女子体操运动员何骊澄平衡木项目表面肌电用力特征研究

王 峥， 岳建军， 徐壮壮， 范智慧

(安徽师范大学 体育学院,安徽 芜湖 241000)

引言

体操作为中国国家队的强项之一,平衡木又作为女子团体的四个单项之一和单项比赛，更是中国体操队的传统优势项目，但是其发挥稳定性不高,第二十九届北京奥运会以来涌现了邓琳琳、程菲等一批世界冠军。但近年来，由于队员青黄不接，我国在该项目的优势地位并不如前，在第三十届伦敦奥运会安徽名将邓琳琳夺冠后，在第三十一届里约奥运会中，范忆琳仅进入决赛并未获得奖牌，在近三届的体操世界锦标赛中，一些选手陆续获得奖牌，直至第三十二届东京奥运会，中国体操队平衡木项目才再次回到世界巅峰。体操项目的最终得分由动作难度分和完成分组成，平衡木成套动作计入最高8个难度动作的分值，其中最多5个技巧动作，最少3个舞蹈动作[1]。近年国内外的比赛统计结果表明，计入难度分的技巧类动作主要有4种类型，前空翻、后空翻、后跳转类和侧空翻，且表现出增加趋势[2]，每个体操套路都以成功着陆结束，成功着陆(不迈步或跌倒)是动作评估的关键因素，而在空翻类动作这种高难度动作中，成功落木则更加困难，因此研究高难度空翻动作在起跳，腾空，落地的三个阶段人体表面肌电特征具有重要意义[3]。通过分析体操运动员技术动作表面肌电相关参数指标，获得运动员完成正确技术动作的肌电特征，以帮助普通人群对专业技术动作的理解，为运动员提高运动成绩进行安全有效的训练提供科学依据。目前如于佳彬[4]、吴成亮[5]和关朝阳[6]等，对我国体操运动员的专项肌肉运动学和体操动作编排特征进行了相关研究，也有一些研究集中在体操其他项目，如单杠[7-8]和跳马等，但遗憾的是，有关女子运动员平衡木项目肌肉表面肌电的研究较少。本研究旨在分析比赛中使用的空翻类动作的表面肌电指标，通过对比挺身前空翻动作和直体后空翻动作表面肌电指标差异，探讨高水平运动员完成挺身前空翻动作和直体后空翻动作的技术特点，进而为运动员学习掌握空翻高难度动作提供科学依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

何骊澄，女，2004年出生于安徽，中国女子体操运动员，曾获2021年首届长三角女子体操邀请赛个人女子全能第一名、平衡木第一名，2020年全国体操冠军赛平衡木第三名、自由体操冠军，第十四届全运会个人全能第八名，2020年全国体操冠军赛全国女子自由操第一名，第十四届全运会女子团体银牌等等，于2021年5月入选东京奥运会大名单。其突出特点是下肢强壮，爆发力好，动作完成度高，以她为对象研究我国女子平衡木专项肌肉用力特征具有典型性，受试运动员无肌肉损伤、训练过度等病症。征得本人同意，愿意配合本次实验，在标准体操馆，连续完成指定动作数次，以较好的一次为研究对象。

1.2 实验方法

1.2.1 测试仪器和步骤 Noraxon公司16通道无线遥测表面肌电采集分析系统，采集前用医用酒精湿巾擦拭皮肤表面，擦除皮肤表面的油脂和干燥的真皮，将传感器沿着肌肉走向贴于肌肉肌腹隆起处，同时要求传感器的方向与肌纤维方向一致，用医用胶带固定传感器。传感器的位置依次为两侧的腓肠肌内侧(medial gastrocnemius)、股二头肌(Biceps femoris)、股直肌(Rectus femoris)、三角肌(deltoid)、肱桡肌(Radial brachial muscle)，两侧肌肉张贴传感器的顺序为从左至右。

1.2.2 肌肉选取 经理论初选、预实验和专家筛选，并结合相关研究文献取双侧腓肠肌内侧头、股二头肌外侧头、股直肌、三角肌中束，肱桡肌共10块肌群，选取的肌肉与电极粘贴位置见表1。

表1 测试所选取的肌群Table 1 Selected Muscle Groups in Test

1.2.3 动作要求 挺身前空翻动作和直体后空翻动作起跳阶段、腾空阶段和落木阶段均要求在平衡木上进行，同一种空翻动作在木上连续做两遍，危险性动作加装泡沫垫，失去平衡的动作不列入数据收集范围，安排相关人员做好运动员保护工作。

