优秀青年男子排球运动员扣球起跳过程下肢肌肉表面肌电与运动学分析

齐春燕，王来东，张 丽

(南开大学体育教学部，天津 300071)

排球运动是集力量、速度、协调为一体的运动项目。起跳扣球过程由助跑、起跳、扣球、落地四个环节组成，其中起跳期是整个扣球动作的一个重要转折点，起跳动作是起跳腿的下蹲缓冲、蹬伸动作以及全身其它环节协调配合完成的过程［1］。目前，有关排球扣球的研究主要集中在下肢起跳过程运动学的研究，而有关下肢肌肉在扣球起跳过程中缓冲和蹬伸过程的研究很少。表面肌电(sEMG)技术已经被证明是无损伤地研究肌肉功能最有效的工具，其中运动肌电图学关注的是人体功能运动、姿势维持、训练/治疗过程中的神经肌肉激活(activation)状况。因此，本文将三维高速摄像和下肢肌肉表面肌电相结合来探讨在缓冲和蹬伸过程中从外部技术动作结构和内部肌肉工作原理两个方面同步研究扣球起跳的缓冲和蹬伸过程，这对于提高运动员的技术动作水平具有较重要的意义。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本文以辽宁省青年排球队的7名优秀男子运动员为研究对象，受试者身高为190.4±3.15 cm，体重75.9±5.1kg，年龄16.9±1.5岁，运动年限2.7±1.3年，所选受试者没有肌肉损伤疾病。

1.2 研究方法

1.2.1 实验仪器与材料

两台eagle高速摄像机、美国产的Noraxon表面肌电仪、Ag/Ag-Cl表面电极、酒精棉球、弹性绷带、三角架、三维框架、500瓦照明灯、皮尺、排球10个。

1.2.2 实验设计方案

受试者首先进行15分钟的热身活动，令一名二传手在三号位传球，同时令受试者在四号位起跳做强攻扣球动作，将球扣在对面的五号位，每名运动员做5次扣球动作，最后由专家确定最佳的一次扣球动作为研究对象。根据研究的需要，本研究将扣球起跳动作过程分为缓冲期和蹬伸期。

缓冲期:从助跑最后一步右侧支撑脚的足跟着地开始，到身体重心下降至最低点结束。

蹬伸期:从身体重心下降至最低点开始，到双脚离地结束。

1.2.3 数据采集与处理

(1)表面肌电数据。选取受试对象的右侧腿的臀大肌、股直肌、股二头肌、半腱肌、腓肠肌内侧头、腓肠肌外侧头、胫骨前肌测试肌肉，使用双极测试方法，这样可以降低信号串线(crosstalk)［2］，两个记录电极放在肌肉隆起的正中线上，两记录电极之间的距离为2cm，参考电极放在附近的骨性突起处。采用遥测方式对下蹲起跳时下肢肌肉的电活动进行记录，采样频率为1 000 Hz。

首先进行肌电幅值标准化处理(normalization)，最大幅值测试方法采用Peter Konrad标准化处理，用%MVC来表示 ，为了减少误差，取三次最大肌电幅值的平均值作为基准参考值。对采集到的原始肌电信号进行10-500Hz的带通滤波，然后使用均方根法进行全波整流，再使用移动平均窗法(moving average window)进行数据平滑，窗口宽度定为0.01s，由于动作时间比较短，所以步长取2个采样点。

表面肌电学相关指标定义:肌电峰值出现时间，是指经过整流滤波后的肌电信号(以重心最低点为零时刻点)肌电幅值达到最大幅值的60%，最小时间窗为10ms，这样的幅值出现的时刻。

(2)运动学数据采集与处理。两台eagle高速摄像机(250帧/秒)分别对运动员扣球起跳动作进行三维拍摄，场地布置如图1所示，两台摄像机的主光轴约成90°。表面肌电和摄像采用内同步触发方式，即表面肌电的遥测触发器被触发后发送一个marker信号给肌电仪，同时触发一个光源，摄像机记录下该光源，从而完成同步触发。

将收集到的影像图片数据使用美国的APAS运动解析软件进行解析，采用6Hz截止频率进行数据平滑，得到速度、角度、角速度等参数。

运动学相关指标定义:

下肢缓冲角:缓冲末期时，下肢的髋关节角度、膝关节角度和踝关节角度。

起跳重心速度:双脚起跳离地瞬间，身体重心的速度，分为水平速度和垂直速度。

摆臂角度:下蹲缓冲过程中，右侧上肢肩关节向后挥摆到的最大角度。

1.2.4 数理统计法

使用spss13.0软件对数据进行统计分析，所有数据采用皮尔逊相关分析法对引起跳高度的因素进行相关分析，使用Friedman双因素非参数等级检验法对时间顺序进行统计检验，显著性检验标准为a=0.05。

2 结果与分析

2.1 起跳缓冲和蹬伸过程的运动学分析

表1 起跳缓冲和蹬伸过程中相关运动学参数(n=7)

