我國優秀男子拳擊運動員后手直拳擊打環節相關肌群的EMG特征及其運動學分析

吳 瑛，劉海瑞，張慶文，伍 勰

1 前言

拳擊基本技術包括直拳、擺拳和勾拳。美國著名拳擊教練約瑟夫曾說過：“掌握了直拳技術就等于掌握了拳擊技術的80％”［1］。直拳又分為前手直拳和后手直拳。統計數據顯示，2008年北京奧運會拳擊比賽中，因打點規則的變化，后手直拳已成為中國運動員最有效的得分拳法［13］。直拳技術動作簡單，得分效果明顯，實戰實用性強，是拳擊運動員制勝的法寶。由于后手直拳技術包含了轉髖、送肩，爆發性伸肘等一系列動作，涉及的肌肉數量多，神經肌肉的運動控制要求高。因此，了解后手直拳動作過程中相關肌群的活動順序及其參與程度對于理解后手直拳的神經肌肉機制有著重要的理論意義，同時也可為篩選、設計符合后手直拳專項肌肉用力特征的訓練手段和方法，從而為提高專項運動訓練水平提供現實的參考依據。

應用表面肌電（sEMG）考察人體運動中的肌肉活動特征的研究很多［4，6，8，9，17］，其中也涉及了一些上肢相關肌群在諸如棒球［25］、網球［23，24］、射箭［18］、鉛球［15］等運動中的活動特征。然而，涉及拳擊動作的此類研究目前尚不多見，Smith［29］曾選取空手道運動員的三組拮抗肌：腹直肌和臀大肌，胸大肌和斜方肌，肱二頭肌和肱三頭肌來研究運動員運用空手道出拳擊打時肌肉的激活順序和運動學表現，得到的結論為：空手道出拳擊打時肌肉從軀干向手臂肌肉的活動模式是為了獲得最快的出拳加速度，但有關擊打時肌肉整體的活動模式和順序并無詳細的論述。郭峰等人［7］對女子拳擊運動員后手直拳技術動作上肢肌肉表面肌電進行分析，選取肌肉為：肱二頭肌、肱三頭肌、橈側腕伸肌、尺側腕屈肌、三角肌前束和后束。認為在后手直拳擊打過程中三角肌前束做功百分比最高；主動肌的激活順序為三角肌前束、肱三頭肌和尺側腕屈肌，拮抗肌在直拳擊打過程中起重要作用，但其研究未涉及下肢肌肉的活動考察。然而，下肢肌肉活動在后手直拳運動中的作用也不容忽視。

相比較而言，有關拳擊直拳技術運動學與動力學的研究較多，有研究［2］認為，拳擊在擊中目標瞬間其速度不是最高的，在這之前有突然減速的過程。大多數學者［11，12，14，22］認為，拳擊中的擊打力量與拳速、擊打的質量有關。增大擊打的有效質量、增加擊打的工作距離并掌握合理的打擊時機，可以有效地提高擊打效果。這些研究主要集中在擊打技術的最優化和如何提高擊打效果上面，有關拳擊后手直拳擊打過程中的肩髖扭轉運動目前尚未見到較為清楚、詳細的論述。

因此，本研究運用表面肌電技術（sEMG）針對我國優秀男子拳擊運動員后手直拳出拳擊打環節肌肉用力特征、用力順序、用力協調性和運動單位募集問題，結合同步運動學數據中的肘關節、肩髖轉動角、上臂環節質心和拳速在擊打過程中的運動學變化對后手直拳出拳擊打環節的生物力學特征進行綜合探討。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

國內優秀拳擊運動員6名，運動員身體健康，無肌肉損傷等疾病（表1）。

2.2 實驗方案

出拳－擊打環節（以右勢為例）：環節開始前運動員基本姿勢為兩腳成左前右后的斜開立姿勢；左腳尖稍向內扣，兩臂自然彎曲，肘置于肋部，兩肘放松下垂；運動開始后，右腳掌蹬地發力，右腿內旋，同時非出拳側腿向前邁一步，右腿發出力量使右側髖關節前送，身體重心轉移至前腿，帶動腰部迅速向前轉動，右肩前送，右拳以直線向前發出，伴隨前臂內旋擊打中靶。