1.2.4 数据处理 肌电信号使用NoraxonTelemyo2400R(NoraxonUSAInc，Scottsdale，AZ)采集(采集频率1500Hz，放大比例1000x)，并使用MyoResearch(NoraxonUSAInc，Scottsdale，AZ)软件进行平滑和过滤(频率5-1000HZ)处理。同一受试者连续完成各个动作，因此不需要进行标准化处理和测试出最大等长收缩[9]。分析运动员完成挺身前空翻和直体后空翻动作身体各肌肉指标差异，主要指标为肌肉的积分肌电(iEMG)值以及均方根值。对各阶段肌电进行幅值整流，滤波，平滑过滤以及幅度归一化，将动作划分为起跳(a)、腾空(b)和落木(c)3个阶段(图1)。

图1 为平衡木动作特征及阶段划分图示Fig.1 show the action characteristics and stage division of the balance beam注：a为起跳阶段，b为腾空阶段，c为落木阶段

2 结果

2.1 挺身前空翻和直体后空翻动作积分肌电百分比

积分肌电(iemg)百分比也称肌肉做功百分比，以某肌群积分肌电与完成该动作所有肌群积分肌电和的比值来定，用来体现某肌群在完成动作时的重要性[10]，是评价肌肉协调性的一个重要指标[11],也可以用来表达肌肉在某一动作阶段贡献率。

从表2、表3的各肌群的积分肌电百分比可以得出挺身前空翻和直体后空翻动作中起跳过程的主要做功肌群都是三角肌、腓肠肌、股直肌、肱桡肌，对股二头肌的需求较低。腾空过程的主要做功肌群则略有不同，前空翻依然是腓肠肌、三角肌、肱桡肌、股直肌，后空翻则是对股直肌的要求较低，股二头肌代替其成为主要做功肌群之一。而在落地阶段，为了控制身体平衡，三角肌成了最主要的做功肌群。通过对比挺身前空翻和直体后空翻动作的各个阶段肌肉做功过程可以得出，虽然身体两侧的同一肌肉做功情况会略有不同，但是在当整个动作完成后，身体两侧肌肉做功情况基本合理，说明身体协调良好。

表2 何骊澄挺身前空翻不同阶段各肌群积分肌电百分比Table 2 The percentage of integral EMG of each muscle group in different stages of He Licheng’s forward somersault(%)

表3 何骊澄直体后空翻不同阶段各肌群积分肌电百分比Table 3 The percentage of integral EMG of each muscle group in different stages of He Licheng’s straight backflip(%)

2.2 挺身前空翻和直体后空翻动作各阶段运动员肌肉激活强度

均方根(RMS)振幅值是人体表面肌电分析中另一重要分析指标，主要反映肌肉活性，即肌肉参与运动的程度[12]。从表4、表5的各肌群的激活强度可知，三角肌在两种空翻动作各个阶段中仍然是激活强度最大，在起跳阶段和落地阶段，两动作肌肉激活强度无明显差距，依然是三角肌激活强度最大，而在腾空阶段，挺身前空翻动作是三角肌和股直肌激活强度更大，直体后空翻动作则是腓肠肌、三角肌、肱桡肌激活强度更大。

表4 何骊澄挺身前空翻不同阶段各肌群的标准化均方根肌电图Table 4 Standardized root mean square electromyography of each muscle group at different stages of He Licheng’s forward somersault(%)

表5 何骊澄直体后空翻不同阶段各肌群的标准化均方根肌电图Table 5 Standardized root mean square electromyogram of each muscle group in different stages of He Licheng’s back flip(%)

2.3 挺身前空翻和直体后空翻动作肌肉激活模式图

由图2可知，三角肌在动作开始之前即开始出现较高激活强度的预激活现象，其稳定躯干的作用十分明显，通过静力性收缩以维持躯干稳定，并一直持续至动作结束，肱桡肌和股直肌激活时程较短，起跳腾空阶段出现明显激活，另外从激活时程的长短来看，三角肌>股二头肌>腓肠肌>股直肌>肱桡肌。在图2中，三角肌、股直肌、股二头肌、腓肠肌、肱桡肌均在发力阶段开始时激活，但激活持续时间存在一定差异，直体后空翻动作的激活模式具有同步性的特征，灭活顺序为右股直→右腓肠→左腓肠肌→左三角肌→左三角肌→右三角肌→右肱桡肌→左肱桡肌→左股直→右股二头。