表1显示在缓冲期，重心最低时右髋关节角、右膝关节角、右踝关节角分别为125.6±9.8°、105.7±4.7°、83.7 ±3.4°，而缓冲时间为 130.2 ±4.8ms。我国台湾学者张资荣研究报道男子排球运动员在身体重心将至最低点时，髋关节角度为95°～115°、膝关节角度为 110°～120°、踝关节角度为 75°～80°［3］，与本文的研究结果相差不大。在缓冲阶段中，重心最低时的时候，并不是髋关节、膝关节和踝关节最小的时候，表2显示，在重心达到最低点后开始蹬伸前髋关节已经开始伸展了，髋关节在重心达到最低前50.8±19.1ms就开始伸展，而膝关节和踝关节分别在重心达到最低点之后的16.4±4.5ms和32.1±14.7ms才开始伸展，说明髋关节在伸展时膝关节和踝关节依然在减小，当膝关节开始伸展时，踝关节依然在减小，踝关节是最后伸展的关节，总体上表现为髋关节-膝关节-踝关节依次伸展。

表1调查结果显示在蹬伸期，离地时重心水平速度为2.1±0.2 m·s-1，垂直速度为3.6±0.2 m·s-1，蹬伸时间为160.1±5.9ms。Coleman等人研究发现国家队男子选手扣球起跳双脚离地瞬间，身体重心的垂直速度为3.59 m·s-1，身体重心的水平速度为2.08 m·s-1。［4］龚雅丽等人研究发现女子选手在双脚离地瞬间重心的垂直速度为3.18 m·s-1，水平速度为1.31 m·s-1［5］，女子排球运动员在起跳时身体重心的垂直速度和水平速度都要低于男子，这可能与女子助跑速度较慢以及肌肉力量小有关。

从表1中我们能看出在蹬伸期，髋关节最大角速度、膝关节最大角速度、踝关节最大角速度分别为791.5 ± 78.5°·s-1、912.6 ±97.8°·s-1、1 154.7 ±151.4°·s-1，可见下肢各个关节角速度依次递增，角动量逐渐递增，而且表2的数据也体现出髋关节-膝关节-踝关节依次伸展，有明显的时间特征。可见在排球扣球的蹬伸起跳过程是以远端大关节的运动带动远端小关节的运动，远端的踝关节是直接与地面接触的，这样踝关节产生较高的角速度必将有利于快速起跳。因此，在起跳时应该首先积极主动伸髋关节，再伸膝伸踝，有利于完成起跳。

表3 缓冲和蹬伸阶段运动学参数与起跳高度的相关性(n=7)

由表3可知，起跳高度与重心最低时右髋关节角、重心最低时右膝关节角、重心最低时右踝关节角的相关系数分别为 -0.439(p＜0.05)、-0.409(p＜0.05)、-0.393(p＜0.05)，可见起跳高度与下蹲时下肢的关节角度呈负相关，说明缓冲阶段适当地下蹲有利于起跳。当着地脚着地时，下肢各个关节立即屈曲以便缓冲助跑过程中产生的水平动量，在克服水平动量的过程中，下肢髋关节、膝关节和踝关节角变小使周围的肌肉被拉伸，从而使助跑过程产生的动能转变为弹性势能并储存在下肢关节的股四头肌、臀大肌、小腿三头肌等肌肉中，然后在随后的蹬伸起跳过程中将储存在肌肉中的弹性势能释放出来，转化为垂直位移方向的能力，这样下肢关节下蹲角度就成为了影响起跳高度的因素。但是并不是下肢缓冲角度越小越好，因为肌肉被动拉长收缩具有时间效应，下肢关节缓冲角度越小所需要的时间长，这将减弱牵张收缩效应［6］，这也就是呈中度负相关的原因。

表3显示摆臂角度与起跳高度成正相关，相关系数为0.679(p＜0.05)，本文中摆臂角度为缓冲阶段右侧肩关节的后摆角度。摆臂动作在起跳过程中，当向后摆臂角度较大时，相对地增加了蹬伸时向前上摆臂的位移，从而增加双臂的做功量，而这一做功可以更多地转换为垂直起跳时的重力势能，也就提高了起跳高度。国外Harman研究发现有摆臂的跳跃高度明显大于没有摆臂的跳跃高度［7］。

因此，摆臂动作对于起跳高度也具有很重要的作用，这一因素有时候常常被教练员和队员所忽略。但是，向后的摆臂动作对于起跳离地瞬间身体重心的水平速度方面也有影响。因为当后摆角度大会使身体的重心有向上移动趋势，制动脚与地面产生的制动作用力减少，也就导致了缓冲向前作用减少，从而导致水平速度相对增加，进而在接下来的向前、向上摆臂起跳过程中使身体重心过多地向前移动，可能会导致选手在起跳或者空中击球动作中产生前冲现象，使选手产生触网等失误。因此，向后摆臂角度并不是越大越好，应该寻找到一个合适的向后摆臂角度，以达到最佳的起跳效果。

