结果显示，各主要用力肌肉“技术分组”和“时间”的交互作用均具有统计学意义(P<0.05)。因此，需要分别检验直臂开弓和屈臂开弓组的“时间”效应，以及“技术分组”效应。

表2 Bartlett球形检验及交互作用检验(P值)Table 2 The Bartlett's spherical test and interaction test (P)

2.1 直臂开弓技术各肌肉的Z(%)值

图2 直臂开弓技术各肌肉Z(%)值随箭支累积的变化趋势Graph 2 The variation in the muscles' Z (%) value with arrows accumulated in the straight arm bow-opening technique

图2显示，受试者在以直臂开弓技术连续实射12支箭过程中，6块肌肉的Z(%)值随箭支累积皆呈上升趋势，且每条曲线的上升幅度各不相同。对直臂开弓技术组进行的整体方差分析结果发现，各主要用力肌肉在射箭不同时间进程上，指标均值间的差异皆具有统计学意义(P<0.05)；因此，分别将各肌肉的Z4-6(%)、Z7-9(%)、Z10-12(%)值与Z1-3(%)值进行两两比较。从表3可见：(1) 持弓臂肱三头肌均无显著性差异，持弓臂三角肌中束和后束的Z10-12(%)值均比Z1-3(%)值增大(P=0.015，P=0.019)，(2) 拉弓臂肱二头肌的Z7-9(%)和Z10-12(%)值均比Z1-3(%)值增大(P=0.036，P=0.010)，拉弓臂三角肌后束的Z7-9(%)和Z10-12(%)值均比Z1-3(%)值增大(P=0.034，P=0.013)，拉弓臂斜方肌下束的Z7-9(%)和Z10-12(%)值均比Z1-3(%)值增大(P=0.041，P=0.015)。

表3 直臂开弓技术各肌肉Z(%)值随箭支累积的变化特征Table 3 The variation features of the muscles' Z (%) value with arrows accumulated in the straight arm bow-opening technique

2.2 屈臂开弓技术各肌肉的Q(%)值

图3显示，受试者在以屈臂开弓技术连续实射12支箭过程中，6块肌肉的Q(%)值随箭支累积皆呈上升趋势，且每条曲线的上升幅度各不相同。对屈臂开弓技术组进行的整体方差分析结果发现，各主要用力肌肉在射箭不同时间进程上，指标均值间的差异皆具有统计学意义(P<0.05)；因此，分别将各肌肉的Q4-6(%)、Q7-9(%)、Q10-12(%)值与Q1-3(%)值进行两两比较。从表4可见：(1) 持弓臂肱三头肌、三角肌中束和后束的Q10-12(%)值均比Q1-3(%)值增大(P=0.028，P=0.021，=0.019)；(2) 拉弓臂肱二头肌、三角肌后束和斜方肌下束的Q10-12(%)值均比Q1-3(%)值增大(P=0.032，P=0.023，P=0.028)。

图3 屈臂开弓技术各肌肉Q(%)值随箭支累积的变化趋势Graph 3 The variation of each muscle's Q (%) value with arrows accumulated in the bent arm bow-opening technique

表4 屈臂开弓技术各肌肉Q(%)值随箭支累积的变化特征Table 4 The variation of each muscle's Q (%) value with arrows accumulated in bent arm bow-opening technique

2.3 各肌肉Q(%)与Z(%)值的比较

各肌肉在不同时间进程上的“屈臂开弓”组Q(%)值与“直臂开弓”组Z(%)值的整体方差分析结果显示，不同开弓技术动作之间存在组间差别(P<0.05)；因此，对于各块主要发力肌肉，需要分别在同一时间进程上对Q(%)和Z(%)值进行比较。

对比结果发现，6块肌肉以两种不同开弓技术进行连续实射时，虽然第1～9支箭的Q(%)值均比Z(%)值偏低，但并未出现显著性差异(P>0.05)；而Q10-12(%)值均比Z10-12(%)值减小(P<0.05)，统计检验的显著性水平(P值)见表5。

表5 各主要发力肌肉Q(%)与Z(%)值对比(P值)Table 5 The comparison of Z value (%) value and Q vlaue (%) vlaue of each major muscle (P)

