優秀橄欖球運動員側切跑的下肢肌電特征

魯智勇 ，普江艷 *，解 強 ，李 偉，劉 卉 ，李國平

橄欖球是一項身體對抗激烈、運動技巧繁多，并要求參與者具有頑強的品質，同時具有極強的觀賞性的團體運動。前交叉韌帶（anterior cruciate ligament，ACL）損傷是橄欖球運動員常見的運動損傷之一（Fuller et al.，2009）。研究表明，前交叉韌帶損傷與突然改變方向的運動，諸如側切跑等技術動作有關（O’Rourke et al.，2007）。有研究指出，運動員在正常的側切跑動作中，腘繩肌和股四頭肌的神經肌肉控制和強度比率等指標被認為是矢狀面損傷機制的重要因素（Gudmundsson et al.，2004）。橄欖球運動員側切跑技術速度快、強度大、參與動作的下肢肌肉多，較多的肌肉參與維持膝關節在矢狀面、冠狀面及水平面的穩定性，而在側切跑動作的運動周期中，從落地瞬間至足部離開地面的支撐階段，此階段各關節應力較大，是損傷的高發階段。神經肌肉控制力、肌肉平衡對人體結構與功能的穩定極為重要。對于側切跑運動，高效的神經肌肉控制系統可有效協調各個肌肉、肌群的配合協調工作，發揮肌肉的最大功效，保護關節，同時增加其運動表現。同時，下肢的肌肉失衡一方面造成相應的肌肉激活不足；另一方面，過度緊張的下肢肌肉的過度激活也可造成肌肉間或者肌肉內失衡。因此，合理的肌肉比例可以有效預防膝關節的損傷。

本研究通過對專業橄欖球運動員側切跑過程中的下肢肌電特征進行研究，探尋側切跑中男、女運動員各項肌電指標的差異。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

研究對象為男、女橄欖球運動員共26名（表1），均為健將級運動員。其中優秀女運動員（EF）14人，優秀男運動員（EM）12人。

表1 研究對象的基本情況Table 1 Basic Information of the Research Object

研究對象納入標準：1）均為國家男、女橄欖球隊隊員；2）研究期間應處于常規訓練狀態，排除3個月以上未參加訓練的運動員；3）所有隊員測試均為優勢側，無膝關節相關手術史；4）無任何影響其完成測試動作的相關疾病；5）簽署知情同意書。

1.2 實驗儀器與測試方法

1.2.1 表面肌電測試系統

實驗中，使用8通道NORAXON無線肌電系統對運動員進行實時的肌電采集（TeleMyo 900，USA Inc）。采樣頻率為1 000 Hz，A/D變頻器±5 V輸入范圍，帶寬為30～500 Hz，無陷波器。

1.2.2 肌電測試方法

被試采用側切跑動作進行測試，采集運動周期內的相關數據與實驗資料。生物力學實驗室的平均溫度控制在26℃。

實驗前告知受試者注意事項，穿戴平日訓練用鞋、緊身運動衣。將起跳腿定義為受試者的優勢腿，并記錄受試者基本情況。依據身體解剖定位，貼好電極片與標記點。本研究中，研究對象優勢側均為右側。

實驗時，標定空間為測力臺上方長2.75 m×寬2.25 m×高2.4 m的范圍。調試所有測試儀器，依據海倫海耶斯模型（張美珍，2012）進行反光標志點的粘貼，紅外反光標志點用固定膠帶粘貼于體表，并用繃帶進行外固定防止標志點脫落。測試前每位運動員進行至少與運動任務相似的3次預熱準備活動，以減少測力臺對運動員的影響。

圖1 采用EMG肌電測試系統進行測試Figure 1. Testing by EMG Test System

側切跑動作定義：受試者距離測力臺8 m處進行助跑，當還有一步左右距離到達測力臺時，側切跑準備，以優勢腿為支撐腿，身體迅速變向沿原運動方向的左前45°方向繼續奔跑，向前2～3步后結束動作。要求受試者發揮自己最大的能力，完成測試。測速控制在5.2±0.5 m/s范圍以內。受試者分別進行有關注和無關注的兩種情境下的直線跑、45°（45°±5°）變向跑，直至其成功完成 3次測試動作，即完成無關注下的45°側切跑。