實驗場地上放置一個不倒翁靶（30 kg），其上方中心放置一枚marker球，用于判斷擊中靶的時刻。受試者在跑步機上進行10 min熱身，然后進行后手直拳擊打不倒翁靶練習，時間為5 min。

熱身結束后，對受試者出拳側的肱橈肌、肱三頭肌、肱二頭肌長頭、三角肌前束、股二頭肌、腓腸肌共6塊肌肉進行EMG采集準備，電極片定位及相關操作流程采用SENIAM（www.seniam.org）標準，電極外周固定采用彈性繃帶。

按照Vicon FULLBODY模板為受試者粘貼全身Marker，正式實驗之前采用Noraxon推薦的方法［26］對受試者所測每塊肌肉逐一進行MVC（Maximum Voluntary Contraction）測試，用于肌電指標的標準化。

MVC采集成功后，開始正式實驗，要求運動員以最快速度全力擊打靶位，技術動作要求完整、連貫。采集成功擊打6次，每次擊打間隔2 min。

表面肌電（sEMG）數據采集采用Biovision多功能運動生物電測量與分析系統（1 000 Hz，Biovision Inc.，Wehrheim，Germany）。

采用VICON MX紅外高速攝影系統（100 Hz，Vicon Motion Analysis Inc.，Oxford，UK）采集同步運動學數據。

表1 受試者基本情況一覽表 （n＝6）

圖1 Marker set位置圖

肌電和運動學同步采用外接無線同步信號器進行同步連接。

2.3 數據處理

2.3.1 表面肌電分析

應用DasyLab 10.0（Biovision Inc.，Wehrheim，Germany）對原始肌電信號進行帶通濾波（10 Hz～400 Hz）、整流，然后對所得結果進行如下處理：1）進行低通濾波（截止頻率：6 Hz）得到包絡線，通過觀察包絡線的變化［30］，判斷肌肉活動時序。2）計算出拳動作各肌肉活動積分肌電（IEMG）和平均振幅（aEMG），以此說明肌肉運動單位募集情況。積分肌電是指肌肉在活動時間內肌電信號的面積。平均振幅（aEMG）是指積分肌電值與其時間的比值［16］。為了比較計算的需要，文中對所測的每塊肌肉平均振幅進行了標準化處理，即各肌肉出拳動作的平均振幅與其MVC的平均振幅的比值。3）計算所測肌肉做功百分比。肌肉做功百分比［7］是指在完成某一動作時一定時間內某一塊肌肉的積分肌電值占參與該動作中所測全部肌肉積分肌電值總和的百分比，用于反映某塊肌肉在完成動作中的相對比重或者重要性。

2.3.2 運動學分析

運動學數據處理采用Visual3D軟件（C－Motion，Inc.，Germantown，MD，USA），考察指標有：1）肘關節角度：肩峰點、肘外側點、腕外側點構成的3D角度。用以了解出拳擊打環節肘關節角度變化情況。2）肩髖轉動角：左右髂嵴連線和左右髂嵴連線在水平面上（XY平面）內的投影所成的夾角，用以代表軀干扭轉的程度，正負號根據右手法則確定。肩髖轉動角觀察軀干扭轉的變化情況。3）肩峰點、上臂環節質心和拳心速度（X軸）變化，用于判定上肢關節運動的速度變化。

各對象的指標結果數據的總體平均值采用時間標準化（％）處理，以運動員非出拳側的腳離開地面為動作開始，出拳擊中固定靶即刻為動作結束。

3 研究結果

圖2 出拳擊打環節拳速、肘關節和肩髖轉動角對應肌肉活動順序圖

出拳擊打環節肌肉活動順序見圖2。出拳擊打環節肌肉活動順序為下肢向上肢依次活動。順序為：腓腸肌→股二頭肌→三角肌前束→肱三頭肌→肱二頭肌長頭→肱橈肌；在拳速明顯加速至峰值區間內（80％～95％），上肢肌肉持續活動，尤其手臂肌肉的肱二頭肌、肱三頭肌和肱橈肌。出拳擊打環節運動中肩髖轉動角先變小后增大，其最小值開始增大（75％）至環節結束（100％）的同時，肘關節顯著增大直至環節運動結束。

