殘疾人單板滑雪障礙追逐出發(fā)階段運動學(xué)及表面肌電特征研究

摘 要：伴隨“科技助力奧運”理念及殘疾人運動生物力學(xué)研究的深入，借助科學(xué)分析手段，提升我國殘疾人單板滑雪運動員出發(fā)階段的專項技術(shù)具有重要意義。運用錄像分析法、表面肌電測試法和數(shù)理統(tǒng)計法，對7名北京冬殘奧會國家單板滑雪集訓(xùn)隊男子運動員進行運動學(xué)及表面肌電測試。結(jié)果顯示：不同級別運動員在出發(fā)階段所用時間、平均速度、各關(guān)節(jié)角度及角度幅值變化各不相同，UL級別運動員表現(xiàn)較為平穩(wěn)，LL2級別運動員表現(xiàn)較為突出；不同級別運動員在出發(fā)階段發(fā)揮最大作用的工作肌群不同，肌肉的電活動振幅峰值具有明顯差異；殘疾程度越大的運動員，在出發(fā)階段體能消耗越多。建議我國殘疾人單板滑雪運動員進一步提高力量素質(zhì)；注意自身的肌肉發(fā)力特征，加強主要用力肌肉的爆發(fā)力訓(xùn)練；調(diào)動更多的肌肉來參與滑行，注意左右兩側(cè)上肢對稱肌肉的協(xié)調(diào)發(fā)力。

關(guān)鍵詞：殘疾人；單板滑雪障礙追逐；出發(fā)階段；運動學(xué)；表面肌電測試

Research on the Kinematic and Surface Electromyographic Characteristics during the Start Phase of Snowboard Cross Racing for the Disabled

GUO Caiyuan1， HOU Yali2， WANG Xiangdong3

（1. Department of Physical Education and Research， Haidu College， Qingdao Agricultural University， Laiyang 265200， China; 2. School of Physical Education， Shanxi Normal University， Taiyuan 030031， China; 3. School of Physical Education， Jimei University， Xiamen 361021， China）

Abstract： With the concept of “Technology Empowering the Olympics” and the advancement of biomechanical research in Paralympic sports， it is of great significance to enhance the specialized techniques of Chinese Paralympic snowboard athletes during the start phase by using the method of scientific analysis. Videographic analysis， surface electromyography testing， and statistical analysis were employed to examine the kinematics and surface electromyographic characteristics of 7 male athletes from the Beijing Paralympic National Snowboard Training Team. The results showed that athletes of different levels exhibited variations in time taken， average speed， joint angles， and angle amplitude changes during the start phase. Athletes at the UL level demonstrated relatively stable performance， while LL2 level athletes showed more prominent characteristics. Furthermore， different muscle groups played a crucial role during the start phase for athletes of different levels， and there were significant differences in the amplitude peak of muscle electrical activity. Athletes with greater disabilities experienced higher energy expenditure during the start phase. It is recommended for Chinese Paralympic snowboard athletes to further improve their strength qualities， pay attention to their muscle force generation characteristics， strengthen explosive training of the primary force-generating muscles， engage more muscles in the sliding process， and ensure coordination and synchronization of muscles on both sides of the upper limbs.

Key words： people with disabilities; snowboard cross racing; start phase; kinematics; surface electromyography testing