首先采集測試肌肉的最大主動等長收縮（maximum voluntary contraction，MVC）的肌電圖數據。在貼敷電極前，首先清潔皮膚表面，以防止造成信號干擾與皮膚損傷。測試前要求所有阻抗必須低于3 000 Ω，將直徑1 cm，間距為1.5 cm的成對電極貼放于優勢側膝關節，所有電極片均平行于肌纖維放置，電極的貼敷位置參照肌電系統配套軟件的推薦及相關研究（表2）。正式測試前，向受試者詳細說明動作要求，要求受試者做到熟練掌握，同時進行適當的下肢關節準備活動。

表2 測試肌肉表面肌電電極片放置解剖位置（Xie et al.，2013）Table 2 Anatomical Position of Electrode Placement for Testing Muscle Surface EMG

MVC測試：股四頭肌在David訓練系統上進行抗阻伸膝測試。股后肌群測試時，由測試人員配合做抗阻動作，運動員抗阻屈膝完成。腓腸肌MVC測試通過提踵對抗雙肩的負重動作來完成，所有MVC持續5 s，做3次，每次間隔10 s。以避免肌肉疲勞。所有測試在實驗實施者節拍指令下完成。

1.3 數據分析及處理

1.3.1 動作周期的劃分

本實驗所有數據來自處于側切跑動作的支撐階段，即足部落地時刻到足部離開地面這一階段。根據相關的研究（Dempsey et al.，2009），非接觸性的前交叉韌帶損傷通常發生在這一階段的早期。

1.3.2 肌電指標的處理

采用Noraxon MRXP 1.06軟件對肌電信號進行處理。為了減小系統誤差的影響，采用單位時間內MVC%進行標準化處理，定義側切跑動作的每一肌肉的MVC%的平均值和標準差（李玉章，2015）。最大振幅（maximum amplitude mar，MAR），積分肌電值（integrated electromyogram，IEMG）都采用最大收縮的百分比表示。

收集各受試動作肌肉原始肌電，取3次有效測試數據。測試指標如下：1）準確標記動作起止時間。2）肌肉肌電活動貢獻率；3）各測試動作時肌肉活動的最大振幅均值占MVC的百分比；4）共同收縮指數。

1.3.3 數據分析

所有數據統計學分析使用SPSS 22.0軟件。正態分布計量數據用（M±SD）表示，兩樣本比較方差齊性時采用獨立樣本t檢驗，方差不齊采用校正t檢驗。

2 研究結果

2.1 肌肉貢獻率

側切跑動作的動作周期中，肌肉貢獻率為肌肉積分肌電值占所測肌肉總值的百分比。本實驗7塊肌肉的貢獻率結果由表3所示，EF組按照貢獻率大小排序依次為：股四頭肌內側頭、外側腘繩肌、腓腸肌內側頭、內側腘繩肌、股四頭肌外側頭、股直肌、腓腸肌外側頭；EM組排序依次為：外側腘繩肌、股四頭肌內側頭、腓腸肌內側頭、內側腘繩肌、股四頭肌外側頭、股直肌、腓腸肌外側頭；兩者的排序差別主要是股內側肌與內側腘繩肌。支撐階段，EF組與EM組的肌肉貢獻率基本一致，但是股內側肌組間貢獻率有顯著性差異（P＜0.05）。

表3 男、女橄欖球運動員側切跑動作周期中各肌肉貢獻率Table 3 The Main Muscle Contribution Rate of Male and Female Rugby Players in Side-Cut Runnnig Cycle

2.2 肌肉的表面肌電（surface electromyogram，SEMG）

EF組與EM組的股直肌、股內側肌、腓腸肌內外側最大的肌電活動MVC%均值存在顯著性差異（P＜0.05，表4）。女橄欖球運動員的股直肌、股內側肌、腓腸肌內外側頭的肌電活動高于男橄欖球運動員。

表4 橄欖球運動員肌肉肌電最大振幅均值占MVC比例Table 4 Average Maximum Amplitude to MVC Ratio of Muscles of Rugby Players

