400 m障礙臂撐攀越高墻動作關鍵發力環節肌群sEMG遙測與分析

吳瀟男，昝壘，孫博文

(西安通信學院 基礎部，陜西 西安 710106)

●運動人體科學

400 m障礙臂撐攀越高墻動作關鍵發力環節肌群sEMG遙測與分析

吳瀟男，昝壘，孫博文

(西安通信學院 基礎部，陜西 西安 710106)

目的：研究400 m障礙臂撐攀越高墻動作關鍵發力環節主要原動肌群表面肌電(sEMG)的工作特征。方法采用sEMG遙測技術與解剖學動作分析方法，配合sEMG同步采集視頻，對某軍校7名400 m障礙成績優秀且技術動作規范的男性學員進行原始肌電圖、積分肌電值(iEMG)和肌肉做功貢獻率(iEMG%)測試與分析。結果上肢和軀干肌群的發力順序為：三角肌、肱三頭肌率先同步發力，隨后肱二頭肌、屈腕肌逐漸發力，接著依次為斜方肌、伸腕肌、胸大肌、背闊肌；擺動蹬踏墻體一側下肢肌群和腹直肌的發力順序為：股四頭肌和脛前肌率先同步發力，隨后是繩肌、腓腸肌、臀大肌、腹直肌；蹬地起跳一側下肢肌群和腹直肌的發力特點為：除腹直肌外，臀大肌、股四頭肌、繩肌、脛前肌、腓腸肌幾乎同步被激活。iEMG和iEMG%從大到小依次為：上肢和軀干肌群(肱二頭肌、屈腕肌、肱三頭肌、斜方肌、三角肌、胸大肌、伸腕肌、背闊肌)；擺動蹬踏墻體一側下肢肌群(脛前肌、股四頭肌、繩肌、腓腸肌、腹直肌、臀大肌)和腹直肌；蹬地起跳一側下肢肌群(腹直肌、腓腸肌、股四頭肌、繩肌、脛前肌、臀大肌)和腹直肌。

400 m障礙；表面肌電；原始肌電圖；積分肌電值；肌肉做功貢獻率

400 m障礙是我軍傳統特色軍事體育項目，是為適應戰時可能遇到類似天然障礙，在軍事訓練中專門模擬制作的一套由不同規格障礙組成的障礙群[1]。該訓練科目由跑、跳、攀、爬、抓、拉、撐、吊越、跨越等若干技術動作構成，其中臂撐攀越高墻動作具有很強的實戰針對性。研究臂撐攀越高墻關鍵技術動作相關肌群的工作特征，對提高通過障礙物的能力具有重要作用。多年來，我軍軍事基礎教育訓練專家和教員均致力于400 m障礙的教學訓練與科研工作，但目前大部分研究仍停留在經驗總結層面，相關結論缺乏客觀實驗數據支撐，且研究思路較單一，研究設備相對落后。本研究采用目前國際上較為先進的表面肌電 (Surface Electromyography, sEMG)遙測技術，結合運動環節的解剖學動作分析法，通過定性分析與定量測試相結合的方法，測試、分析400 m障礙臂撐攀越高墻關鍵發力環節主要原動肌群sEMG信號的工作特征，以期為該技術動作診斷和修正與之相關的肌肉訓練方法改進提供相應的理論依據。

1 研究對象與方法

1.1研究對象

選取某軍校“精武杯”比賽中400 m障礙成績在1 min55 s內且技術動作標準的男性學員7名，身體健康，無重大疾病史。平均年齡(21.86±1.07)y，平均身高(174.86±4.88)cm，平均體重(64.12±5.15)kg。

1.2測試方法

1.2.1 測試肌群的確定

根據技術動作要領和肌肉工作解剖學特征，以及sEMG設備的可測性和易測性原則，分別選擇上肢肌群、軀干肌群和下肢肌群中20塊肌肉進行測試。

根據上墻階段的技術動作特點分析，用于測試的相關上肢肌群和軀干肌群(除腹直肌外)左、右側技術動作一致，因此選擇右側進行測試；而左、右側下肢技術動作不同，因此分別對左、右側相關下肢肌群和左、右側腹直肌進行測試。

根據肌電儀8通道測試能力，最終將20塊肌肉分三次進行測試。第一次(右側)：三角肌、肱二頭肌、肱三頭肌、屈腕肌、伸腕肌、斜方肌、背闊肌、胸大肌；第二次(右側)：腹直肌、臀大肌、股四頭肌、繩肌、脛前肌、腓腸肌；第三次(左側)：腹直肌、臀大肌、股四頭肌、繩肌、脛前肌、腓腸肌；

