腰伸肌群疲劳对上肢鞭打运动链活动特征的影响

2020-03-02邢聪陈建强花妙林张振吴瑛

中国运动医学杂志 2020年1期

邢聪陈建强花妙林张振，吴瑛

1 复旦大学体育教学部（上海200433）

2 上海体育学院体育教育训练学院（上海200438）

运动链理论认为，人体是由若干可独立运动的关节及其连接组织共同构成的链系集合，每个关节都可被视为人体运动链中的一个链接[1]。而在运动技术层面，任何复杂技术动作都可被认为是在中枢神经系统的调节下，人体按照某一专项技术顺序所进行的多关节、多肌肉活动的复杂整合。上肢鞭打技术就是典型的人体多环节参与的运动技术，且这一技术在运动中运用十分广泛。从生物力学特征来说，上肢鞭打动作表现出人体从下肢到上肢，各环节按照一定顺序依次加速及制动，产生并传递动量矩，最终使末端环节获得最大速度的一般规律[2]。在上肢鞭打动作中，人体各环节间的动量矩传递效率直接影响着末端环节获得速度的大小[3]。这一鞭打技术的环节活动规律一直被学者们用来判断及分析鞭打动作的质量[4，5]。而腰伸肌群在人体运动中起到参与支撑体重[6]、保护脊柱和内脏器官[7]、传递整合四肢发力[8，9]、缓冲震动、控制身体姿势状态[10]，保持身体平衡等重要作用。在运动训练中存在运动员腰伸肌群疲劳未恢复就投入到训练和比赛中的现象。且在研究中发现，腰伸肌群疲劳会对人体在运动时脊柱的稳定性及腰椎骨盆的相对运动比率产生较大影响[11-14]。

综上所述，人体在腰伸肌群疲劳状态下是否会改变上肢鞭打动作所表现出的各环节按一定顺序活动的一般规律？本研究通过对腰伸肌群疲劳后，上肢鞭打动作中人体各环节活动顺序的分析，探究腰伸肌群疲劳是否改变了上肢鞭打动作环节活动的时序特征，进而为预防局部肌肉疲劳造成的技术动作变形提供一定的理论参考。由于羽毛球原地杀球动作是上肢鞭打动作的典型代表，具有冲击力大，人体下肢、躯干、上肢多环节参与的特点，因此，本研究以羽毛球原地杀球动作作为上肢鞭打技术的代表进行研究。

1 研究对象及方法

1.1 研究对象

本研究以5 名羽毛球一级运动员、11 名羽毛球二级运动员共16 人为测试对象。受试者均为男子运动员，年龄19～26 岁，无严重腰部损伤经历，且实验前3天未进行过大负荷运动训练。

1.2 实验方法

1.2.1 实验步骤

主要实验步骤如下：首先受试者熟悉流程并热身；之后在受试者未疲劳时，借助多关节等速肌力测量系统，进行腰伸肌群最大自主收缩（maximal voluntary contractions，MVC）力矩的测量；第三步，受试者休息并粘贴Mark 反光点及肌电电极贴；第四步，进行正常状态下的羽毛球原地杀球动作的生物力学信息采集；第五步，对腰伸肌群施加疲劳活动，使腰伸肌群疲劳；最后，进行腰伸肌群疲劳状态下的上肢鞭打动作生物力学信息采集[15]。

1.2.2 生物力学信息收集及解析

受试者尽全力击打头顶偏前方已固定好的羽毛球，羽毛球固定点按照受试者情况进行调整，如图1所示。使用Vicon 红外摄像头的运动捕捉系统（Vicon T4，Oxford，UK）记录受试者在上肢鞭打运动时的三维运动轨迹，采样频率200 Hz。并利用Noraxon 遥测肌电测量系统（Noraxon U.S.A）对受试者在上肢鞭打过程中的16块主要肌肉的表面肌电数据进行收集，采样频率3000 Hz。16块肌肉包括：左右腹直肌、左右腹外斜肌、左右竖脊肌、左右背阔肌、左右腹内斜肌、优势侧斜方肌、优势侧胸大肌、优势侧三角肌前束、优势侧三角肌中束、优势侧肱二头肌、优势侧肱三头肌。我们利用同步器将Vicon和Noraxon两系统进行时间同步。使用Nexus（Version 1.7.1）对受试者Mark 点进行命名和修补；利用Visual 3D 软件建立人体环节模型，并对运动学数据进行滤波、除噪等处理，输出所需要的运动学数据；运用MR3（MyoResearch 3）软件对肌电数据进行滤波、截取，获得肌电数据。