2.3 肌肉SEMG變化

側切跑動作周期中，在支撐階段，EF組、EM組在側切跑動作狀態下，肌肉的肌電變化如圖2所示，各組間曲線存在顯著差異。側切跑動作中，股直肌的肌電活動程度不高，EF組和EM組的RF的肌電變化曲線存在差異。股四頭肌外側頭和股四頭肌內側頭的肌電變化曲線顯示，兩組的MVC%數值較大，肌肉激活程度較高。外側腘繩肌、內側腘繩肌肌電變化曲線顯示，兩組的MVC%數值較小，肌肉激活程度較低，在運動周期的30%階段，出現運動的峰值，在運動中，兩組的MVC%數值差異不大。腓腸肌外側頭肌電變化曲線顯示，兩組MVC%數值差異不大，肌肉激活程度較高，腓腸肌內側頭的MVC%數值波動較大，肌肉激活程度較高，在運動周期的40%階段，出現運動的峰值，在運動中，兩組的MVC%數值差異不大。

圖2 肌肉的肌電變化Figure 2. SENG Changes in Muscles

2.4 共同收縮指數

從表5可以看出，EF組與EM組的腘繩肌/股四頭肌、腓腸肌外側頭/外側腘繩肌共同收縮指數存在顯著性差異（P＜0.05），EM組的腘繩肌/股四頭肌、腓腸肌外側頭/外側腘繩肌共同收縮性能高于EF組。

表5 橄欖球運動員各肌群的共同收縮指數比較Table 5 Comparison of Contrtraction Index of Rugby Players

3 分析與討論

3.1 肌肉貢獻率分析

積分肌電在一定程度上反映了肌肉在各個動作階段的放電總量，體現的是肌肉總的激活和募集程度。想要進一步深入分析動作階段中哪些肌肉起到主要作用，就需要用肌電活動的貢獻率來分析（Shiavi et al.，2011）。肌電活動貢獻率也叫作肌肉負荷百分比，指的是在動作過程中，各塊肌肉激活狀態下的積分肌電值占所有肌肉激活狀態下積分肌電總和的百分比，是評價肌肉協調性的一個重要指標（Dempsey et al.，2009）。從貢獻率情況可見肌肉發力主次關系比較明顯，一般情況下，下肢肌肉前群占主導，拮抗肌作用相對較小。前側肌群積極發力為該動作的主動肌，后側肌群則配合前側起緩沖作用。

本研究顯示，男、女橄欖球運動員側切跑測試動作中，肌肉的貢獻率基本一致，唯一的差別是排序前兩位的股內側肌與內側腘繩肌。女橄欖球運動員肌肉貢獻率最高的是股內側肌，而男橄欖球運動員肌肉貢獻率最高的是內側腘繩肌，雖然貢獻率排序有差別，但是內側腘繩肌的貢獻率，卻未見明顯差異，分析其原因主要是女橄欖球運動員的前群肌肉貢獻率過高。本研究發現，男、女股內側肌組間貢獻率有顯著性差異，說明側切跑的動作周期中，女橄欖球運動員主要激活前群的股內側肌，過于強大的股內側肌一方面容易導致內外肌肉失衡，另一方面容易導致前后肌群失衡，增加膝關節矢狀面的負荷，導致ACL受力增加。對于男橄欖球運動員來說，內側腘繩肌貢獻率最大，內側腘繩肌的主要作用為伸髖屈膝，與大腿前群肌肉拮抗保持平衡。在男橄欖球運動員側切跑的落地階段，優勢側股二頭肌內側貢獻率明顯大于女橄欖球運動員。此時，起拮抗作用的股二頭肌貢獻率增高，說明該肌肉緩沖作用非常主動，股四頭肌可能存在問題或者肌肉激活足夠使得機體產生保護性抑制（Suzuki et al.，2014）。由此可見，下肢肌肉在特定動作中的貢獻率有其規律，且能反映出運動員下肢功能狀況。本研究結果提示，不同性別的橄欖球運動員完成相同的側切跑動作時，大腿前后肌群貢獻率出現明顯差異，正因為如此，肌肉的貢獻率可以為ACL康復以及損傷預防提供較為精確的評價指標。將這一理論運用到實踐，例如，通過靜動力康復鍛煉股四頭肌可有效提高股四頭肌功能，在訓練過程中可結合股二頭肌一起鍛練。股二頭肌的動作練習，既能使大腿肌群得到平衡發展，又能在練股二頭肌的過程中使股四頭肌得到積極性休息，促進股四頭肌的恢復。所以，在臨床中，可根據下肢肌肉的EMG測試結果監測局部肌肉，針對其不足進行有效康復訓練。

