下肢肌肉形態與自由式滑雪空中技巧運動員平衡穩定的相關性研究

程宇琦，王 新

自由式滑雪空中技巧項目是我國冬奧會雪上優勢技巧類項目，需要較高的平衡能力來控制落地穩定性。以2018年平昌冬奧會自由式滑雪空中技巧項目為例，運動員落地動作失誤率達到28.17%，直接影響了比賽成績。所以，運動員的平衡能力研究一直是自由式滑雪空中技巧項目的研究重點。

站立姿勢一直是平衡研究的主要方式，早期研究認為，在支撐面固定且平衡干擾較小的情況下主要由踝的調節來完成控制（Menz et al.，2015；Winter，1995），由較小的髖關節協同運動所產生的微小擺動就足夠來維持在內/外側方向上的平衡。當站立寬度變窄時，側方穩定性的控制主要發生在髖和軀干環節（Gruneberg et al.，2005）。研究進一步指出，前/后方向穩定性是由肢體的遠端向近端傳遞的肌肉反應模式（Fitzpatrick et al.，1994），肌肉活動順序由遠端的腓腸肌開始，側方穩定性則為由近至遠的肌肉反應模式，髖部肌肉先于踝部肌肉被激活。根據壓力重心隨時間間隔變化，計算出人體平衡控制由開環動態穩定性（open-loop control）無感覺系統參與的穩定進入閉環控制機制（closed-loop control）從無感覺系統參與到感覺系統參與轉換時機的判定方法（Collins et al.，1993）。根據這種方法計算人體站立平衡中平衡控制的轉換效率，并將肌肉形態轉換效率做了相關分析（Zhang et al.，2017）。

單腿平衡測試可以更好地檢測運動員平衡的缺陷和骨骼肌損傷（Duclos et al.，2014；Moghadam et al.，2011），尤其是非穩定支撐面單腳站立測試，更適合于技巧類項目運動員的平衡能力測試，雙腿的測試經常不會發現運動員的平衡問題。在考慮各種不平衡的問題時，可通過使用非穩定的支撐面來完成更高的測試。Schmit等（2005）研究對不同平面的平衡能力訓練和測試，發現非穩定平面的平衡訓練比穩定平面的平衡練習可獲得更好的穩定程度，展示出不同平面下訓練的重要性，并確定每個人的平衡表現，找出不同的差異。通過對不同運動員的平衡進行分析（Walsh et al.，2018），發現不同項目具有不同的平衡特點。對雪上運動項目而言，使用穩定的平面和非穩定平面來進行實驗。但單腿平衡測試的缺點是平衡能力不足會代償對支撐平面產生一定的影響，受試者經常會用上肢或者非著地的下肢來糾正已經失去穩定的姿勢。

超聲波測量技術是非介入性測量手段，該測試方式對身體安全，操作方式簡便，并能得到實時反饋。隨著測量精度的提高，近年對骨骼肌肉系統進行超聲波檢測成為研究熱點（Harmon et al.，2010）。李玉章等（2010）綜述了超聲波技術應用中的常用參數及運動條件下的肌肉、腱組織的形態特征，指出肌肉厚度會直接反映肌肉含量。運用超聲對岡上肌厚度進行測量，結果認為超聲測量是一種可靠的方式（Yi et al.，2012），可用于對人體肌肉狀態的評估和判斷。超聲診斷成像技術可以直接、準確地測量肌肉，連續測量具有潛在的實用價值（Young et al.，1980）。Martinson等（1991）也發現，超聲是測量肌肉大小的可靠方式，可用于評估成年人肌肉形態特征。檢查內在和外在肌肉形態可以進一步了解這些肌肉在平衡過程中所起到的作用（Crofts et al.，2014；Guo et al.，2017；Mickle et al.，2013）。本研究的目的，是通過觀察單腿站立情況下，下肢不同肌肉的形態對于平衡能力的影響程度。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以22名自由式滑雪空中技巧國家隊運動員為研究對象（表1）。受試者完成了病史調查問卷，以確定是否存在肌肉骨骼、神經或者其他影響單腿平衡能力的情況，確認所有受試者6個月內下肢都未有損傷。