1.2.3 测量指标

1.2.3.1 运动学指标

记录从侧身右脚后撤触地一刻开始，到击球结束后手臂达到水平位置时刻结束，这一段时间内髋、肩、肘、腕四关节的线速度。截取这一时段的目的是保证涵盖四关节线速度的峰值，同时避免击球后上步随挥缓冲时四关节线速度升高对研究结果的影响。将髋关节在挥拍击球阶段出现线速度峰值的时刻设为零点，计算肩关节、肘关节、腕关节相对髋关节出现线速度峰值的时间。在髋关节点前出现线速度峰值的为负值，在髋关节点后出现线速度峰值的为正值，进而得到四关节达到峰值线速度的顺序。

图1 对受试者进行原地杀球动作生物力学信息采集

此外，以髋关节达到线速度峰值时刻为零点，计算肩关节相对髋关节、肘关节相对髋关节、腕关节相对髋关节、肘关节相对肩关节、腕关节相对肩关节、腕关节相对肘关节间达到峰值线速度的时间差，用以分析腰伸肌群疲劳对鞭打链环节活动节奏的影响。

1.2.3.2 肌电指标

记录受试者侧身击球阶段，从右脚后撤接触地面时刻开始，到完成击球后肩、腕连线与地面水平时刻结束，这一段时长内16块肌肉激活情况。将肌肉放电大于峰值20%的区域视为肌肉的激活部分，小于肌肉放电峰值20%的区域视为肌肉的静息部分[16-18]。将受试者右脚后撤接触地面时刻设为零点，计算每块肌肉相对于零点的激活时刻。并用每块肌肉最初激活时刻除以这一阶段总时长，得到每块肌肉激活时刻与总时间的相对百分率，相对百分率越低则肌肉激活越早。通过比较百分率获得16 块肌肉在挥拍击球时的激活顺序。此外计算在规定时长内16块肌肉的激活时长，用以分析腰伸肌群疲劳对环节活动节奏的影响。

1.2.4 腰伸肌群疲劳方案

1.2.4.1 疲劳活动

使用腰伸肌群疲劳研究中广泛采用的疲劳方案，即改进的Sorenson 腰伸肌群疲劳方案[19]。基本动作形态如图2所示，受试者平卧于Roman 椅上，双脚固定于Roman 椅后端的阻拦板，髂前上棘与Roman 椅上端边缘平齐，上身水平探出与地面保持平行，双手放于耳后。

图2 腰伸肌群疲劳方案肌肉等长收缩运动姿势

每组疲劳活动大约持续1 min，包括30 s 伸腰运动和30 s腰伸肌群等长收缩。受试者要完成多组疲劳活动，组间休息30 s。伸腰运动：使受试者从腰椎自由弯曲状态，伸展到与地面水平位置，活动范围大约60°，设定电子节拍器为60 次/min，受试者跟随节拍器节奏进行伸腰活动，持续30 s。腰伸肌群等长收缩：受试者腰伸肌群静力性收缩，使躯干与地面保持平行，持续30 s。从第6组疲劳活动开始，每完成一组疲劳活动就测量一次腰伸肌群MVC 力矩。我们用每组测量出的腰伸肌群MVC 力矩值与未疲劳时的MVC 力矩进行对比，当瞬时MVC 力矩值下降到未疲劳时的60%时，停止疲劳活动。

1.2.4.2 腰伸肌群疲劳指标

肌肉输出力量不能维持在一个稳定的强度被视为肌肉疲劳[20]；此外在肌肉持续等长收缩直到疲劳过程中，肌电功率频率谱会向更低的频率偏移，因此对肌电中值频率的分析可以反映肌肉是否产生疲劳[21，22]。综上，我们通过测量受试者肌电中值频率（median fre⁃quency，MF）随时间变化的斜率以及腰伸肌群最大自主收缩（MVC）力矩的下降程度来判定疲劳活动是否引起了腰伸肌群疲劳。

借助多关节等速肌力测量系统，对腰伸肌群MVC力矩进行测量。利用肌电仪对受试者完成第3 组30 s Roman 椅腰伸肌群持续等长收缩活动时的肌电信号进行记录，每1 s 时长中取250 ms 等距窗口MF 的均值，利用最小二乘线性回归计算腰伸肌群MF随时间变化的斜率（MF/s）。