總之，男、女橄欖球運動員在完成側切跑技術的動作周期中，下肢主要肌肉的貢獻率排序基本一致，但是不同肌群的肌肉貢獻率存在差異，提示在接下來的研究中，肌肉貢獻率可以作為一個重要的肌肉狀態指標，應用于臨床肌肉功能評估，也可廣泛用于運動訓練與損傷的臨床康復。

3.2 主要肌肉SEMG分析

本研究結果顯示，在側切跑的動作支撐階段，男、女橄欖球運動員股直肌、股內側肌、腓腸肌內外側頭肌電活動MVC%均值存在顯著性差異，即女橄欖球運動員的腓腸肌內外側頭、股直肌和股內側肌的肌電活動高于男橄欖球運動員。

首先討論一下腓腸肌的肌電活動。支撐階段，男、女運動員的腓腸肌肌電活動存在顯著差異性。在此之前，鮮有研究或文獻資料報道側切跑的落地階段，腓腸肌的肌電活動存在性別差異。本研究發現，在支撐階段的早期到中期，女橄欖球運動員有著更大的肌肉激活，而且腓腸肌外側頭的激活程度大于腓腸肌內側頭。腓腸肌的肌肉激活，對于維持側切跑技術中，下肢遠端的穩定性尤其重要（Hershman et al.，2012）。整個支撐階段，男橄欖球運動員的腓腸肌內外頭的激活也是外側頭大于內側頭。腓腸肌激活規律的發現，對于在側切跑的動作完成中，如何改善下肢肌肉發力模式具有重要的意義。掌握了激活規律，對于康復訓練預防以及損傷后康復，具有重要的臨床意義。

其次，除了腓腸肌內外側頭肌肉的激活，女橄欖球運動員的股直肌的激活程度也大于男橄欖球運動員，兩者之間存在明顯差異。研究發現，股直肌的激活程度，女性運動員要高于男性運動員，分析其原因，從股直肌的解剖結構上分析，股直肌的激活程度較高更大程度上是為了更好地控制髖關節而不是膝關節。股直肌的激活程度高，減少了屈髖角度和屈髖力矩，導致膝關節矢狀面的剪切力增加，從而導致ACL損傷風險增高，所以在30°以內的膝關節屈曲角度下，股直肌的屈膝功能將加大ACL的損傷風險。

本研究發現，股內側肌的肌電活動也有著明顯的性別差異。比較Malinzak等（2001）的實驗結果，他們針對20名女足運動員進行了相同的實驗，在5 m/s的情況下發現，女子橄欖球運動員的股四頭肌外側頭與股四頭肌內側頭在完成側切跑的動作周期中，她們的肌肉激活比率超過男子橄欖球運動員。雖然與本研究結果有所差異，但是從測試數據來看，女子運動員的股四頭肌外側頭、股四頭肌內側頭肌肉激活大于男子運動員，股四頭肌外側頭指標無統計學意義，股四頭肌內側頭指標有顯著差別。分析其原因，需要考慮橄欖球運動項目特征在該實驗中是否具有關聯性，橄欖球運動員是否存在股四頭肌內外側的肌力不平衡，值得進一步探索。另外，Sigward等（2006）的研究進一步指出，更大的股四頭肌外側頭活動是在動作周期的早期與本研究結果一致，而股四頭肌內側頭活動則稍晚。這些研究結果提示，大腿前群肌肉肌電活動存在性別差異，如何改善其相關指標，將會是以后研究需要深入探討的問題。

