优秀男子旋转式推铅球运动员冯杰肌肉用力特征sEMG分析

尹华跟　黄知　孙学贵　刘娜　黄艺　陈夏

摘 要：采用遥感肌电结合高速摄像同步测试手段，对我国优秀男子铅球运动员冯杰在完整的旋转式推铅球过程中参与动作主要肌肉的表面肌电图（sEMG）进行测试和分析，揭示冯杰在整个技术环节主要肌肉用力的活动特性：右腹外斜肌在最后用力阶段达到最大的收缩强度，这对投掷成绩的高低具有密切的关系;双支撑阶段准备时间充分，更有利于投掷技术的稳定发挥.

关键词：旋转式推铅球;肌肉用力特征;sEMG

[中图分类号]G804.2   [文献标志码]A

The sEMG Analysis of Muscle Strength Characteristics ofFeng Jie， an Excellent Male Rotatory Shot Putter

YIN Huagen1，HUANG Zhi1，SUN Xuegui1，LIU Na2，HUANG Yi3，CHEN Xia1

（1.The Sport School of Shangrao Normal University，Shangrao 334001，China;2.India-China Yoga College，

Yunnan Minzu University，Kunming 650500，China;3.Guizhou Collegeof Health Professions，Tongren 554300，China）

Abstract：To test and analyze the surface electromyography （sEMG） of the main muscles of Chinese Elite Male Shot Putter Feng Jie in the whole process of rotartory shot-put by using remote sensing electromyography combined with high-speed photography synchronous test，and reveal the activity characteristics of the main muscles of Feng Jie in the whole technical links：the right lateral oblique muscle reaches the maximum contraction strength in the delivery stage.This is closely related to the level of the results of throwing; the sufficient preparation time of double supporting phase is more beneficial to the stable play of throwing technique.

Key words：rotary shot-putting;muscle strength;sEMG

鉛球作为一项以力量为基础、速度为核心的体能主导类快速力量性运动项目，迄今为止已经历31届奥运会的洗礼.目前，男子铅球世界纪录由当代旋转式推铅球技术代表人物巴恩斯创造并保持至今.[1-2]该技术以加速距离长、旋转速度快的特点著称，主要在欧美运动员中盛行.长期以来，我国教练员和运动员对旋转式推铅球技术认可度不高，认为出成绩慢，导致国内采用该技术的运动员相对较少.[3]近几年，以张俊为代表的旋转式推铅球运动员在2009年东亚运动会上打破了亚洲纪录，以冯杰为代表的旋转式推铅球运动员在第13届全运会中以19.15米的成绩获得季军，教练员和运动员逐渐开始关注此项技术.冯杰以前主要是采用背向滑步推铅球技术，2014年，美国著名铅球教练唐·巴比特认为冯杰符合旋转技术的身体要求，于是冯杰赴美进行了为期三个周期的更改旋转技术的训练.经过三年的技术沉淀，他打破全运会预定目标[4]，实现我国铅球运动员在短期内更改旋转技术且在国内规格最高的赛事中获奖的先例，具有重要的研究意义.

本研究运用运动生物力学方法，采用遥感肌电结合高速摄像，对冯杰完整的旋转式推铅球过程中参与动作主要肌肉的表面肌电图（sEMG）进行测试和分析，目的在于找出旋转式推铅球各技术阶段主要用力肌肉的放电持续时间、用力大小及肌肉运动顺序，揭示运动员在投掷铅球过程中主要肌肉用力的活动特性，改善运动员不正确的发力习惯，避免身体在投掷铅球过程中发力不集中的现象，为运动员的运动成绩提高和教学的开展提供帮助.

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

研究对象为西安体育学院男子铅球运动员冯杰.冯杰，男，运动健将.31岁，身高180 cm，体重112 kg，最好成绩19.15 m，采用旋转式推铅球技术训练3年.2016年全国室内田径锦标赛西安站冠军，2017年第十三届全运会季军.本研究选取2016年冯杰赛前训练实验测试的数据进行研究.