表3显示起跳高度与缓冲时间和蹬伸时间成负相关，相关系数分别为-0.479(p＜0.05)和-0.379(p＜0.05)，说明在一定程度上缩短缓冲时间和蹬伸时间有利于起跳。缓冲阶段主要是下肢各个关节周围的肌肉被动拉伸，以便在蹬伸阶段释放能量。但是，肌肉是一个粘弹性体，它的弹性变形能力具有时间效应，弹性回缩能力随时间延长将减弱，原因是有一部分能量以热能形式散发出去，最终影响向心收缩时的效果，也就影响了起跳效果。从数据来看，蹬伸时间与起跳高度也成负相关，这暗示蹬伸时间也不宜过长，王法信［8］研究结果也证明了这一点。因此，寻找到一个合适的起跳时间具有重要意义。

表3的结果显示起跳高度与双脚离地时重心垂直速度呈高度相关(r=0.839，p＜0.01)，身体重心的垂直速度可以提供充分的动能来克服身体的重力势能，从而达到一定高度，因此双脚离地时重心垂直速度是影响起跳高度的最直接因素之一。

2.2 缓冲阶段和蹬伸阶段下肢肌肉激活情况

同样以重心最低点时刻为0时刻点，之前的时间为负值，之后的时间为正值。由表4可知在缓冲阶段各块肌肉表面肌电峰值出现在重心最低点之前，其中腓肠肌内外侧头峰值出现的时间较早，显著早于其它肌肉，说明在缓冲阶段最早依靠的是腓肠肌，之后是股直肌，其余肌肉在较晚后出现峰值。腓肠肌是踝关节周围的肌肉，在缓冲时首先通过腓肠肌的离心收缩牵拉制动小腿骨来缓冲水平速度，然后股直肌积极参与收缩通过制动大腿来缓冲水平速度，而后其它肌肉收缩开始出现峰值积极收缩制动下肢环节来缓冲水平速度。

由表4可以看出，在蹬伸阶段，臀大肌的表面肌电活动首先达到峰值为-21.4±18.5ms，显著早于其它肌肉，这也说明了在重心达到最低点之前臀大肌电活动已经达到峰值，与表2数据结果相符，说明髋关节先于其它关节伸展。但是其它肌肉群几乎同时达到峰值，这说明由于和骨相连接的肌肉和肌腱是一个粘弹性组织，在牵拉骨杠杆的时候会产生延迟效应，所以肌电的时间特征与外部动作结构的时间特征不一定相符，有关这方面的研究还需要更精细的实验设计。但是可见臀大肌确实是较早激活的一块肌肉，从而使髋关节提前伸展，完成大关节带动小关节运动。

表4 缓冲和蹬伸阶段各肌群表面肌电峰值出现时间(n=7)

2.3 不同阶段肌肉做功情况

从图2中可以看出，在缓冲阶段臀大肌的%IEMG最大平均为27.7%，说明在缓冲这段时间内支配臀大肌的运动单位积极活动，缓冲阶段主要是产生制动作用，臀大肌可以使髋关节制动，而髋关节与质量较大的躯干相连，在一定程度上制动躯干产生的较大动量也要依靠臀大肌的积极收缩来完成，所以臀大肌的电活动最强烈。股后肌群在缓冲阶段主要进行退让性地离心收缩来完成缓冲。因此，股二头肌和半腱肌也产生较强的电活动分别为16.9%和12.3%，值得注意的是该阶段胫骨前肌的电活动也较强，为12.3%，其原因可能与足在接触地面后加强踝关节的稳定性有关。

在蹬伸阶段，腓肠肌内外侧头的作用非常重要，其%IEMG分别为19.2%和24%，原因是在蹬伸阶段需要足够的动力，而腓肠肌积极地向心收缩可以使踝关节蹬伸地面，从而使身体离地腾空。同样作为主动肌的臀大肌、股直肌也积极地收缩，%IEMG分别为14.4%和16.0%。臀大肌和股直肌积极收缩可以快速地完成伸髋伸膝动作，为离地腾空提供动力。同时，在蹬伸阶段我们可以看出，作为拮抗肌的股二头肌和半腱肌依然积极收缩，其原因可能是与预防下肢损伤有关。Baratta等人研究下肢膝关节蹬伸动作时发现，拮抗肌收缩可以维持膝关节稳定性［9］。

图2 不同阶段不同肌肉的%IEMG

3 结论与建议

3.1 结论

从外部动作结构和内部肌肉放电情况来看，排球扣球的起跳蹬伸过程是下肢以大关节依次带动小关节运动完成的。缓冲期首先通过踝关节的腓肠肌离心收缩来缓冲制动水平速度，然后依靠膝关节的股直肌离心收缩来缓冲制动。重心最低时右髋关节角、膝关节角、踝关节角、摆臂角、缓冲时间、垂直速度是影响起跳高度的因素。

3.2 建议

教练员在平时的训练中应该更多地关注寻找合适的缓冲时间和摆臂角，以达到最佳的起跳效果。教练员应根据蹬伸阶段肌肉的用力顺序和作用大小，合理安排下肢力量以及肌肉协调用力方面的训练。在以后的科学研究中也应该更多地关注什么样的缓冲时间和后摆臂角有利于起跳高度。

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