表1 受試者基本信息Table 1 Basic Information of Participants

1.2 研究方法

1.2.1 實驗過程

為保證測試過程中運動員身體處于無疲勞的放松狀態，測試安排在當天無訓練的調整休息日進行。數據的采集分3個實驗進行，運動員赤腳踩在一個60 cm×90 cm的平衡板上（CSMI，American，Humac Balance）。在第3個實驗過程中，采用Mindary M9便攜式超聲診斷設備，頻率為5～13 MHz，選用高頻線陣探頭，測量肌肉厚度時將線陣探頭與肌肉起止方向平行放置，超聲波測量方法以及測量位置的選擇參考前人研究所采取的測量方法（Angin et al.，2014；Cameron et al.，2008；McKeon et al.，2015）。

實驗1：在穩定平面對運動員進行左、右兩側單腿的平衡測試（Matsuda et al.，2008），每次測試時間為15 s，若有非著地腿落地則重新進行測試，要求運動員盡可能保持平衡。記錄壓力中心（COP）在前后側（anteroposterior，AP）和內外側（mediolateral，ML）的變化。

實驗2：將泡沫墊放在平衡板上使運動員處在一個非穩定的平面對其左、右兩側單腿分別進行測試，測試時間為15 s（Riemann et al.，2017）。測試過程中，要求運動員盡可能保持水平和不動，如果有非著地腿落地則重新進行測試，直到完成實驗。在測試過程中，全程保持安靜，給予運動員相對無聲的環境進行測試，減小噪聲對運動員平衡能力的干擾。要求運動員把手放在臀部，根據標準的測試方案，運動員腳第二跖骨的底部與地板的標記對齊，不允許用非支撐腿觸碰支撐腿。運動員視線目光集中在1個直徑5 cm的白色圓圈上，并避免出現任何其他動作，此圓圈與其視線平行，放置在約3 m外的墻上。2次測試間休息30 s（靜坐休息），整個實驗過程中，運動員雙眼目視前方，保持輕微的髖部和膝關節彎曲，同時將身體保持在一側。

實驗3：在運動員舒適的體位下，用邁瑞便攜式B超測量儀測量運動員雙側下肢對平衡能力具有一定影響的肌肉（股直肌、半腱肌、脛骨前肌），分別采集3塊肌肉的肌肉厚度（Connolly et al.，2015；Gruther et al.，2008）。

1.2.2 數據處理

所有數據分析處理使用SPSS 21.0（SPSS，Chicago，Illinois），結果用平均值±標準差（M±SD）表示，數據通過對組間與組內COP差異進行檢驗，所有測試的概率水平設置0.05為顯著性差異。在進行相關性分析時，通過穩定指數（公式1）與肌肉厚度進行相關性分析（Arnold et al.，1998）。

其中，OSI為穩定指數。穩定指數代表人體在保持平衡狀態下的穩定情況，穩定指數越趨近于0代表平衡穩定情況越好。

2 結果

2.1 穩定平面與非穩定平面下COP變化

平衡測試結果顯示，穩定平面下所有運動員都可以在穩定平面進行站立并達到15 s，運動員都能很好地控制自身平衡，沒有進行二次測試（表2）。男、女運動員穩定平面下ML方向上的COP偏移幅度均顯著大于AP方向（P＜0.05）。

表2 男、女運動員兩次實驗COP變化結果Table 2 Results of COPChanges of Male and FemaleAthletes in Two Experiments

91%的運動員都可以在非穩定平面完成站立15 s的測試，有2名運動員在測試時出現非著地腿落地，進行了重新測試。實驗結果顯示，男、女運動員非穩定平面ML方向COP偏移幅度均顯著大于穩定平面（P＜0.05）；非穩定平面ML方向COP偏移幅度均顯著大于AP方向（P＜0.05）；非穩定平面與穩定平面下AP方向COP偏移幅度均有顯著性差異（P＜0.05）；在不同平面站立的情況下，女運動員的平衡能力高于男運動員。

運動員下肢肌肉測量結果如表3所示，每個運動員都在自己理想的姿勢下進行肌肉形態測量，實驗測量了股直肌、脛骨前肌與半腱肌的肌肉厚度。男運動員股直肌、半腱肌、脛骨前肌3塊肌肉厚度明顯大于女運動員（P＜0.05）。

表3 男、女運動員肌肉形態測量結果Table 3 Measurement Results of Muscle Morphology of Male and FemaleAthletes