1 研究背景

殘奧單板滑雪項目在2018年平昌冬殘奧會上成為獨立的雪上項目比賽大項[1]，分項包括障礙追逐和坡面回轉(zhuǎn)，均以競速取勝[2]。我國在2022年北京冬殘奧會單板滑雪障礙追逐項目中取得了質(zhì)的飛躍，獲得1金1銀2銅。在單板滑雪障礙追逐技術(shù)中，出發(fā)門技術(shù)作為整個比賽的開端，具有至關(guān)重要的作用[3]。比賽中，運動員需要進行快速“拉門”動作來獲得更快的初始速度，從而可以優(yōu)先選擇最佳滑行路線[4]。健全人單板滑雪運動員在完成出發(fā)階段的滑行時，需要上肢和核心的協(xié)調(diào)發(fā)力，而對于殘疾人運動員來說則需要更強的力量[5]。然而，不同殘疾級別的運動員在出發(fā)階段的技術(shù)特征存在差異，即使同處于UL級別，出發(fā)階段技術(shù)也存在個體差異，部分殘疾人運動員可以利用假肢實現(xiàn)雙臂發(fā)力，有的則因為殘疾程度不同而無法發(fā)力或者只能使用單臂發(fā)力[6]。隨著“科技助力奧運”理念的提出以及殘疾人競技體育的快速發(fā)展，國內(nèi)外關(guān)于殘疾人運動員在運動生物力學(xué)方面競技表現(xiàn)的研究越來越多，且研究內(nèi)容涉及比較廣泛[7-8]。雖然國際生物力學(xué)的研究方向呈現(xiàn)趨同化現(xiàn)象，研究類型以解釋性的研究最多，前瞻性的研究偏少，但是殘疾人運動生物力學(xué)研究仍然受到高度重視[9]。現(xiàn)有研究不僅結(jié)合殘疾人本身的特點加以開展[10-11]，借助運動生物力學(xué)分析也有助于厘清殘疾程度對運動表現(xiàn)影響的內(nèi)在機制，并找到最優(yōu)的技術(shù)動作以及符合需求的輔助設(shè)備[12-13]；還有研究表明，假肢表現(xiàn)高于健側(cè)肢體[10，14]。目前，關(guān)于我國單板滑雪項目特點和發(fā)展規(guī)律的研究相對滯后[15]，尚未能滿足訓(xùn)練、競賽的需要。由于滑雪運動的復(fù)雜性，動力學(xué)測量較為困難，該項目人體內(nèi)部受力特征仍不明確，對此，何衛(wèi)[16]等學(xué)者建議未來應(yīng)多開展表面肌電結(jié)合運動學(xué)、肌電學(xué)的深層次綜合研究。本文希望通過探究我國殘奧單板滑雪隊運動員出發(fā)階段的運動生物力學(xué)特征，為我國殘疾人在障礙追逐項目出發(fā)階段的技術(shù)提升提供一定的指導(dǎo)參考，從而推動我國殘奧單板滑雪項目的持續(xù)發(fā)展。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

本研究以殘奧單板滑雪障礙追逐出發(fā)階段運動學(xué)特征及表面肌電（sEMG）數(shù)據(jù)為研究對象。選取7名北京冬殘奧會國家單板滑雪集訓(xùn)隊男子運動員作為測試對象，包括UL級別（上肢殘疾）運動員2名、LL2級別（膝關(guān)節(jié)以下截肢）運動員名2名、LL1級別（膝關(guān)節(jié)以上截肢）運動員3名，共測試24人次。

2.2 研究方法

2.2.1 錄像分析法

采用2臺日本JVC高清專業(yè)攝像機進行三維錄像，在每次拍攝之前，選用QFS-28測點超輕型輻射式三維標(biāo)定框架進行立體空間標(biāo)定，標(biāo)定精度為0.001 m。采用SIMI Motion運動學(xué)軟件對視頻進行處理并得出相關(guān)數(shù)據(jù)，并對所得數(shù)據(jù)采用低通濾波進行平滑處理，最終獲得所需參數(shù)。

2.2.2 表面肌電測試法

選用美國Noraxon無線sEMG測試采集系統(tǒng)（采樣頻率2 000 HZ），對運動員在完成出發(fā)區(qū)滑行時的sEMG數(shù)據(jù)進行采集。根據(jù)運動員在出發(fā)門區(qū)拉出發(fā)門的特點，選取兩側(cè)肱橈肌、肱二頭肌、三角肌、斜方肌、背闊肌、豎脊肌、胸大肌、腹外斜肌進行采集。采集肌電信號經(jīng)軟件整流、平滑、濾波（10～500 HZ）處理后導(dǎo)出數(shù)據(jù)，后對主要用力肌肉的貢獻率、振幅峰值、用力一致性進行分析。

2.2.3 數(shù)理統(tǒng)計法

對運動學(xué)數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計，分析不同級別運動員在出發(fā)門的所用時間、速度、角度等指標(biāo)特征。運用MyoResearch XP 軟件，對不同級別運動員所選肌肉的原始肌電圖數(shù)據(jù)進行處理與分析。采用單因素方差統(tǒng)計來評估不同級別運動員在出發(fā)門的積分肌電值、振幅峰值等肌電指標(biāo)特征，其中，Pgt;0.05說明級別之間沒有顯著性差異。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 結(jié)果分析