1.2.2 儀器設備與表面電極安放

使用美國產8通道DELSYS Trigno Lap全無線sEMG測試系統進行sEMG信號采集(見圖1)。信號采樣頻率為2000 Hz，輸入阻抗小于10 GΩ，噪聲水平小于0.75 μv，帶通濾波設置為(20～450)Hz。影像采集設備使用深圳市金揚世紀科技發展有限公司生產的高清攝像頭與計算機進行同步對接。

圖1 無線sEMG測試系統

測試前剃去測試肌肉部位體毛，用細砂紙和75%的酒精棉球對電極安放位置進行去脂處理，以減少皮膚電阻對sEMG信號的干擾。將電極模塊貼于被測肌肉肌腹隆起最高點處，電極模塊上指示箭頭與肌纖維方向一致，并用醫用膠布固定。

1.2.3 測試指標選取

1)原始肌電圖

原始肌電圖是由電極直接采集不經處理的肌電信號記錄結果，可直接評定肌肉是否被激活、肌肉做功的時程長短、肌電活動的強度以及肌肉間的協調模式等[2]。打開同步采集分析程序，選擇信號分析8.0直接提取。

2)iEMG和iEMG%

對肌電圖的肌電變化曲線與時間橫軸間所包繞面積進行積分，求得積分肌電值(iEMG，單位為μV.S)。iEMG可反映所選時間段內肌肉的肌電活動強弱程度，在一定程度上體現了肌肉在整個活動過程中用力的大小[3]。

在A-C段，計算某一塊測試肌肉iEMG值占參與該動作的全部測試肌肉的iEMG總值百分比，即為該塊肌肉的做功貢獻率(iEMG%)；iEMG%可反映所測肌肉在完成該動作中所占的比重[4，5]。

1.3數據處理與統計學分析

sEMG數據處理采用北京世紀天鴻公司在Labview環境下開發的Capture視頻同步分析軟件。由于每名實驗對象每次測試的時間不同，因此使用MATLAB軟件首先對不同實驗對象的每一次測試時間t1，t2，t3，……ts進行最大歸一化處理，即

2 研究結果

2.1技術動作要領和關鍵發力環節分析

跑至高墻前約1 m處，一腿蹬地起跳，另一腿屈膝上抬，以前腳掌向前下蹬踏墻中部，借力用兩手攀住高墻上緣，將身體撐上高墻。同時起跳腿迅速屈膝上抬，用膝部或小腿內側掛于高墻上緣，身體迅速上翻，上體隨即下潛，起跳腿異側手換握(手指向后)高墻上緣，同側手下移并推墻壁，兩腿翻過墻頂，兩腳先后著地，使身體轉向跑進方向，繼續跑進(見圖2)[1]。實驗對象統一采用左腳蹬地起跳，右腳踏高墻中上部，臂撐攀越高墻的技術動作。

其中，上墻階段，即起跳腿發力蹬地，另一腿迅速擺動以前腳掌向前下蹬踏墻中部，同時借助向上的用兩手拉、撐攀住高墻上緣，將身體撐上高墻，迅速掛腿翻上高墻是完成障礙物的關節技術環節，期間的每一個發力動作均是臂撐攀越高墻的關鍵發力環節。

2.2 sEMG測試的動作節點與階段劃分

圖2 臂撐攀越高墻技術動作圖示

如圖2所示，圖A：左腳在前準備蹬地起跳，右腳在后準備離地上擺踏板，雙臂準備上舉拉墻；圖B：雙手拉住高墻上緣，右腳踏上高墻中上部，左腿懸空準備掛腿；圖C：雙臂將上體撐上高墻，左腿掛上高墻上緣，準備俯身下潛。A-C為完整上墻階段。