本研究未發現腘繩肌的肌電活動存在明顯性別差異，這一結果與Sigward等（2006）的研究結果一致。Malinzak等（2001）報道了腘繩肌肌肉激活存在性別差異，這種差異主要發生在動作周期的準備階段，在側切跑、繞切、直線跑等技術動作中，直線跑的表現最為明顯。研究結果存在差異，考慮主要是選取的研究對象不同，還有運動速度、有無關注、被試的熟練程度也會影響測試的結果。Sigward等（2006）研究中選擇的是優秀運動員，而Malinzak等（2001）研究中選擇的是業余運動員，本研究選取的人群更為復雜，交織著兩種不同人群。根據分析，膝關節屈曲大于30°時，收縮腘繩肌可以降低ACL的損傷率，因為其可以減少ACL的受力，維持膝關節的穩定，減少膝關節的脛骨前移。側切跑著地時，腘繩肌的功能下降對于ACL是一個潛在的風險因素。雖然目前還沒有足夠的證據證明側切跑動作周期中，腘繩肌的肌電活動存在性別差異，但是本研究發現，在男橄欖球運動員中，存在著內外側腘繩肌的肌力不平衡現象，而女橄欖球運動員中則表現得不太明顯。從肌電活動的曲線上，可以觀察到在男子橄欖球運動員中，外側腘繩肌的激活程度大于內側腘繩肌，出現的時間在運動周期的中段，恰恰此時膝關節經歷了一個較大的髖關節內收旋轉、屈曲力矩。所以，此時腘繩肌內外側肌的肌力不平衡反而會幫助男子運動員做側切跑時，更為有效，或者可以更加有力地保護膝關節，可以產生更有效的對抗一個更大的屈伸、內收、旋轉力矩，主要表現為男子運動員外側的腘繩肌的肌肉激活更為明顯，有助于增加后外側的肌力平衡。膝關節的后外側有復合體這一組織結構，通常情況下，當ACL損傷時，后外側復合體極易產生損傷，這也佐證了以上的分析。

3.3 共同收縮指數分析

肌肉的共同收縮又稱協同收縮、共同作用，即主動肌與拮抗肌或協同肌在特定時間段內同時激活，共同收縮是反映拮抗肌與主動肌肌肉相互協調性的指標，這種肌肉間的協同工作關系是影響肌肉收縮力量的主要因素之一（Hewett et al.，2006）。另外有學者提出，共同收縮可以提高關節剛度（Sigward et al.，2006）。肌肉共同收縮指數的計算公式為拮抗肌的積分肌電圖面積/主動肌的積分肌電面積（Hewett et al.，2006；Lloyd et al.，2005）。依據此定義，共同收縮指數是重要的描述肌肉功能的指標。

本研究結果顯示，男橄欖球運動員的腘繩肌/股四頭肌、腓腸肌外側頭/外側腘繩肌共同收縮性能高于女子橄欖球運動員。共同收縮指數作為反映拮抗肌與主動肌相互協調性的指標，在保護關節、維持穩定方面具有重要作用。腘繩肌/股四頭肌比值，在防止ACL損傷方面具有重要作用。膝關節矢狀面的穩定性主要依靠大腿前群的股四頭肌和后群的腘繩肌，股四頭肌在膝關節屈曲小于30°時，使脛骨向前增加ACL的拉力；膝關節腘繩肌同時收縮，可以拮抗股四頭肌對脛骨向前的拉力，控制膝關節伸和內收力矩，因此股四頭肌和腘繩肌在維持膝關節矢狀面的穩定性、防止ACL損傷中具有重要作用。運動中，膝關節腘繩肌和股四頭肌的肌肉共同收縮可增加膝關節之間的接觸力，從而抵抗膝關節外翻，同時，如果膝關節內側接觸力減小，必然降低動態活動中對膝關節外翻的保護，同時使股骨內側髁與脛骨平臺間距加大，增加ACL的負荷。諸多的研究證實了以上理論。Lloyd等（2005）指出，股四頭肌內側頭和內側腘繩肌的肌電活動減弱會增加膝關節外翻的可能性，從而增加ACL損傷的風險。神經肌肉的生物力學模型研究發現（Lloyd et al.，2005），股四頭肌和腘繩肌不僅能夠對膝關節矢狀面的穩定性起作用，而且還可以維持冠狀面內外翻的活動。實證研究表明，落地和變向中膝關節接近伸直的狀態下發生膝關節的外翻伴有脛骨的內旋或外旋是導致非接觸性ACL損傷的主要原因（Pasanen et al.，2008.）。為了對抗動態動作中膝關節額外的負荷，存在兩種神經肌肉激活模式（Caplan et al.，2015），一種是選擇性地激活能夠對抗負荷的肌肉；另一種是不加選擇地共同激活能夠維持生物力學穩定的肌肉，這兩種激活模式對于維持膝關節運動過程中在冠狀面上的穩定性尤其重要（Markolf et al.，2005）。因為股四頭肌和腘繩肌能產生內翻或者外翻的力矩，所以股四頭肌和腘繩肌在動態活動中能夠控制膝關節冠狀面的穩定性（Houck，2003；Kim et al.，2016；Patrek et al.，2011；Suzuki et al.，2014）。另外，非接觸性的ACL損傷機制，在矢狀面有著增加的伸肌力矩和更大的股四頭肌肌肉的激活，導致脛骨前移，進而導致ACL損傷（Patrek et al.，2011）。股四頭肌肌電研究已經證實，股四頭肌可增加ACL的受力，腘繩肌可以降低ACL的受力。但是，新的研究觀點認為，除了矢狀面的外旋力矩可以導致ACL韌帶損傷之外，而依據股四頭肌與腘繩肌的肌肉激活模式而建立的模型表明，由其產生的水平剪切應力不足以造成ACL損傷（Dempsey，2009），現在還沒有足夠的證據來證明股四頭肌的激活程度與ACL損傷存在高度相關性，有待進一步研究。綜上所述，股四頭肌和腘繩肌肌肉間協同收縮情況對預防非接觸性ACL損傷和相關損傷至關重要。