單板滑雪運動員在障礙追逐出發(fā)區(qū)域滑行時，需要完成兩個階段的動作，即助滑階段的滑行動作和滑出出發(fā)門動作。助滑階段是從準(zhǔn)備動作到完成拉門動作，其主要任務(wù)是獲得更快的初始速度，該階段主要考驗運動員的上肢和核心區(qū)域的爆發(fā)能力。只有在助滑階段的速度足夠快，才能在比賽中優(yōu)先選擇最佳滑行路線。滑出階段是從完成拉門動作到滑出出發(fā)門，其主要任務(wù)是獲得更好的平衡穩(wěn)定性，該階段主要考驗運動員身體姿勢和控制能力。

運動員在障礙追逐出發(fā)階段的滑行中，主要是從“拉”出發(fā)門開始，到“拉”出發(fā)門動作完成。測試出發(fā)階段的sEMG，主要是為了更清楚地了解運動員在“拉”出發(fā)門這個動作中主要參與工作的肌肉群，因此sEMG測試不分階段。同時，運動員在“拉”出發(fā)門時主要通過上肢肌群和核心區(qū)域肌肉的協(xié)同發(fā)力來完成動作，根據(jù)運動員的身體情況進行肌肉的選取，從而對主要參與工作的肌肉在完成動作時的參與程度進行分析研究。受測殘疾人單板滑雪運動員在出發(fā)階段的運動學(xué)及sEMG采集情況，見表1～5。

通過分析全部運動員在障礙追逐出發(fā)階段的運動表現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)不同級別運動員在不同階段所用時間、平均速度以及各關(guān)節(jié)的角度變化和角度幅值變化都不同。其中，UL級別運動員的運動表現(xiàn)較為平穩(wěn)；LL2級別運動員的平均加速度最大，關(guān)節(jié)變化較大；LL2級別運動員的整體運動表現(xiàn)在其他兩個級別之間。

sEMG結(jié)果顯示，不同級別運動員在障礙追逐出發(fā)階段發(fā)揮最大作用的工作肌群不同，尤其從不同級別運動員肌肉的電活動振幅峰值來看，數(shù)值具有明顯的差異。其中，LL1級別運動員腹外斜肌的肌肉貢獻率高，振幅峰值大，電位活動較興奮，這表明腹外斜肌對LL1級別運動員保持衡穩(wěn)定至關(guān)重要；LL2級別運動員的肌肉用力較為平衡，而且兩側(cè)發(fā)力較為協(xié)調(diào)。單因素的檢驗分析結(jié)果顯示：LL1級別運動員的肌電振幅與LL2級別運動員的肌電振幅有顯著性差異（Plt;0.05），且LL1級別運動員的肌電振幅均值遠遠大于LL2級別運動員的肌電振幅。對于LL1級別運動員來說，其殘疾程度更大，健肢則需要付出更多的力量來帶動假肢運動，因此消耗的體能更多，同時隨著振幅的平均值變大，肌肉疲勞性也在增加。

3.2 討論

殘奧單板滑雪障礙追逐以速度和技巧為主導(dǎo)，是速度較快、整體技術(shù)動作相對簡單、對穩(wěn)定性要求極高的非周期性個人項目，從能量供應(yīng)特征來看，主要以磷酸和糖酵解供能方式為主[15，17]。對于一名優(yōu)秀的殘奧單板滑雪運動員而言，出發(fā)階段的表現(xiàn)與其上肢最大力量、速度力量等素質(zhì)指標(biāo)密切相關(guān)，并可能直接影響比賽成績[4]。因此，對殘奧單板滑雪運動員在出發(fā)階段的滑行速度、加速度進行監(jiān)控，對主要發(fā)力肌肉進行力量素質(zhì)訓(xùn)練，發(fā)展肌肉爆發(fā)力是有必要的[18]。例如從本次測試結(jié)果來看，第一，在障礙追逐出發(fā)階段中，不同級別運動員的運動表現(xiàn)不同。其中，UL級別運動員比LL2級別、LL1級別運動員的滑行平均速度和加速度都小，各關(guān)節(jié)角度以及角度幅值變化也較其他兩個級別小；LL2級別運動員在出發(fā)階段的運動表現(xiàn)較好，滑行用時最短，爆發(fā)力也最大。第二，3個級別運動員的表面肌電特征之間也有差異。在出發(fā)階段，3個級別運動員上肢及核心區(qū)域的主要發(fā)力肌肉不同，且不同級別運動員肌肉的電活動振幅峰值也不同。對于殘疾人單板滑雪運動員而言，不同程度的身體缺陷導(dǎo)致許多專項力量的傳統(tǒng)訓(xùn)練手段無法適用，相較于健全運動員，殘疾人運動員在滑行過程中需要消耗更多的體能。