2.3上墻階段右側三角肌、肱二(三)頭肌、屈(伸)腕肌、斜方肌、背闊肌和胸大肌的原始肌電圖、iEMG與iEMG%測定結果

原始肌電圖測試結果顯示(見圖3)，在整個上墻階段肌肉發力順序依次為：三角肌、肱三頭肌率先同步發力，隨后肱二頭肌、屈腕肌逐漸發力，接著依次為斜方肌、伸腕肌、胸大肌、背闊肌。從振幅特點可以觀察到(見圖3)，肱二頭肌和屈腕肌的激活程度最大，sEMG振幅最明顯；伸腕肌、斜方肌在B點附近集中發力，其它時間點sEMG活動較弱；三角肌、背闊肌在B-C段sEMG活動幾乎同時突然消失；肱三頭肌在A-C前半段保持高頻小幅震動，隨后sEMG活動減弱；胸大肌sEMG振幅不明顯且不連續，但始終可以記錄到sEMG活動。各肌群在B-C段的sEMG活動整體水平高于A-B段。iEMG與iEMG%順序從大到小依次為：肱二頭肌、屈腕肌、肱三頭肌、斜方肌、三角肌、胸大肌、伸腕肌、背闊肌(見表1)。

表1 墻階段各肌群的iEMG與iEMG%(n=7)

圖3 上墻階段右側三角肌、肱二(三)頭肌、屈(伸)腕肌、斜方肌、背闊肌和胸大肌原始肌電圖

2.4上墻階段右側腹直肌、臀大肌、股四頭肌、繩肌、脛前肌和腓腸肌的原始肌電圖、iEMG與iEMG%測定結果

原始肌電圖測試結果顯示(見圖4)，在整個上墻階段肌肉發力順序依次為：股四頭肌和脛前肌率先同步發力，隨后是繩、肌腓腸肌、臀大肌、腹直肌。從振幅特點可以觀察到脛前肌的sEMG振幅最大，分別在A-B段和B-C段出現兩次峰值；臀大肌被激活的程度最小，僅有幾個間斷性的小幅度瞬間發力記錄；股四頭肌處于持續的發力狀態，全程保持小幅度高頻震動；腹直肌和腓腸肌在B-C段的sEMG活動較A-B段活躍，前者在接近B點處被激活，后者在B-C段中后期sEMG活動消失。各肌肉的sEMG振幅峰值均出現在B點附近。iEMG與iEMG%順序從大到小依次為：脛前肌、股四頭肌、繩肌、腓腸肌、腹直肌、臀大肌(見表1)。

2.5上墻階段左側腹直肌、腓腸肌、股四頭肌、繩肌、脛前肌和臀大肌的原始肌電圖、iEMG與iEMG%測定結果

原始肌電圖測試結果顯示(見圖5)，在整個上墻階段肌肉發力順序特點為：除腹直肌外，臀大肌、股四頭肌、繩肌、脛前肌、腓腸肌幾乎同步被激活。從振幅特點可以觀察到(見圖5)，腹直肌在B-C段激活程度較高，出現明顯的大幅度sEMG活動；臀大肌sEMG活動微弱，在B-C段逐漸消失；股四頭肌和脛前肌在A-C段兩端sEMG活動較中間明顯；繩肌在整個動作過程中處于持續的發力狀態，但sEMG活動強度較弱；腓腸肌在A-B段sEMG活動明顯、隨后持續較長時間的小幅震動直至消失。iEMG與iEMG%順序從大到小依次為：腹直肌、腓腸肌、股四頭肌、繩肌、脛前肌、臀大肌(見表1)。

圖4 上墻階段右側腹直肌、臀大肌、股四頭肌、繩肌、脛前肌和腓腸肌原始電肌圖

圖5 上墻階段左側腹直肌、臀大肌、股四頭肌、繩肌、脛前肌和腓腸肌原始肌電圖

3 分析與討論

3.1臂撐攀越高墻上墻階段，右側三角肌、肱二(三)頭肌、屈(伸)腕肌、斜方肌、背闊肌和胸大肌sEMG特征分析

肌電圖的振幅可反映運動中肌肉募集的運動單位數量和肌肉的激活程度；振幅越明顯表明參與工作的運動單位數量越多，肌肉激活程度越高，肌肉收縮力量越大[6]。結合技術動作要領和sEMG測試結果分析，在A-B段，當受試者雙手拉住高墻上緣時(近B點)，為使身體靠近高墻，三角肌前部纖維遠固定完成向心收縮，使肩關節積極向上臂靠攏；肱二頭肌遠固定完成持續的大幅度向心收縮，使上臂積極快速向前臂靠攏；屈腕肌群完成遠固定的向心收縮，屈腕和屈肘，使雙手扣緊抓牢，幫助上體靠近墻體；斜方肌完成遠固定向心收縮，使脊柱固定；背闊肌和胸大肌在上肢過度前屈拉墻固定后，起到固定肱二頭肌附著點的作用；肱三頭肌和伸腕肌群協同發力，起到固定關節，提高動作穩定性的作用。表明，在A-B段上肢和軀干肌群的主要作用是克服自身重力收緊軀干，通過三角肌、肱二頭肌、屈腕肌群和斜方肌的收縮拉近上體與墻壁的距離。提示，在臂撐攀越高墻的教學訓練中，應注重身體靠近墻體技術動作和發展上肢屈肌群力量的練習。