男橄欖球運動員的腓腸肌外側頭/外側腘繩肌共同收縮指數高于女橄欖球運動員，下肢近端肌肉和遠端肌肉對于維持下肢水平面的穩定十分重要。有報道指出，下肢前側肌肉與后側肌肉、內側肌肉與外側肌肉、下肢近端與遠端肌肉共同維持側切跑或類似著地動作中膝關節在矢狀面、冠狀面以及水平面的穩定性（Caplan et al.，2015）。特別是臀部肌肉和腓腸肌對于維持落地動作中髖關節、膝關節水平面上的穩定具有重要作用（Carpinelli，2012）。腓腸肌作為肢體遠端肌肉，對于維持肢體下端的肌肉穩定，特別是矢狀面的穩定尤其重要，因此，腓腸肌外側頭/外側腘繩肌的共同收縮指數對于維持肢體遠端的穩定性非常重要。

總之，共同收縮指數作為反映拮抗肌與主動肌相互協調性的指標，在維持穩定方面具有重要作用，可作為評估運動員ACL損傷風險的重要指標。

4 結論

1）橄欖球運動員下肢肌電特點存在顯著的性別特征。側切跑支撐階段，女橄欖球運動員下肢主要肌肉貢獻率大小排序依次為：股四頭肌內側頭、外側腘繩肌、腓腸肌內側頭、內側腘繩肌、股四頭肌外側頭、股直肌、腓腸肌外側頭；男橄欖球運動員肌肉貢獻率大小排序依次為：外側腘繩肌、股四頭肌內側頭、腓腸肌內側頭、內側腘繩肌、股四頭肌外側頭、股直肌、腓腸肌外側頭，其中股四頭肌內側頭的肌肉貢獻率男、女運動員存在顯著性差異。側切跑支撐階段，女橄欖球運動員的股直肌、股四頭肌內側頭、腓腸肌內外側頭肌電活動高于男橄欖球運動員。

2）橄欖球運動員的腓腸肌內外頭、腘繩肌、股直肌的激活規律，對于損傷預防具有重要臨床意義。側切跑動作狀態下，肌肉的肌電變化狀態，男、女橄欖球運動員總體趨勢保持一致，其中，股直肌、腓腸肌內側頭、外側腘繩肌的肌電活動程度不高，男、女橄欖球運動員的股直肌的肌電變化曲線存在差異，股四頭肌內側頭、外側腘繩肌、股四頭肌外側頭、腓腸肌外側頭的肌電活動程度較高。

3）腘繩肌/股四頭肌、腓腸肌外側頭/外側腘繩肌的共同收縮指數、肌電的貢獻率可作為評估運動員ACL損傷風險指標。男橄欖球運動員的腘繩肌/股四頭肌、腓腸肌外側頭/外側腘繩肌共同收縮性能高于女橄欖球運動員。

4）女橄欖球運動員的膝關節ACL損傷風險高于男橄欖球運動員。