图2 挺身前空翻和直体后空翻肌肉激活模式图Fig.2 Front flip and straight backflip muscle activation pattern diagram注:p1-p2为起跳阶段，p2-p3为腾空阶段，p3-p4为落地阶段

3 讨论

3.1 不同空翻动作肌肉用力特征

由于在平衡木中会受到诸多因素的影响，但是这些因素无法准确测量，而肌电测试可以得出影响平衡的力量指标，向后空翻的技巧动作是体操两大空翻类技巧之一[13]，几乎在平衡木的所有比赛中都可以看到运动员使用此类动作，直体后空翻和挺身前空翻是一般难度动作，也是竞技体操运动员被要求必须掌握的基本技能，由于在比赛过程中会受到诸多因素的影响，如场地，心理等因素，因此空翻类动作也是极易出现失误的动作(东京奥运会平衡木冠军管晨辰在全运会上就出现失误，最终与奖牌无缘)，对身体平衡的控制显得更加重要，陆爱云在《运动生物力学》中指出“平衡是指当作用于物体的合力为零时物体所处的一种状态”。人体保持平衡能力处于一种稳定状态与人体重心所处的位置和人体支撑面积大小有关。如果人体重心的重力线落在支撑面之内，降低重心就能增加人体的平衡能力，否则将处于失衡状态[14]。

本研究中挺身前空翻和直体后空翻在起跳阶段的主要做功肌群一致，都是腓肠肌、股直肌、三角肌、肱桡肌，而在腾空阶段，挺身前空翻的主要做功肌群为股直肌和三角肌，且身体左右侧肌肉做功贡献差距较大，直体后空翻的主要做功肌群为三角肌、腓肠肌、肱桡肌、桡肌在两动作起跳过程中有较明显的参与，肱桡肌的生理功能是屈曲肘关节、将旋后的前臂旋前以及将旋前的前臂旋后，此肌肉能成为起跳过程主要做功肌肉的原因是通过上臂积极的摆动以带动躯干和腿部积极伸展。

在比赛中，空翻动作作为核心动作之一，为了获得较高的技巧分，运动员必须完成各种形式的空翻动作，且在空翻过程中，身体的重心不断变化，也是极易出现失误造成落木的动作之一。在落木控制阶段，挺身前空翻动作身体两侧三角肌做功达到了68%，远高于其他肌群，三角肌的主要解剖功能是使上臂在肩关节处屈和旋内，中部纤维收缩使上臂外展，后部纤维收缩使上臂在肩关节处伸和旋外，整体收缩，能够使上臂外展，对加固和稳定肩关节有一定作用。可见，空翻类动作较一般的动作，身体重心的把控，躯干稳定的控制都更为困难。三角肌为起到控制平衡的作用，是最主要的做功肌群，所以保持平衡是所有姿势运动的基础。股直肌、三角肌都是挺身前空翻的主要做功肌群，但令人意外的是左侧三角肌和股直肌做功分别达到了24%和20%，而身体右侧只占到9%和4%。究其原因主要是与动作性质相关，为了完成挺身前空翻的动作，在起跳时，身体右侧已经翻转，而左腿需要完成蹬地等动作。

均方根值能够更好地排除时间累积的干扰，反映单位时间内肌肉的平均激活强度，采用此指标能够对运动员进行不同肌群激活强度的分析。larys[15]和Yang[16]的研究曾经指出，建议用运动中各肌群肌电峰值对各肌群均方根肌电进行标准化更加合适，因此本研究采用此方法[17]。由于未经训练的人在身体倒立中无法保持稳定的平衡，这对于普通人而言，是一项极其困难的任务，需要高度的肌肉力量和耐力来保持身体的全部重量，以及心血管耐力需要承受相反的位置[18]。相对于支撑阶段或者其他阶段，身体倒立时更需要前庭器官、体感以及头部视觉信息的整合[19]。在起跳过程中，挺身前空翻为三角肌激活程度更大，直体后空翻三角肌、腓肠肌、肱桡肌相对与其他肌群激活强度更大，在腾空阶段和落地阶段，为了保持身体的稳定，依然是三角肌进行了更大程度的动员，在平衡木上运动时，三角肌积极收缩能够使身体保持平衡，避免落木，人体在平衡木上做动作时，与肢体肌群力量、肌张力之间的相互平衡，密切相关，在非周期运动项目中，此能力尤为重要，在长5米、宽0.1米的平衡木上移动，翻腾时都对身体平衡性带来了很大的考验。空翻类动作三角肌动员程度大，动作难度增加，对身体的平衡的控制更加困难，因此在落地的一瞬间，三角肌在相对集中的时间内猛烈收缩必将导致其均方根肌电值升高。