1.3 统计学方法

利用Excel 软件对受试者上肢鞭打动作的运动学及肌电等数据进行描述性统计（±s）及均值检验分析，数据显著性水平设为P=0.05。各指标取每位受试者3次有效动作的均值进行疲劳前后的对比。

2 结果

2.1 疲劳活动中腰伸肌群MVC力矩及MF的变化

表1中S1～S16的数据是16 名受试者左右竖脊肌腰段肌电中值频率随时间变化的斜率。图3是16名受试者终止疲劳活动时的腰伸肌群MVC 力矩值与未疲劳时MVC力矩值的比较。

如表1所示，疲劳活动中16 名受试者两侧竖脊肌腰段肌电中值频率都随时间表现为下降的趋势，左侧竖脊肌腰段肌电中值频率随时间变化的斜率平均值为−0.375±0.181，右侧为−0.387±0.130。这说明疲劳活动引起了以竖脊肌腰段为主的腰伸肌群肌电中值频率向更低的频率偏移，使腰伸肌群产生了疲劳的趋势。

此外，分析图3可知，受试者在疲劳活动后腰伸肌群最大自主收缩力矩值均有明显下降。疲劳前16 名受试者腰伸肌群MVC力矩的平均值为392.74 N·m，疲劳后平均值为219.95 N·m，疲劳后下降到疲劳前的56.03%，低于60%的目标比例值。这说明疲劳活动使受试者腰伸肌群力量输出无法维持在初始水平上，造成了腰伸肌群力量输出的明显下降，引起了腰伸肌群疲劳。

综合竖脊肌腰段肌电MF及腰伸肌群MVC力矩两个指标在疲劳活动中的变化情况可以判定，腰伸肌群疲劳活动引起了腰伸肌群疲劳的趋势，并造成腰伸肌群不能产生稳定的力量输出，已经引起了受试者腰伸肌群的疲劳。

表1 竖脊肌腰段等长收缩中肌电中值频率随时间变化的斜率（MF/s）

图3 疲劳前后受试者腰伸肌群MVC力矩下降程度比较

2.2 疲劳前后挥拍击球时各主要肌肉激活顺序

图4及表2是受试者在挥拍击球时段内16块主要肌肉在腰伸肌群疲劳前后的激活顺序。

从图4及表2主要肌肉激活排序可以看出，在挥拍击球阶段，腰伸肌群疲劳前后主要肌肉激活的顺序基本相同，都是先从左侧腹内、腹外斜肌这类使躯干旋转及侧屈的肌肉开始；再到胸大肌、斜方肌这类使肩带上提、前伸的肌肉；随后到腹直肌等使躯干屈曲的肌肉；之后，三角肌前束及肱二头肌等使上臂伸及前臂旋内的肌肉开始激活，带动手臂完成挥拍击球动作。在挥拍完成后控制身体重心抑制躯干过分前屈及旋转的拮抗肌，如背阔肌右、竖脊肌右等肌肉最后激活。以上结果说明，腰伸肌群疲劳前后躯干及手臂各主要肌肉激活顺序符合人体躯干及上肢各环节在挥拍击球动作中活动的一般规律。在腰伸肌群疲劳后，有部分肌肉顺序出现小幅变化，呈现出上臂肌肉过早介入的微弱趋势。但这种趋势并不明显，并不能影响挥拍击球时人体环节活动的整体趋势。

图4 受试者疲劳前后各肌肉激活相对百分比比较

表2 疲劳前后肌肉激活顺序

2.3 疲劳前后髋、肩、肘、腕峰值线速度出现顺序

疲劳前后肩、肘、腕在以髋关节点线速度峰值时刻为零点时产生线速度峰值的时间如表3所示。

由表3可知，以髋关节达到最大峰值线速度时刻为零点，则16名受试者肩关节点、肘关节点、腕关节点达到线速度峰值的时间在腰伸肌群疲劳前后都为正。这说明在挥拍击球时髋关节总是先于肩、肘、腕，最先达到线速度峰值。此外，对比肩、肘、腕三关节点到达线速度峰值的时间来看，16 名受试者肘、肩、腕三关节峰值线速度出现时间都呈现依次递增的趋势。16名受试者肘、肩、腕关节点相对于髋关节点出现线速度峰值时间的平均值，疲劳前为0.088、0.101、0.151，疲劳后为0.089、0.101、0.156。这说明腰伸肌群疲劳并没有影响髋、肩、肘、腕四个关节活动的一般顺序，疲劳前后四关节点线速度峰值出现的顺序均为：髋-肘-肩-腕。