如表4所示，男運動員在穩定平面與非穩定平面下的穩定指數均大于女運動員，說明男運動員在兩種平面下的平衡能力均弱于女運動員。

表4 男、女運動員穩定指數Table 4 Stability Index of Male and FemaleAthletes

2.2 肌肉形態與穩定指數

穩定平面與非穩定平面下男、女運動員的平衡穩定指數與肌肉形態數據分布情況如圖1A、圖1B所示，非穩定平面下男、女運動員的平衡穩定指數與肌肉形態數據分布情況如圖1C、圖1D所示，男、女運動員脛骨前肌與平衡能力相關程度較高，股直肌和半腱肌相關程度接近，均低于脛骨前肌。

圖1 穩定平面與非穩定平面男、女運動員肌肉厚度與穩定指數散點圖Figure 1. Muscle Thickness and Stability Index of Unstable Surface in Male and FemaleAthletes

分別對運動員在穩定平面與非穩定平面下的穩定指數（表4）與運動員下肢肌肉形態（表3）進行Pearson相關檢驗顯示，穩定平面下男運動員的股直肌相關系數r=0.415，呈中度相關；半腱肌相關系數r=0.714，呈強相關；脛骨前肌相關系數r=0.580，呈中度相關。穩定平面女運動員的股直肌相關系數r=0.105，呈極弱相關；半腱肌相關系數r=0.425，呈中度相關；脛骨前肌相關系數r=0.630，呈強相關。

非穩定平面男運動員僅股直肌的相關系數高于穩定平面，股直肌相關系數R=0.456，呈中度相關；半腱肌相關系數R=0.114，呈極弱相關；脛骨前肌相關系數R=0.153，呈極弱相關。非穩定平面下女運動員3塊肌肉的相關系數均低于穩定平面，股直肌相關指數R=0.038，呈極弱相關；半腱肌相關系數R=0.241，呈弱相關；脛骨前肌的相關系數R=0.239，呈弱相關。

3 討論

運動員在實驗1都可以完全穩定的站立，并且時間都達到了15 s。穩定平面下男、女運動員都能很好地控制自身平衡，沒有進行二次測試。因為運動員具有良好的平衡能力，平衡測試過程中受到的挑戰較小。在穩定平面下所有運動員ML偏移幅度大于AP。AP、ML方向上女運動員的偏移幅度大多低于男運動員。這與婁彥濤等（2016）對國家運動員的測試結果一致，女運動員穩定性優于男運動員，國家青年男運動員呈現出側方穩定性差于前后方向的現象。同時，運動員表現出在AP偏移幅度的減少，可能由于自由式滑雪空中技巧運動員長期需要在帶有坡度的雪上訓練，需要單腳支撐滑板來保持身體平衡。因此，自由式滑雪空中技巧運動員對ML方向COP偏差具有一定的敏感性，并會不斷修正這些偏差，保持自身在雪上的穩定位置，這是項目的特殊性所表現出來的特征。根據于作軍等（2017）對2016—2017賽季自由式滑雪空中技巧世界杯和世錦賽裁判員評分尺度的解讀可知，流暢的、高質量的著陸動作和滑出動作是影響裁判員評分的重要因素之一。馬毅等（2014）、王新等（2011）研究了影響自由式滑雪空中技巧動作難度相關因素，認為運動員在完成難度動作時其成功率多在50%～70%的水平，優秀運動員為80%左右的水平，成功的落地動作已成為我國自由式滑雪空中技巧運動員獲得冠軍的關鍵因素。自由式滑雪空中技巧運動員落地前的時刻站立階段主要以維持肢體固定姿勢的靜態平衡為主，落地后的高速滑行階段則需要很強的靜態和動態平衡能力，隨著空中技巧項目動作難度的不斷加大，需要提高運動員的平衡能力，加強落地穩定性，從而提高比賽成績。

在運動員單腿站立的過程中，由于每個橫向偏差的持續校正補償，導致COP長度增加。運動員在雪上保持平衡需要更多AP方向上的調節作用，更多地訓練運動員AP方向的平衡能力。所以對于自由式滑雪空中技巧運動員來說，長期的比賽與訓練使其AP方向上的平衡調節能力較好，這與Walsh等（2018）研究結果一致，特定項目運動員會展示出獨特的平衡特征。