1.2 研究方法

1.2.1 实验测试方法

运用芬兰产的Megawin6000-16便携式遥感肌电仪对铅球运动员冯杰的八块肌肉进行测试，纪录冯杰在整个旋转式推铅球过程中肌肉的表面肌电图（sEMG）.采用两台（卡西欧EX-FH250）摄像机从投掷圈的正面和侧面同步拍摄并纪录下动作的视频.sEMG采样频率为1 000 Hz，摄像机拍摄频率为120 帧/s，主光轴高度为1.1 m，镜头距离拍摄点位14 m.

1.2.2 肌肉的选取及电极的粘贴

根据旋转式推铅球技术动作结构特点及运动解剖学知识[5]，确定测试的肌肉：右侧肌肉六块，左侧下肢肌肉两块，分别为右腓肠肌后段、右股二头肌、右股四头肌、右臀大肌、右竖脊肌、右腹外斜肌、左股二头肌、左股四头肌.测试肌肉用医用酒精常规处理，沿肌肉纤维的走向粘贴电极片.电极使用一次性心电电极片（Ag/AgCI，上海申风医疗保健用品公司）.一般第一个电极片贴在肌肉收缩时放电最为集中的肌腹处，然后再相距2 cm沿肌纤维走向贴上第二个电极片，最后在肌肉末端贴上零电极.将电极用医用绷带固定好，以减少外界环境对信号的干扰.具体电极的粘贴见图1.

1.2.3 数据的处理及分析

采用Megawin肌电分析软件记录八块肌肉的原始sEMG信号，选取冯杰具有代表性的四投成绩，将四投原始肌电信号和视频影像结合起来进行同步处理，得到均方根振幅（RMS）和积分肌电值（iEMG）等时域指标，获取肌肉收缩用力的强度和活动顺序.从同步获得的视频影像中得到旋转式推铅球各技术阶段的特征画面，确定各技术阶段的动作时间及与肌肉活动之间的关系.运用SPSS Statistics17.0统计软件对实验数据进行常规统计学处理.

2 研究结果与分析

2.1 旋转式推铅球各技术阶段的划分及定义

为了更好地了解和分析旋转式推铅球技术动作的特点，根据山东体育学院毛永[6]的研究结果，将完整的旋转式推铅球技术动作划分为五个技术阶段：（1）双支撑起转阶段：预摆最大瞬间至右脚离地瞬间;（2）单支撑阶段：右脚离地瞬间至左脚离地瞬间;（3）腾空阶段：左脚离地瞬间至右脚着地瞬间;（4）过渡阶段：右脚着地瞬间至左脚着地瞬间;（5）用力阶段：左脚着地瞬间至铅球最后出手瞬间.具体情况见图2.

2.2 各技术阶段肌肉的sEMG总体描述

图3-图6是冯杰在整个实验测试过程中选取的最具代表性的四次投掷成绩的原始肌电图（EMG）.根据完整的旋转式推铅球各技术阶段对EMG进行划分，分别对各技术阶段肌肉放电信号进行描述和记录，从EMG振幅的大小观察肌肉活动的強弱.[7]