表3 肩、肘、腕关节相对于髋关节峰值线速度出现的时间（s）

2.4 疲劳前后髋、肩、肘、腕出现峰值线速度的相对时差

以髋关节达到线速度峰值时刻为零点，我们对疲劳前后，各关节达到峰值线速度的相对时差进行比较，结果如表4所示。

由表4可知，髋关节相对于其他关节达到线速度峰值的时间差在疲劳前后均无差异，肩关节与肘关节的相对时差在疲劳前后也无差异。而肩、腕，肘、腕之间达到线速度峰值的时差在疲劳前后产生了差异，P值分别为0.013 和0.018。肩、腕相对时差在疲劳后比疲劳前平均增加了约0.005 s，肘、腕相对时差在疲劳后比疲劳前平均也增加了约0.005 s。虽然髋、腕时差在疲劳前后的配对t检验中并没有差异，但髋、腕时差在疲劳后比疲劳前稍有延长，增加了0.005 s。从上述结果可见，腰伸肌群疲劳并没有引起躯干各环节间相对运动节奏的变化，而对鞭打侧上肢各环节相对运动节奏产生了影响，延迟了腕关节相对于肩关节及肘关节出现最大线速度的时间。

表4 疲劳前后四关节点相对时差比较（s）

2.5 疲劳前后挥拍击球阶段主要肌肉激活时长

疲劳前后，上肢鞭打动作16块主要肌肉在挥拍击球时的激活时长如表5所示。由表5可知，腰伸肌群疲劳后躯干及上肢有四块肌肉激活时长较疲劳前产生了统计差异，分别是三角肌前束（P=0.029）、左侧竖脊肌（P=0.003）、左侧腹内斜肌（P=0.013）、左侧背阔肌（P=0.000）。其中，三角肌前束在腰伸肌群疲劳后激活时长比疲劳前延长了0.070 s，左侧竖脊肌相比于疲劳前延长了0.132 s，左侧背阔肌延长了0.160 s。左侧腹内斜肌在腰伸肌群疲劳后相比于疲劳前激活时间减少了0.096 s。

表5 挥拍击球阶段主要肌肉激活时长在疲劳前后的比较（s）

3 讨论

3.1 腰伸肌群疲劳未改变上肢鞭打运动链环节依次加速的顺序

在腰伸肌群疲劳前后，上肢鞭打动作躯干及上肢主要肌肉激活顺序基本一致。主要呈现出先躯干肌肉激活后上肢肌肉激活，肌肉激活与鞭打动作过程相协调的特征。上肢鞭打动作为使末端环节达到最大速度，人体各环节的运动形式表现为自近端环节到远端环节按照一定的顺序加速与制动，即所谓时序性[23，24]。腰伸肌群疲劳前、后，主要肌肉激活顺序基本顺序不变，有利于上肢鞭打动作各环节按固有的顺序依次加速进而完成鞭打任务，避免环节活动顺序错乱引起技术动作无法完成。

腰伸肌群疲劳也没有改变髋、肩、肘、腕四关节达到峰值线速度的顺序，疲劳前后躯干到上肢的环节活动顺序皆为髋-肘-肩-腕。这也说明腰伸肌群疲劳没有影响鞭打运动链各环节依次加速与制动的一般规律。而这一顺序显示上肢鞭打动作并非各环节顺次加速和制动，肩关节与肘关节加速顺序并非是先肩关节后肘关节，这也体现了人体环节鞭打类动作与真实鞭打的差异。产生这一运动顺序的原因主要是上肢鞭打动作技术结构的要求。上肢鞭打动作击球阶段的环节动作顺序为躯干扭转-躯干前倾-肩关节水平内收-肘关节伸-肩关节旋外[17]。从上述上肢鞭打动作环节活动顺序来看，并不是肩关节完全制动之后肘关节才开始伸展活动的。肩关节在肘关节伸展前就进行水平内收，这方便形成引拍屈肘的动作，使肱三头肌等肌肉拉长，为之后上肢进行伸臂击球积蓄能量。同时，由于肩关节的水平内收使得肘关节点迅速前移，再加上肘关节点较肩关节点更加远离人体重心，因此在相同旋转角度时肘关节点较肩关节点产生线速度更大，就造成肘关节点先于肩关节点达到线速度峰值。