sEMG分析常用的一種方法是時域分析，其中最常用的分析特征是iEMG。iEMG是指一定時間內(nèi)的肌肉放電總量，肌電信號振幅表示肌肉電位信號的大小，可以反映肌肉的有效電活動[19]，并直觀看出肌肉在該運動中的參與程度[20]。有研究表明，肌肉收縮與舒張的變化與肌肉振幅之間存在線性關(guān)系[5]。從本次測試結(jié)果來看，不同級別運動員的肌力值不同，LL1級別運動員的電活動振幅峰值比LL2級別運動員大，這可能與運動員的殘疾程度相關(guān)，即殘疾程度越大，需要代償?shù)膭幼饕簿驮蕉唷Ρ炔煌?xùn)練條件或者專項訓(xùn)練與比賽動作下的肌肉工作特征，應(yīng)用sEMG信號監(jiān)測肌肉的疲勞狀態(tài)，有助于找到更有效和更有針對性的訓(xùn)練手段。在單板滑雪項目中，運動員在出發(fā)階段想要獲得更快的初始速度，不僅離不開力量素質(zhì)的支撐，也依賴于不同肌肉的有序協(xié)調(diào)工作。例如：LL2級別運動員能夠調(diào)動更多的肌肉來參與姿態(tài)控制，且左右兩側(cè)肌肉群的發(fā)力更為協(xié)調(diào)，因此LL2級別運動員在出發(fā)階段的運動穩(wěn)定性較好；LL1級別運動員主要參與工作的肌肉發(fā)力不夠平衡，因此應(yīng)根據(jù)指標(biāo)對其進行均衡性的肌肉力量訓(xùn)練。此外，由于運動員殘疾部位不同，個體形態(tài)差異較為明顯，整體來說，上肢殘疾運動員要比下肢殘疾運動員身體兩側(cè)形態(tài)差異大。教練員在指導(dǎo)訓(xùn)練過程中，應(yīng)結(jié)合運動學(xué)分析和sEMG測試結(jié)果，更科學(xué)地提升殘疾人單板滑雪運動員的競技表現(xiàn)及專項能力。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1. 不同級別殘疾人單板滑雪運動員在障礙追逐出發(fā)階段所用時間、平均速度、各關(guān)節(jié)角度及角度幅值變化各不相同。其中，UL級別運動員的運動表現(xiàn)較為平穩(wěn)，LL2級別運動員的平均加速度最大，關(guān)節(jié)變化較大。

2. 不同級別殘疾人單板滑雪運動員在障礙追逐出發(fā)階段發(fā)揮最大作用的工作肌群不同，肌肉的電活動振幅峰值具有明顯差異。

3. 殘疾程度越大的單板滑雪運動員，在障礙追逐出發(fā)階段越需要更多的肌肉來參與控制運動姿態(tài)，體能消耗也越多。

4.2 建議

1. 我國殘疾人單板滑雪運動員的力量素質(zhì)有待進一步提高，在今后的訓(xùn)練中，應(yīng)加強對上肢及核心區(qū)域肌肉的力量訓(xùn)練，以更好地控制身體姿態(tài)，提高滑行的平衡性與穩(wěn)定性，增加出發(fā)階段的初始速度。

2. 提示殘疾人單板滑雪運動員在日常訓(xùn)練中注意自身的肌肉發(fā)力特征，加強主要用力肌肉的爆發(fā)力訓(xùn)練。

3. 指導(dǎo)殘疾人單板滑雪運動員調(diào)動更多的肌肉來參與滑行，注意左右兩側(cè)上肢對稱肌肉的協(xié)調(diào)發(fā)力，避免用力不一致而造成一些肌肉的過度疲勞。

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收稿日期：2024-01-26

基金項目：國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”專項（2019YFF

0301805）；國家重點研發(fā)計劃“科技冬奧”專項 （2018YFF

0300605）。

第一作者簡介：郭才媛（1996-），女，山西洪洞人，碩士，助教，研究方向為體育教育訓(xùn)練學(xué)。

通信作者：王向東（1973-），男，山西太原人，博士，教授，研究方向為運動生物力學(xué)。