图3-图6的EMG结果显示，冯杰四次投掷铅球从预摆开始至铅球出手瞬间完成动作的时间分别为3.871，4.084，3.020，2.935 s，表明冯杰预摆开始准备时间充分，更有利于投掷技术的稳定发挥，对进入旋转阶段提高旋转速度及最后用力铅球出手肌肉间的协调发力奠定了良好的基础.这与王卓识[8]在其学位论文中的研究观点一致.冯杰在完成四次投掷过程中右竖脊肌活动均较为强烈，主要是运动员在旋转加速中要保持躯干的正直，避免前屈，所以右竖脊肌必然要维持较强的持续收缩.这与王琨[9]对女子铁饼运动员掷铁饼肌肉用力特征的研究结果相似.右臀大肌在第一、二投的腾空阶段放电效果要明显好于后两投，表明右臀大肌在腾空阶段中积极促使右脚下压扣转来缩短腾空的时间.右腹外斜肌在四投的过渡阶段转最后用力阶段过程中放电效果显著，但前两投的振幅高度和棘波频率要明显好于后两投，表明前两投在左脚落地瞬间，右脚右髋积极转动用力使右腹外斜肌被充分激活，这对铅球最后的出手速度和成绩具有重要的影响.最后用力阶段作为决定铅球投掷成绩的关键技术环节，也是四投中肌肉sEMG信号放电最强的一个阶段，主要是因为人体—器械在旋转中储蓄“潜能”，在最后用力铅球出手瞬间身体各肌肉得到充分的“释放”.[10]但是从冯杰肌肉活动情况来看，总体上表现出两种明显不同的肌肉变化规律：一种是在整个技术阶段中肌肉收缩和放松转换明显，富有节奏感，体现出“一张一弛”的效果.犹如短跑运动员将接力棒传给下一名队友后，这名队员的速度不是戛然而止，而是继续向前跑一段距离.第一、二投的肌肉活动更体现了这种运动效果.另一种则是在整个技术阶段中所测肌肉几乎都在活动，部分肌肉存在过度紧张的迹象，协调发力能力相对较差.尤其以第四投最为明显.这一研究结果与王琨[9]在铁饼项目和宋海明[11]在摔跤项目上的研究结果一致.根据以上两种不同的肌肉活动特点肯定会表现出不同的技术动作，对成绩的高低也会产生不同的影响.结合旋转式推铅球各技术阶段的结构特点和运动生物力学原理看，第一、二投的技术相比第三、四投发挥相对稳定、娴熟.

2.3 各技术阶段肌肉活动的RMS特性分析

表1是运动员四次投掷铅球时肌肉活动的均方根振幅（RMS）结果.RMS是用来描述一段时间内肌电平均变化特征的指标，其值大小能反应肌肉活动的强弱和放电平均水平.[7-13]从表1可知，在预摆结束瞬间整个人体处于最大扭紧状态，右腹外斜肌本应放电积极，但从四投支撑阶段的RMS值来看，放电效果较差，表明右腹外斜肌在该阶段主动收缩能力不足.另外还发现，右腹外斜肌进入旋转阶段后，随着旋转速度的加快，RMS值也出现不断加大的现象，到最后用力阶段达到最大的峰值，说明右腹外斜肌肯定是主要发力肌肉.右竖脊肌在整个技术阶段中均保持一定的持续活动用力，这与上述EMG结果一致.在腾空阶段，右臀大肌在前三投中放电水平整体要好于其他各阶段，其值分别为226，399 ，230 μV;进入过渡阶段和最后用力阶段时，右臀大肌的RMS值出现下降的趋势，这对旋转速度的损耗会有较大的影响，也说明冯杰在腾空阶段转过渡阶段中技术动作衔接不稳定.第四投右臀大肌在整个阶段放电顺序无规律性，出现絮乱现象.从四投的整个动作来看，运动员右股二头肌、右腹外斜肌、左股四头肌、右竖脊肌的RMS平均值要明显大于其他肌肉的对应结果，从而反应出以上四块肌肉在整个动作中发挥主要作用.

2.4 各技术阶段肌肉活动的iEMG特性分析

积分肌电（iEMG）指所获得的肌电信号经全波整流后随时间变化的曲线下所包绕面积的总和，是反映一定时间内肌肉中参与活动的运动单位放电总量，其值大小在一定程度上反映参加工作的运动单位的数量和每个运动单位的放电大小，是评价肌纤维参与数量的重要指标.[7-13]