3.2 腰伸肌群疲劳改变了上肢鞭打运动链环节间的相对运动节奏

腕关节相对于肩关节及肘关节到达峰值线速度的相对时差，在腰伸肌群疲劳后相比于疲劳前产生了统计差异，且疲劳后相比于疲劳前都延长了0.005 s。鞭打运动链各环节间相互配合的节奏会严重影响动量矩在环节间的传递效率。腕关节相对于肩关节和肘关节出现峰值线速度的时差延长，说明肩、肘两环节在鞭打击球过程中获得最高速度后进行制动来传递动量矩的效率受到影响，造成腕关节获得的加速度降低。而末端环节的峰值线速度都是出现在临近击球点的时刻，也就是说末端环节在击球前一直处于加速状态。所以末端环节要以更小的加速度完成与疲劳前相同的运动幅度，就必然会导致末端环节达到峰值线速度的时间延长。通过上述研究可以看出，腰伸肌群疲劳影响了上肢鞭打运动链各环节间的协调配合能力，使各环节产生及传递动量矩的效率下降，损害了末端环节获得最大速度积累的技术目的。这种现象正是我们平时训练中常遇到的“动作脱节”现象。

3.3 腰伸肌群疲劳影响上肢鞭打动作环节活动节奏的原因分析

3.3.1 人体运动链“补偿特性”是影响环节协调的重要因素

从研究结果来看，腰伸肌群疲劳并没有造成上肢鞭打运动链无法正常运行，各环节依然按照原有的活动规律参与并完成鞭打动作。但腰伸肌群疲劳损害了鞭打运动链的活动效率，造成了鞭打运动链中，上肢各环节间协调配合节奏发生改变，影响了末端环节的速度积累。所以，当人体运动链出现“弱势环节”时，即环节功能弱化但未完全丧失功能，人体依然可以保证复杂运动技术的成功完成，且不会改变技术动作的整体规律。然而，“弱势环节”会改变技术动作某些固有的生物力学特征，损害人体完成复杂技术动作的效率。这种生理现象正是人体运动链“补偿特性”的体现。即人体运动链在完成动作任务时，当运动链中某一环节由于某些限制而失去部分运动能力时，人体可以通过运动链其他运动环节运动结构的改变来完成预定的动作任务[25，26]。虽然通过运动链的补偿特性可以在一定程度上弥补“弱势环节”产生的功能衰弱，但整个运动链的动力定型会被打破。原有的最佳动作结构被破坏，必然导致运动技术发挥效率减弱。腰伸肌群疲劳状态下，上肢鞭打动作某些环节间协调配合能力下降造成“动作脱节”，正是存在“弱势环节”时人体运动链产生了环节间结构与功能的代偿而引起的。

3.3.2 腰伸肌群疲劳改变环节神经-肌肉协调控制能力是影响环节协调的本质原因

通过分析疲劳前后16 块主要肌肉在挥拍击球时的激活时长发现，三角肌前束及左侧竖脊肌的激活时长比腰伸肌群疲劳前更长。三角肌前束是使上臂屈的肌肉，左侧竖脊肌是使躯干伸展的肌肉。以上现象说明，在挥拍击球阶段，腰伸肌群疲劳会引起躯干屈曲及上臂伸展击球动作受到一定抑制。另外，左侧腹内斜肌是使躯干向左侧旋转的肌肉，其激活时间缩短，说明在挥拍击球阶段使躯干向左旋转的肌肉拉力存在时间缩短。这些肌肉激活时间的变化，必然会对挥拍击球时人体正常的躯干旋转、屈曲及伸臂击球动作造成负面影响。

国外研究认为当局部肌肉疲劳使肌肉功率输出难以满足运动技术要求时，中枢神经系统会改变人体运动链募集肌肉的模式，来保证技术动作的顺利完成[27-29]。这种肌肉激活策略的改变，即周围肌肉激活时间及激活程度产生变化[30，31]，其目的是通过这种复杂的肌肉重新募集方式，来分担由于“弱势环节”所带来的额外负荷，从而为疲劳肌肉提供一段恢复时期[32，33]。综合上述分析认为，腰伸肌群疲劳引起躯干及上肢肌肉激活时长发生改变，是引起上肢鞭打动作环节间协调配合状态改变的主要生理原因。所以归根到底，上肢鞭打运动链活动规律的改变是由于局部肌肉疲劳引起了环节神经-肌肉协调控制能力发生变化。