肌肉激活顺序是研究专项动作过程中肌肉内部协调关系的重要手段，而协调则是人体科学和康复医学等领域的重要研究内容[20]。肌肉激活人体在某个运动阶段过程中肌肉的发力前后顺序，可以分析肌肉之间的协调程度，以及判断肌肉用力的合理性，选择合适的激活临界值是判断肌肉正确用力顺序的重要指标[21]。在实际测试过程中会存在各种各样的干扰因素，因此判断肌肉激活没有适用于所有项目的固定方法，有学者根据振幅平均值是否过基线水平的2-3个标准差来判断[22]，Laplaud等人在相关研究中[23]指出振幅峰值百分比是判断激活的较好指标，通常用振幅峰值的15%[24]来作为判定肌肉激活的参考点，本研究选用的参考点，将标准化振幅≥15%记为肌肉开始激活，标准化振幅<15%记为灭活，根据肌肉在动作过程中激活时间早晚可知各肌群的激活顺序进而可知技术动作的肌肉用力顺序。本文将各肌群肌电信号进行时间和幅值归一化处理后，以标准化振幅15%作为激活临界值，在pycharm软件中作图得到各肌肉的激活模式图，据此分析各块肌肉在挺身前空翻和直体后空翻中的激活或灭活顺序，如图2所示。在挺身前空翻和直体后空翻动作的激活模式图中可以看出，各肌群在三个阶段当中几乎都处于激活状态，各肌群激活持续时间存在一定差异，直体后空翻动作的激活模式具有同步性的特征。

3.2 挺身前空翻和直体后空翻动作表面肌电特征对训练的启示

挺身前空翻和直体后空翻动作中，腓肠肌、三角肌、肱桡肌都是稳定的做功肌群，提示在训练中应注意：1)高度重视对手臂以及肩部肌肉群的力量练习，力量训练能够使运动员的竞技能力提高，newto[25]的一项研究表明，无训练经历的平均年龄在18.6岁的通过8周的卧推和牵拉训练可以使6rm的重量增加22.8%，也可以降低运动损伤的概率。2)加强腿部肌肉ssc收缩能力训练，运动员在完成各种起跳动作时，腓肠肌，股直肌的做功都占据较大比重，这些肌肉的超等长收缩能力在很大程度上决定了运动员动作的腾空高度和动作的舒展度，在肌肉离心收缩之后迅速进行向心收缩，通过拉长肌肉的初长度，以产生更大的力量，此外要注意在疲劳状态下练习时要注意肌肉损伤。3)针对平衡木动作的身体两侧用力的非均衡性特征，力量练习中也应该适当增加非均衡性力量练习，并与对称均衡性力量练习相结合[26]。研究中得出在挺身前空翻的起跳动作当中，身体左右侧肌肉有较明显的差异，此外也应根据运动员个性特征，进行相应的强化练习。4)肩部肌肉作为各个阶段过程的主要做功肌群，为提高身体的稳定性，应根据其做功的方式，进行专项力量训练，肌肉专项化训练是提高运动成绩，保证训练质量的重中之重，打破原有的做功形式，形成新的生态。训练的动作模式与专项动作模式不匹配，造成专项转化效率是很低的。Rimmer and Sleivert(2000)采用单腿和水平方向的超等长训练，8周后，10米起跑速度提高了2.6%，可见，训练中动作模式的专项化是提高训练转化率的前提[27]。所以进行肌肉专项化训练是十分有必要的。5)根据运动员个体情况进行差异性训练，本研究存在一定的局限性，所选取的运动员样本量太少。在实际中，由于运动员的年龄不同，参加训练的年限也不同，在全面掌握运动员身体特点的基础上，要灵活多变地选择训练形式和训练负荷。

4 结论

本研究获得了挺身前空翻和直体后空翻动作在完成时的基本技术特征及相关的肌电学指标，为运动员学习和掌握这类动作及运动员水平的提高提供了科学参考。起跳时需要运动员具备强大的下肢ssc收缩能力和肩部力量素质，将平衡木动作细化，主要为多样的身体翻腾动作与手臂的动作相结合，是一个加速再加一个制动，相当于一个离心和等长收缩，不但要求力量、爆发力，更要求肌肉的制动能力。训练中加强运动员基本身体素质和平衡木专项力量的训练，以加强动作的舒展度和完成度。