从表2来看，右侧肌群（右腓肠肌后段、右股二头肌、右股四头肌、右竖脊肌）的iEMG值在四投的双支撑阶段达到其他技术阶段对应肌肉活动的最大峰值，且随着投掷成绩的高低，iEMG值也发生相应的变化，第一、二投的投掷成绩和iEMG值要明显好于第三、四投，表明冯杰在该阶段的第一、二投整个身体处于扭紧状态较好，为储备足够的旋转提供了动量.在四投的最后用力阶段，右腓肠肌后段和左股二头肌的放电强度相比其他肌肉较弱，这与李延军[14]对旋转式推铅球运动员张俊的研究结果——右腓肠肌后段和左股二头肌在该阶段是主要发力肌肉——存在显著差异.笔者认为，在最后用力阶段两腿应处于积极用力蹬伸的状态，放电效果应该很强烈，故要加强对右腓肠肌后段和左股二头肌的快速力量爆发力训练.另外，从测试结果来看，右腹外斜肌在最后用力阶段放电最为强烈，且放电的强弱也与成绩的高低呈正相关.这与EMG和RMS的分析结果一致.从图7 iEMG和贡献率来看，在整个投掷过程中，肌肉活动与主动用力大小的顺序是：右股二头肌、右竖脊肌、右腹外斜肌、左股四头肌、右股四头肌、右臀大肌、右腓肠肌后段、左股二头肌.

2.5 各技术阶段肌肉活动的持续时间分析

刘述芝[15]指出，将肌肉收缩信号值超过或低于基线均值两倍标准差，且持续时间在50 ms以上为肌肉收缩起止时刻，然后将动作过程中每块肌肉收缩符合肌肉收缩起止时刻的时间相加，即为该肌肉在该动作过程中的持续收缩时间.本文将采用这种操作定义来判断肌肉的持续收缩时间.根据表3统计的结果可知，在各投次中，第一、二投肌肉活动的持续收缩时间要明显长于第三、四投，尤其是第四投的肌肉持续收缩时间最短.主要是冯杰在该投次中的双支撑阶段准备时间不足，完成动作时间短.董海军[16]认为，完成整个旋转式推铅球动作并不是越短越好，而是在预摆开始准备充分的前提下，每个技术环节的加速都以上个技术环节完成后进行，才能达到理想的效果，不然某一技术环节的过早加速都会造成整个用力节奏的破坏.所以，今后在训练中要重视双支撑阶段的准备时间，在准备充分前提下对旋转阶段进行逐一加速.另外，从各块肌肉的持续收缩时间来看，第一投的右臀大肌和第三、四投的右腹外斜肌在相应投次的肌肉中持续收缩时间最短.表明以上两块肌肉持续收缩能力不足，故应加强冯杰这两块肌肉快速力量爆发力的训练，尤其是右臀大肌在最后用力阶段爆发力的训练.在整个投掷过程中肌肉用力持续收缩时间长短依次为：右竖脊肌、左股二头肌、右股四头肌、左股四头肌、右股二头肌、右臀大肌、右腓肠肌后段、右腹外斜肌.

3 结论

（1） 实验结果表明，冯杰的八块肌肉表现出两种明显不同的sEMG活动变化特征，第一、二投的肌肉活动富有节奏感，第三、四投则表现出部分肌肉活动过度紧张，协调用力能力相对较差.

（2）右股二头肌、右腹外斜肌、左股四头肌、右竖脊肌在整体上表现出较大的收缩强度，尤其是右腹外斜肌在最后用力阶段达到最大的收缩强度，这与投掷成绩的高低具有密切的关系.

（3）肌肉活动与主动用力大小的顺序是右股二头肌、右竖脊肌、右腹外斜肌、左股四头肌、右股四头肌、右臀大肌、右腓肠肌后段、左股二头肌.

（4）肌肉用力持续收缩时间长短依次为右竖脊肌、左股二头肌、右股四头肌、左股四头肌、右股二头肌、右臀大肌、右腓肠肌后段、右腹外斜肌.

（5）双支撑阶段准备时间充分，更有利于投掷技术的稳定发挥，与成绩的高低呈正相关.另外，冯杰在腾空阶段转过渡阶段中技术动作衔接不稳定.

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编辑：琳莉

收稿日期：2021-01-05

基金项目：江西省社会科学基金项目（19TY15）;江西省高校人文社会科学研究项目（TY18128）;江西省本科高校线上教学优质课教研项目（PX-10202262）

作者简介：尹华跟（1990-），男，江西泰和人.讲师，硕士，主要从事运动技术诊断与分析研究;孙学贵（1986-），男，江西九江人.讲师，博士，主要从事运动促进与健康研究;黄知（1993-），男，江西萍乡人.助教，硕士，主要从事体育测量与评价研究.