為便于圖示肩髖夾角，棍圖中兩髖連線被平行移動，使左肩點與左髂嵴點重合，構成便于理解的三點夾角所測肌肉出拳擊打環節肌肉做功百分比得到結果見圖3。肌肉做功百分比分別為：三角肌前束＞肱三頭肌＞股二頭肌＞腓腸肌＞肱橈肌＞肱二頭肌長頭。aEMG計算結果見表2。出拳擊打環節aEMG值最大為三角肌前束，其他依次為：

股二頭肌、肱三頭肌、腓腸肌、肱橈肌、肱二頭肌長頭。

圖3 出拳擊打環節肌肉做功百分比圖

表2 出拳擊打環節aEMG結果一覽表 （±SD）

表2 出拳擊打環節aEMG結果一覽表 （±SD）

三角肌前束 肱三頭肌 肱二頭肌長頭 肱橈肌 股二頭肌 腓腸肌aEMG（％） 0.27±0.09 0.22±0.10 0.05±0.02 0.14±0.09 0.25±0.09 0.22±0.08

出拳擊打環節肩峰點、上臂環節質心和拳心速度變化見圖4。肩關節、上臂環節質心和拳心速度變化在環節運動75％開始明顯加速依次達到峰值，峰值出現的時間呈現次序性，順序為：肩關節→上臂質心→拳心。

圖4 出拳擊打環節肩峰點、上臂環節質心和拳心速度（平均值）變化曲線圖

4 分析與討論

4.1 出拳擊打環節肌肉激活順序

根據出拳擊打環節動作的相關解剖學知識及前人研究結果［7，29］，本研究選取三角肌前束、肱三頭肌、肱二頭肌長頭和肱橈肌的EMG來考察上肢肩關節和肘關節的活動特征；選取股二頭肌和腓腸肌（雙關節肌）的EMG來考察下肢主要關節運動之間的協調表現。

研究結果發現，運動員出拳擊打環節始以運動員前足離地，止于拳中靶即刻。環節運動過程中所選肌肉活動順序呈現從下肢向上肢激活的現象（圖2）。順序為：腓腸肌→股二頭肌→三角肌前束→肱三頭肌→肱二頭肌長頭→肱橈肌。從動作結構上看，后手直拳技術的出拳擊打環節主要包括下肢髖、膝關節的屈伸，軀干繞垂直軸的扭轉以及上肢各關節的屈伸、旋轉動作。這些動作的銜接配合依次在上述的肌肉活動順序上得到了充分驗證：前腳離地后（動作開始），支撐腿髖、膝兩關節首先產生一個輕微的離心屈動作。相應地，腓腸肌（協助股四頭肌）與股二頭肌此時分別行使膝、髖兩關節的離心屈控制功能。在身體重心下降的同時，軀干開始向后（支撐側）旋轉，當后旋至最大幅度（圖2中動作時間的75％處肩髖夾角達到最小負值）之前，由于對側足著地（62％）導致身體重量過渡到前足，而使得出拳側下肢的腓腸肌與股二頭肌活動逐漸消失。但由于此時軀干后旋仍未結束，股二頭肌將延續其外旋功能來配合軀干運動，直至肩髖夾角達到最小負值（即軀干后旋結束）。當軀干向后扭轉達到最大（此時前足著地已提供良好支撐）時，接下來就是爆發性軀干前旋和上肢鞭打動作。在軀干前旋過程中同側腹外斜肌和對側腹內斜肌的向心收縮力及其功率對于快速擊打的貢獻作用應該是毋庸置疑的。在軀干前旋的同時，肩、肘關節的運動也開始啟動。上肢肌肉最先激活的肌肉是三角肌前束（圖2），這符合大關節首先產生運動的原理。由圖2可知，在軀干還處于向后扭轉過程中三角肌前束的sEMG信號就已經開始出現，這可能是拉伸拮抗和預激活的一種表現。從激活開始（61％）至肩髖夾角達到最小負值（75％），三角肌前束活動時間為14％。但在隨后的向前擊打過程中，三角肌前束（肩屈主動肌）的參與時間要明顯短于肱三頭肌（肘伸主動肌），且在向前動作開始不久（78％）就到達其峰值，此時肩髖夾角仍處于負值（即同側肩關節在位置上尚未超越髖關節，圖2）。注意到在三角肌前束EMG達到峰值時，肘關節角度開始出現明顯的加速增大（圖2），這意味著肘關節伸肌在此時開始主動發力來完成后續的擊打動作，這符合人體開放鏈鞭打動作的原理，即肢體的運動形式往往表現為由近端環節到遠端環節依次加速與制動，各環節的速度也表現為由近端到遠端的依次增加［3］（圖4）。肱三頭肌在環節運動的65％被激活，活動一直持續至擊打完成，其峰值出現在環節末期的91％附近（圖2），肱三頭肌的激活不難理解，其主要作用是為完成最后的爆發式伸肘擊打。注意到在肘關節角度出現明顯變化之前（72％），肱三頭肌已經被激活，同時伴隨有肱二頭肌的協同激活，表現出明顯的伸肘擊打前的預激活狀態。肱二頭肌和肱三頭肌作為拮抗肌表現出的共收縮時長占環節運動總時間的37％。作為肱三頭肌的拮抗肌，肱二頭肌的活動一直伴隨存在，其峰值出現在擊打末期（93％）。正常情況下，主動肌收縮時，在中樞神經系統的作用下，拮抗肌會協調并適當離心參與關節運動，但在大負荷運動時，強烈運動單位興奮可能超過選擇性抑制的能力，從而引起拮抗肌的共同收縮［30］。也有研究證明：人體在進行最大用力和快速動作時，動作力量大小的控制與肌肉之間的拮抗作用有密切的關系，拮抗肌會適當的產生“剎車”力量以提高肢體在快速動作中的準確性［20，27，28］。由此可知，拮抗肌的共收縮對于拳擊擊打準確性的控制具有一定的意義。優秀運動員在環節運動中三角肌前束、肱二頭肌和肱三頭肌表現出的預激活和共收縮現象對于環節運動的控制與協調具有一定的意義。最后被激活的肌肉是肱橈肌（73％），這是因為在伸肘動作開始后需要前臂的內旋配合（肱橈肌收縮），最終形成拳背朝上的姿態完成擊打。