3 分析与讨论

3.1 直臂开弓技术的肌肉用力一致性

从研究结果可见，持弓臂肱三头肌在直臂开弓动作中主要通过加固关节、协同支撑等作用将弓箭稳定在发射平面，属于局部稳定肌，用力一致性较好；持弓臂三角肌中束和后束在第10～12支箭时的用力一致性较第1～3支箭时有明显下降。三角肌中束和后束在直臂开弓阶段发力的占比最大，不仅要维持持弓臂的外展姿势，平衡弓箭的重力矩，还要通过积极收缩来抵抗弓被拉开形变后产生的“内合力”对持弓臂形成的水平屈力，以维持持弓臂垂直位与水平位的一致性[7-10]。故随着射出箭支的累积，三角肌的肌力损耗逐渐增大，最后几支箭的用力一致性降低。拉弓臂肱二头肌在第7～12支箭时的用力一致性较第1～3支箭时有明显下降。以往涉及反曲弓开弓技术动作的文献较少讨论拉弓臂肱二头肌的活动情况，而本实验中则观测到其明显的表面肌电信号，原始iEMG波幅较大，考虑这可能与复合弓自身结构特点所形成的峰值力矩有关，即开弓进程到某一点时，弓磅达到峰值，拉弓臂此刻需要承载最大负荷，单靠三角肌后束和斜方肌下束不足以承受，故肱二头肌参与用力，共同渡过峰值。拉弓臂三角肌后束在第7～12支箭时的用力一致性较第1～3支箭时有明显下降。鉴于拉弓臂三角肌后束这一单羽肌在反曲弓的开弓技术动作中一直占主导地位，故分析认为，其在复合弓直臂开弓动作中也同样具有较大比例的肌肉贡献率。有研究指出，反曲弓开弓动作中拉弓臂的原动肌是三角肌后束，优秀射箭运动员的竞技能力越强，三角肌后束力量耐力的水平就越高[3, 8, 11]。由此可见，当复合弓练习者射箭的训练量累积到拉弓臂的三角肌后束肌力不足以继续支持时，便容易出现肌肉用力的一致性下降。拉弓臂斜方肌下束在第7～12支箭时的用力一致性较第1～3支箭时有明显下降。过去对射箭技术动作的研究发现，斜方肌下束参与用力的比例较中束更多[10, 12-14]。故分析认为，斜方肌下束在开弓阶段处于近固定收缩状态，功能是使肩胛骨向后缩，而斜方肌属于扁肌，力量耐力有限，随射出箭支的累积，后期容易出现肌肉用力的一致性下降。

3.2 屈臂开弓技术的肌肉用力一致性

从研究结果可见，持弓臂肱三头肌在第10～12支箭时的用力一致性较第1～3支箭时有明显下降。屈臂开弓技术要求持弓臂肘关节由屈到伸，腕关节由齐额高度下压至齐肩高度，这就使肱三头肌主动收缩参与开弓，故随着射出箭支的累积，在最后几支箭时的肌肉用力一致性降低。持弓臂三角肌中束和后束在第10～12支箭时的用力一致性较第1～3支箭时有明显下降。与直臂开弓类似，三角肌中束和后束在屈臂开弓阶段发力的占比依然较大，除了维持持弓臂的外展姿势，平衡弓箭的重力矩，还同时对抗弓被拉开形变后产生的“内合力”，以维持持弓臂垂直位与水平位的稳定[7-10]。因此，随着射出箭支的逐渐累积，三角肌在最后几支箭时的用力一致性也降低。拉弓臂肱二头肌在第10～12支箭时的用力一致性较第1～3支箭时有明显下降。在开弓初始位时，拉弓臂肘关节角度介于80°～90° 之间，腕关节高度齐眉，至开弓终末位时，上臂和前臂充分折叠，肘关节夹紧，肱二头肌持续收缩，直到撒放。故随着射出箭支的不断累积，肱二头肌在最后几支箭时的用力一致性降低。拉弓臂三角肌后束在第10～12支箭时的用力一致性较第1～3支箭时有明显下降。三角肌后束的主要作用是稳定拉弓臂肩关节和对抗弓形变后产生的“内合力”[7-10]。在屈臂开弓技术中，三角肌后束多将拉弓臂肩关节角度稳定在90°～110° 之间，而初学者三角肌后束的肌耐力往往较差，容易导致最后几支箭的用力一致性降低。拉弓臂斜方肌下束在第10～12支箭时的用力一致性较第1～3支箭时有明显下降。在屈臂开弓的拉弓臂肩关节角度下，斜方肌下束参与用力较多，但对于缺乏系统专项肌力训练的扁肌，随射出箭支的不断累积，肌肉后期容易出现发力的一致性降低。