在非穩定平面上，男、女運動員在ML方向上的偏移擺動都顯著高于穩定平面，對比ML方向上變化幅度在平面不同的情況下，出現偏移幅度顯著增大。但AP方向上的偏移幅度則有所不同。這可能是因為運動員常年在雪上進行比賽項目，雪質本身就屬于非穩定平面，且自由式滑雪空中技巧運動員在空中落地在雪上，長時間的比賽與訓練會對運動員在AP方向上的平衡調節起到很大的促進作用，但在ML方向上的調節作用并不好。這與本研究實驗1運動員在AP與ML方向的偏移擺動情況表現出了一致的特征。

本研究實驗3測量了男、女運動員股直肌、半腱肌與脛骨前肌的肌肉厚度，由于肌肉厚度直接反映了肌肉含量（李玉章等，2010）。自由式滑雪空中技巧的運動對運動員下肢肌肉要求較高，運動員在比賽中落地維持身體的平衡需要控制股四頭肌和控制膝關節的小腿肌肉具有足夠的力量（Guo et al.，2014，2019）。因性別差異，并受長時間訓練影響，男、女運動員肌肉含量差異明顯。對比男、女運動員測試的3塊肌肉形態，男、女運動員的脛骨前肌的肌肉厚度均最大，相較于其他2塊肌肉差距明顯，這與王新等（2012）、馬毅等（2012）研究結果一致，肌力不足對運動員成績有很大影響，運動員長期比賽或訓練，應該在落地保持穩定性時需要強大的下肢肌力來有效彌補落地時的臀部、背部或雙手觸雪的現象，來達到自身的穩定。

對不同站立平面男、女運動員的穩定指數與肌肉厚度進行相關性分析。分析表明，穩定平面與非穩定平面男、女運動員不同肌肉的肌肉厚度相關程度表現出不同的特點。穩定平面下，女運動員股直肌的相關系數較小，無相關性。女運動員脛骨前肌和半腱肌都展示出了一定的相關性，相關程度最高的為脛骨前肌。而男運動員的3塊肌肉都展示出了一定程度的相關性，相關性最高的肌肉是半腱肌。不同肌肉對男、女運動員的平衡能力有不同程度的作用，可能是男、女運動員肌肉對平衡控制的不同差異，男運動員更多地依靠肌肉來控制自身的平衡能力，減少了視覺及本體感覺的參與，導致了平衡能力的差異，也是訓練和比賽中要注意解決的問題。并且由于長時間進行雪上訓練運動的特殊性，運動員在保持自身平衡的過程中肌肉控制展示出了不同的情況。這與Niu等（2011）對成年人雙側下肢脛骨前肌、腓腸肌外側的表面肌電圖進行分析的結果一致，不同人的肌肉在維持身體平衡會展示出不同的特征。在非穩定平面下，女運動員的所有肌肉相關系數明顯低于穩定平面時，男運動員也僅股直肌的相關程度高于穩定平面。穩定平面下男、女運動員的肌肉厚度相關程度較高，表明運動員在穩定平面下，肌肉對于平衡能力的影響程度更大，肌肉更多對平衡能力起到有效作用。相反，運動員在非穩定平面下站立時，運動員下肢肌肉與平衡能力的線性相關程度下降明顯，由于非穩定平面下自身的本體感覺會被削弱，維持身體的平衡更多地需要視覺、前庭覺參與，這與劉波等（2007）的研究結果一致。

本研究的不足主要是實驗選擇了3塊影響人體平衡能力的肌肉進行測量，測量的肌肉較少。同時，對運動員的下肢肌肉沒有進行肌電學分析，可能導致研究結果不全面。

4 結論

1）男、女運動員在穩定與非穩定平面展示出了相同的平衡能力特征，ML方向上的偏移幅度顯著大于AP方向，ML方向上平衡調節能力稍差，對運動員整體平衡能力影響較大。

2）非穩定平面下男、女運動員ML、AP方向上的偏移幅度均大于穩定平面，平衡能力弱于穩定平面。

3）穩定平面下運動員平衡能力與下肢肌肉相關性較高，不同肌肉的相關程度不同。

4）不同平面下平衡能力與肌肉厚度展示出的相關性不一致，非穩定平面下平衡能力與肌肉厚度的相關性程度較低，肌肉在非穩定平面下對平衡控制主導因素下降。