4.2 出拳擊打環節所測肌肉做功百分比和aEMG

在表面肌電研究中有關表面肌電－肌力的關系一直都是研究的熱點［19］。大量研究表明，在一定條件下，各種肌肉負荷形式下肌肉收縮力或輸出功率的變化與sEMG信號的振幅間存在著良好的線性關系，肌肉收縮強度加大，肌電圖的幅值增加；同時積分肌電與肌力之間也存在高度相關關系［10，21］。因此，積分肌電是評估肌肉活化程度和用力程度的一項重要指標。

研究結果顯示，環節運動所測肌肉做功百分比差異明顯（圖3）。所測肌肉做功百分比方面，三角肌前束和肱三頭肌兩塊上肢肌肉的用力程度明顯高于其他4塊肌肉，這可能與出拳擊打環節的動作結構有關，同時也與前人的研究在一定程度上相對應［7］。出拳擊打是一個復雜但同時又協調配合的運動鏈，相對于肩髖轉動角的活動幅度，肩肘關節在整個環節運動鏈中運動幅度大（圖2），且三角肌前束和肱三頭肌的屈肩、伸肘運動又是在瞬間爆發式用力完成，因此，三角肌前束和肱三頭肌從運動形式的表現來看，肌肉做功百分比高于其他肌肉也是合理的。aEMG結果（表2）顯示，所測肌肉aEMG與其做功百分比有著相對一致的趨勢，三角肌前束、肱三頭肌和股二頭肌在擊打過程中顯示出較明顯的主導作用。后手直拳的專項力量訓練中提供一定的參考：在出拳擊打的訓練上除了注重技術規范，協調發力外，還要強化三角肌前束、肱三頭肌和后支撐腿的股二頭肌力量訓練。