3.3 两种开弓技术的肌肉用力一致性对比

从对比结果可见，相较于直臂开弓技术，持弓臂在屈臂开弓技术中的肌肉用力一致性更高，尤其是在第10～12支箭。分析认为：(1) 相对屈臂开弓中持弓臂肱三头肌的动力性工作，直臂开弓阶段持弓臂肱三头肌主要对关节进行加固、稳定和支撑，要做相对长时间的静力性等长收缩，故初学者相对更易疲劳，以致肌肉用力的一致性较低；(2) 屈臂开弓初始，弓的重心靠近躯干中轴，肱三头肌主动收缩时，其参与开弓的前推力会与弓自身向下的重力形成合力，三角肌中束承担的弓身向下的重力相应减小；其次，肘关节弯曲使得弓身到躯干中轴的力矩较短，三角肌中束对抗弓身重力做功较小，故初学者射箭后期的肌力损耗相对直臂开弓较轻，肌肉用力的一致性较高；(3) 屈臂开弓初始，持弓臂上臂外旋，三角肌前束产生的肌张力较后束强，分担了后束本应承载的内合力负荷，故初学者射箭后期三角肌后束的肌力损耗相对直臂开弓较轻，肌肉用力的一致性较好。

此外，相较于直臂开弓技术，拉弓臂在屈臂开弓技术中的肌肉用力一致性更高，尤其是在第10～12支箭。分析认为：(1) 直臂开弓初始，拉弓臂肘关节角度介于110°～120° 之间，此时肱二头肌初长度有利于用力，做功占比多；而屈臂开弓初始，拉弓臂肘关节角度介于80°～90° 之间，导致肱二头肌初长度难以产生最大肌力，转而三角肌后束和斜方肌中下束更多地承载了弓磅负荷，故初学者射箭后期肱二头肌的肌力损耗相对直臂开弓较轻，一致性较高；(2) 屈臂开弓中，在拉弓臂肘关节角度(80°～90°)以及肩关节角度(90°～110°)下，三角肌后束、斜方肌下束和肱二头肌联合收缩的占比分别约为40%、20%和40%，用力较为稳定；而在直臂开弓中，拉弓臂肱二头肌承载弓磅负荷较多(占比约60%～70%)，三角肌后束较少(占比约30%～40%)，随着射出箭支的累积，肱二头肌的肌力损耗逐渐增加，其承担的部分负荷向三角肌后束转移(占比约50%)，由于初学者三角肌后束训练程度不高，故射箭后期拉弓臂三角肌后束在直臂开弓中的贡献率高于屈臂开弓，相对屈臂开弓的肌力损耗也较大，用力一致性下降也略早；(3) 相关研究表明，与普通射箭运动员相比，优秀射箭运动员斜方肌下束的激活程度略高，有利于保持较稳定的动作结构[6, 10, 15-16]。本研究观察到复合弓初学者射箭后期屈臂开弓比直臂开弓技术拉弓臂的稳定性和一致性高，说明拉弓臂斜方肌下束可能在屈臂开弓中的激活程度略高于直臂开弓。

综上所述，直臂开弓技术沿袭了反曲弓的开弓方式，简单易学，而屈臂开弓技术较复杂，要求拉弓臂加力开弓的同时，持弓臂肘关节由屈到伸，在短时间内难以掌握，且复合弓初学者在射箭练习中，一旦拉弓臂肌力下降，容易发生拉不开弓、无法渡过开弓峰值以及开弓峰值后受弓的内合力影响等情况，这些均会导致拉弓臂三角肌后束、斜方肌的急性损伤，这也是目前最常见的复合弓运动损伤。因此，对于练习复合弓射箭的初学者，在连续射箭过程中，保持相关肌肉用力的一致性显得尤为重要，不仅能切实保障动作的流畅和精准，还有助于避免运动损伤的发生。