在B-C段，身體靠墻后雙臂由拉轉為撐起，此時肱二頭肌、屈腕肌、肱三頭肌、斜方肌、三角肌和伸腕肌仍有明顯的sEMG記錄，對照同步采集視頻分析，在雙臂由拉完全轉為撐起后，各肌群sEMG活動逐漸減弱，上肢和軀干肌群進入到協同固定支撐階段。

在對肌肉發力特點進行定性分析的基礎上，利用Capture視頻同步分析軟件對原始肌電圖進行處理，計算出iEMG，確定肌肉在該段時間內的發力大小和iEMG%，定量描述肌肉發力水平。在A-C段，上肢和軀干肌群的iEMG與iEMG%排序由大到小依次為：肱二頭肌、屈腕肌、肱三頭肌、斜方肌、三角肌、胸大肌、伸腕肌、背闊肌(見表1)。提示，應以發展肱二頭肌和屈腕肌的力量為主要目標，平衡發展肱三頭肌、斜方肌、三角肌、胸大肌、伸腕肌和背闊肌的力量。

3.2臂撐攀越高墻上墻階段，右側腹直肌、臀大肌、股四頭肌、繩肌、脛前肌和腓腸肌sEMG特征分析

在A-B段，右側下肢的主要任務是上擺踏上高墻中上部。在右腿上擺時，股四頭肌近固定完成向心收縮，使大腿在髖關節處屈；繩肌和腓腸肌近固定完成向心收縮，使小腿在膝關節處屈；脛前肌近固定完成向心收縮，使足在踝關節處背屈。此時，原始肌電圖記錄到股四頭肌、繩肌、脛前肌和腓腸肌均有明顯的sEMG活動(見圖4)。提示，此時勾腳、收緊小腿、積極前擺大腿，是下肢獲得動能的關鍵環節。

在B-C段，當右腳踏上高墻開始向上蹬伸時，股四頭肌、脛前肌和腓腸肌均在B點附近出現sEMG振幅峰值(見圖4)。此時，股四頭肌遠固定完成向心收縮，克服自身重力使大腿在膝關節處伸；腓腸肌和繩肌遠固定完成向心收縮，克服自身重力使膝關節伸直；脛前肌遠固定完成向心收縮，拉小腿在踝關節處向前，幫助蹬伸；同時，腹直肌持續收縮，表明臂撐階段有明顯的收腹動作。

在A-C段，下肢肌群和腹直肌的iEMG與iEMG%排序由大到小依次為：脛前肌、股四頭肌、繩肌、腓腸肌、腹直肌、臀大肌(見表1)。其中，脛前肌的iEMG值和iEMG%數據表現最為突出；提示，在臂撐攀越高墻的教學訓練中，應注重對擺動蹬踏墻體一側腓腸肌的力量訓練。

3.3臂撐攀越高墻上墻階段，左側腹直肌、臀大肌、股四頭肌、繩肌、脛前肌和腓腸肌sEMG特征分析

在A-B段，左側下肢的主要任務是蹬地起跳。此時，臀大肌遠固定完成向心收縮，拉動大腿向后蹬伸；股四頭肌遠固定完成向心收縮，使大腿在膝關節處伸；繩肌和腓腸肌遠固定完成向心收縮，使膝關節伸直；脛前肌遠固定完成向心收縮，拉小腿在踝關節處向前。隨后左側下肢騰空，sEMG活動減弱、消失。在B-C段的掛腿環節，腹直肌和股四頭肌出現明顯的sEMG活動，此時積極收腹、收腿。

在A-C段，下肢肌群和腹直肌的iEMG與iEMG%排序由大到小依次為：腹直肌、腓腸肌、股四頭肌、繩肌、脛前肌、臀大肌(見表1)。由于蹬地起跳是瞬間發力動作，因此在教學和訓練過程中應注重發展起跳腿肌群的快速力量。

臂撐攀越高墻是由上下肢協調完成的技術動作，但從原始肌電圖中可明顯觀察到，在上墻階段上肢屈肌群sEMG整體活躍程度要大于下肢肌群sEMG的整體活躍程度，說明此時上肢屈肌群的發力水平要高于下肢肌群。提示，在臂撐攀越高墻的教學訓練中，應注更重發展上肢屈肌群的肌肉力量。