4.3 出拳擊打環節運動學變化情況

拳擊后手直拳技術軀干運動主要是繞垂直軸的轉動帶動上臂、前臂運動。軀干轉動角的變化主要表示兩肩和兩髖連線投射的夾角在XY平面內的運動情況。研究結果表明（圖2），出拳擊打環節肩髖轉動角度范圍為18.58°，其轉動幅度相對于其他關節，幾乎可以忽略不計。雖然轉動范圍有限，但軀干的反向扭緊增加了相關肌群（軀干肌肉和三角肌）的彈性能儲存并獲得更大擊打空間。理論上軀干扭轉角在拳擊實戰中隨臨場情況和戰術需求會有所變化，因此，本研究所得到的肩髖角轉動范圍僅代表本實驗設計中的結果。肩髖轉動角的運動實際代表了軀干的扭轉運動。軀干的作用主要是將下肢產生的原動力傳遞到出拳側手臂，為出拳側的最后擊打提供穩固的肩部支撐。動作開始時軀干反向扭轉，帶動骨盆也產生輕微后旋，然而軀干的扭轉幅度要大于骨盆的扭轉幅度，在擊打初期（圖2：38％），出拳側肩關節位置開始向后超越同側髖關節點，至動作的75％處達到最大扭轉，隨后軀干開始前旋發力，在圖4中可見此時肩關節點的速度開始明顯上升，同時也帶動手臂的向前運動，但肘關節角度仍未出現明顯變化（圖2），當軀干前旋至擊打動作的83％處，肩關節向前超越同側髖關節點，此時肘關節已有明顯發力跡象。圖4中3個考察點的速度峰值有一個明顯的時間次序：肩峰點→上臂環節質心→拳心。結合圖2和圖4，我們可以做出以下的理論推斷：向前擊打過程中軀干肌肉的向前扭轉作用最先對拳速產生貢獻，隨后三角肌發力使前臂（包括上臂和手）的速度進一步增大，最后在肱三頭肌的爆發性收縮下，前臂（手）的速度達到了峰值（95％）。拳速峰值對應的肘關節角度約為120°，這也驗證了拳擊擊中目標物時手臂并未完全伸直，且速度是由高速突然減速的結論［2］，結合肌肉活動可知手臂肌肉的共收縮對肘關節的固定，對形成精確擊打具有積極的意義。

4.4 相關肌群對拳速的貢獻分析

擊打效果主要取決于擊打的速度和質量。理論上，擊打效果的最終評定應由被擊打物體的運動狀態來評估。擊打動量取決于出拳時的擊打質量和擊打速度，擊打動量越大，傳遞的動量也越大，在彈性碰撞中主碰物體的質量和速度越大，被碰物體的速度也越大［5］。在質量相對固定的前提下，拳心速度是獲得良好擊打效果的一個前提性因素，如前所述，相關肌群的依次發力導致運動鏈產生鞭打效果，使末端速度達到最大。然而這些肌群在發力過程中并不是簡單的依次“開”與“關”，肌肉活動在時間順序上存在重疊，因而只能定性估算這些肌群對最終拳速的貢獻：如圖4所示，出拳側肩峰的速度的獲得在動作結構上主要來源于下肢和軀干肌群的發力，在完整動作時間的90％處肩峰點速度達到峰值，若以最高拳速為參照，其貢獻度達到44.6％。在此基礎上，三角肌前束發力產生肩關節屈運動，使手臂（上臂質心）速度進一步上升，其貢獻度大約占最高拳速的11％。最后三頭肌的發力使拳速達到了峰值，其貢獻度大約為44.4％。由此可見，下肢肌群和軀干肌群及伸肘肌群對拳速的貢獻是主要的，兩者貢獻度相當，三角肌對拳速的貢獻較小。從本研究對優秀運動員的這一結果來看，下肢和軀干扭轉對拳速較高的貢獻度提示在運動訓練中應重視這些肌群的爆發力訓練。

5 結論

1.拳擊后手直拳出拳擊打環節所選肌肉活動呈現從下肢向上肢激活的次序性。擊打過程中三角肌前束、肱二頭肌和肱三頭肌在相應時間位置上出現的預激活和共收縮現象值得關注，這可能也是反映運動員技術水平和特點的肌肉活動指標。

2.在肌肉貢獻度和aEMG方面，三角肌前束、肱三頭肌和股二頭肌在動作過程中表現出相對重要的地位。

3.上肢相關肌群的活動次序與肩關節、上臂環節質心和拳心速度變化的時序性有著合理的解剖學相關，是產生上肢開放鏈鞭打動作的根本原因。

4.針對出拳擊打環節下肢和軀干的肌群對拳速的貢獻，運動訓練中應注意強化相關肌群的爆發力訓練。

6 展望

本研究提供的優秀運動員在后手直拳出拳擊打環節中的肌肉活動特點和運動學表現為運動訓練實踐提供了一定的參考。將來的研究可在兩個方面進一步深入：1）考察更多的相關肌群，包括軀干肌群和前支撐腿的相關肌群；2）對不同水平運動員進行比較，有利于對動作技術的生物學機制的更好理解。

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