4 結論與建議

4.1結論

上肢和軀干肌群的發力順序為：三角肌、肱三頭肌率先同步發力，隨后肱二頭肌、屈腕肌逐漸發力，接著依次為斜方肌、伸腕肌、胸大肌、背闊肌；擺動蹬踏墻體一側下肢肌群和腹直肌的發力順序為：股四頭肌和脛前肌率先同步發力，隨后是繩肌、腓腸肌、臀大肌、腹直肌；蹬地起跳一側下肢肌群和腹直肌的發力特點為：除腹直肌外，臀大肌、股四頭肌、繩肌、脛前肌、腓腸肌幾乎同步被激活。iEMG和iEMG%從大到小依次為：上肢和軀干肌群(肱二頭肌、屈腕肌、肱三頭肌、斜方肌、三角肌、胸大肌、伸腕肌、背闊肌)；擺動蹬踏墻體一側下肢肌群(脛前肌、股四頭肌、繩肌、腓腸肌、腹直肌、臀大肌)和腹直肌；蹬地起跳一側下肢肌群(腹直肌、腓腸肌、股四頭肌、繩肌、脛前肌、臀大肌)和腹直肌。

4.2建議

在臂撐攀越高墻教學訓練中，應注重上體靠近墻體的技術動作練習和擺動蹬踏墻體一側下肢勾腳、收緊小腿、積極擺動大腿的關鍵發力動作練習；注重發展上肢屈肌群的力量，以發展肱二頭肌、屈腕肌力量為主要目標，平衡發展肱三頭肌、斜方肌、三角肌、胸大肌、伸腕肌、背闊肌的力量；注重對擺動蹬踏墻體一側腓腸肌的力量訓練；注重發展起跳腿肌群的快速力量。

[1] 林建棣,包瀛春,陳南生，等.軍事體育(下冊)[M].北京:國防工業出版社,2012：95—96.

[2] 李玉.表面肌電在體育中的應用[M].上海:復旦大學出版社,2015：59—60.

[3] 曲峰.運動員表面肌電信號與分形[M].北京:北京體育大學出版社,2008：4—5.

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[6] 喬柱.遞增負荷下短跑運動員全蹲時臀部肌肉與股二頭肌表面肌電變化特征研究[J].沈陽體育學院學報，2011,30(4):78—81.

TheTelemetryandAnalysisoftheKeyMuscleGroupthatFunctionswhileCrossing400mObstacleHighWall

WU Xiao-nan，ZAN Lei，SUN Bo-wen

(Xi′an Communication Institute of PLA,Xi′an 710106, China)

Objective: The purpose of this essay is to study the sEMG working characteristics of the surface electromyography in the key muscle group that function while crossing 400 m obstacle high wall. Methods: This essay tests and analyzes the original electromyography, iEMG and iEMG% in seven male cadets who did quite well in crossing 400 m obstacle wall by using the analysis method of the sEMG telemetering technique and anatomy combined with Semg synchronal video collecting data. Results: The order of muscle in the upper limb and trunk that function is: toid and triceps brachii; the followed by biceps brachia and flexor wrist muscles, trapezius, extensor wrist muscles, pectoralis major, latissimus dorsi.The order of muscle force while swinging side′s muscles of upper limb and rectus abdominis is that the first is quadriceps femoris and anterior tibial and the second is hamstring, gastrocnemius, gluteus maximus, rectus abdominis. The function characteristic of jumping side′s muscles of upper limb and rectus abdominis is that all the muscles generate their force at the same time except rectus abdominis. The iEMG and iEMG% order from large to small is: muscles of upper limb and muscles of trunk(biceps brachii, flexor wrist muscles, triceps brachii, trapezius, deltoid, pectoralis major, extensor wrist muscles, latissimus dorsi); Swing one side muscles of lower limb and rectus abdominis(anterior tibial, quadriceps femoris, hamstring, gastrocnemius, rectus abdominis, gluteus maximus); Jump another side′s muscles of lower limb and rectus abdomini(rectus abdominis, gastrocnemius, quadriceps femoris, hamstring, anterior tibial, gluteus maximus).

400m obstacle; sEMG; original electromyography; iEMG; iEMG%

G804.6

A

1671-1300(2017)03-0079-06

2017-03-25

吳瀟男(1983—)，女，河南洛陽人，講師。研究方向：運動人體科學與軍事體育訓練。