賈誼，薛瑞婷，魏亮

人體快速起跳動(dòng)作的下肢表面肌電信號(hào)特征研究

賈誼，薛瑞婷，魏亮

目的：研究計(jì)算方法和起跳方式的變化對(duì)人體下肢肌肉共激活參數(shù)的影響以及人體下肢快速起跳蹬伸動(dòng)作的神經(jīng)肌肉控制機(jī)理。方法：以10名男子排球運(yùn)動(dòng)員作為受試者，采用不同的起跳動(dòng)作進(jìn)行起跳，記錄其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和表面肌電信號(hào)參數(shù)，并采用不同方法計(jì)算下肢膝關(guān)節(jié)主動(dòng)肌和拮抗肌的共收縮指數(shù)，同時(shí)對(duì)不同起跳方式和收縮形式下的標(biāo)準(zhǔn)化肌電值、積分肌電值、平均功率頻率等參數(shù)進(jìn)行比較分析。結(jié)果：方法1計(jì)算得到的共收縮指數(shù)顯著大于方法2和方法3（F=29.568，P＜0.01），不同起跳方式（F=1.457，P=0.239）和肌肉做功形式（F=0.441，P=0.531）下的共收縮指數(shù)計(jì)算結(jié)果無顯著性差異。不同肌肉做功形式下的主動(dòng)肌與拮抗肌積分肌電值差異顯著（P＜0.01），且主動(dòng)肌平均功率頻率有顯著性差異（P＜0.01）。結(jié)論：不同共收縮指數(shù)計(jì)算方法對(duì)評(píng)估關(guān)節(jié)周圍肌肉的共激活程度存在顯著性差異，其可靠性有待進(jìn)一步考證；人體快速起跳蹬伸過程中，主動(dòng)肌與拮抗肌都表現(xiàn)出蹬伸階段iEMG顯著高于緩沖階段的特征；主動(dòng)肌在緩沖蹬伸動(dòng)作的轉(zhuǎn)換過程中，表面肌電信號(hào)的MPF差異顯著，有可能與中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)單位的控制策略有關(guān)，但有待進(jìn)一步證明；而拮抗肌則沒有表現(xiàn)出上述特征。

快速起跳；下肢；運(yùn)動(dòng)學(xué)；動(dòng)力學(xué)；表面肌電信號(hào)

1 前言

肌肉的共激活（co-activation）是指在特定關(guān)節(jié)周圍肌肉的同步收縮現(xiàn)象［21］，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)過程中維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定性具有重要意義。同時(shí)，肌肉的共激活也是造成人體運(yùn)動(dòng)效率降低［53］和影響運(yùn)動(dòng)員成績(jī)提高的主要原因［15］。由于運(yùn)動(dòng)的需要，許多體育項(xiàng)目，如排球、羽毛球等的運(yùn)動(dòng)員通常在比賽和訓(xùn)練過程中需要重復(fù)進(jìn)行大量的起跳動(dòng)作，而對(duì)起跳點(diǎn)和起跳高度的控制是完成高質(zhì)量起跳動(dòng)作的關(guān)鍵。因此，對(duì)起跳動(dòng)作過程中下肢肌肉的共激活現(xiàn)象進(jìn)行研究，對(duì)指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練具有實(shí)踐意義。

人體運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)和控制取決于中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的抑制模式。運(yùn)動(dòng)技能的提高，不是通過額外激活更多的運(yùn)動(dòng)單位（motor units），而是通過選擇性抑制不必要的肌肉（拮抗肌）活動(dòng)實(shí)現(xiàn)的［10］。研究認(rèn)為，中樞神經(jīng)系統(tǒng)（central nervous system，CNS）控制運(yùn)動(dòng)單位的方式相對(duì)簡(jiǎn)單，其只負(fù)責(zé)激活特定的運(yùn)動(dòng)單位集合，即運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元池（the motoneuron pool）［35］，然后再由運(yùn)動(dòng)單位根據(jù)各自不同的輸入和輸出特征產(chǎn)生特異性的放電模式［36］。而這種特異性放電模式產(chǎn)生的機(jī)理到目前還沒有形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。研究不同運(yùn)動(dòng)條件下的主動(dòng)肌與拮抗肌共激活特征，對(duì)臨床康復(fù)和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練具有實(shí)踐意義。

目前，對(duì)肌肉共激活問題的研究主要有數(shù)學(xué)模型（mathematical models）模擬［7，39，46］和表面肌電測(cè)量方法。由于關(guān)節(jié)周圍分布有多塊肌肉，模擬法不僅耗時(shí)且很難運(yùn)用于實(shí)踐，因此，大多數(shù)研究者趨向于利用測(cè)量方法相對(duì)簡(jiǎn)單的人體表面肌電信號(hào)（sEMG）來研究此類問題。

sEMG是通過測(cè)量肌肉收縮過程中所產(chǎn)生的電流，從而反映人體神經(jīng)肌肉活動(dòng)特征的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)［43］。由于其所攜帶的信息對(duì)肌肉激活和肌肉協(xié)調(diào)的解釋和分析非常重要［17］，因此，近年來被大量用來分析體育運(yùn)動(dòng)中的肌肉活動(dòng)特性［41，44］以及運(yùn)動(dòng)損傷的致因［9，33，38，47］。目前，關(guān)于下肢動(dòng)作肌肉協(xié)調(diào)問題的研究有過一些報(bào)道［14，51］，但遺憾的是不同的研究結(jié)果之間很難進(jìn)行比較。例如，有研究采用EMG最大幅值作為參數(shù)［13］，另有研究同時(shí)采用原始EMG和標(biāo)準(zhǔn)化后的EMG作為參考值［51］，亦或采用EMG均方根值做平均化處理的方法。因此，不少學(xué)者提出利用反映肌肉共激活現(xiàn)象的sEMG指標(biāo)，如共同收縮時(shí)間比、主動(dòng)肌與拮抗肌活化程度的比值以及標(biāo)準(zhǔn)化EMG比值等，可在一定程度上解決類似問題，而上述指標(biāo)統(tǒng)稱為共收縮指數(shù)（co-contraction index，CCI）。目前已有報(bào)道將共收縮指數(shù)用來對(duì)人體正常和病理性步態(tài)進(jìn)行研究，如對(duì)膝關(guān)節(jié)置換的康復(fù)情況［5］、截肢患者的康復(fù)評(píng)估［27，45］、下肢平衡能力評(píng)估［19］以及膝關(guān)節(jié)損傷致因分析［40］。而對(duì)其他人體運(yùn)動(dòng)形式，特別是運(yùn)動(dòng)員肌肉的共激活研究尚不多見，但上述運(yùn)動(dòng)中的肌肉共激活現(xiàn)象又是普遍存在的［11，24］。因此，本研究的目的：1）考察不同計(jì)算方法以及不同起跳方式對(duì)CCI指數(shù)計(jì)算結(jié)果的影響；2）對(duì)人體快速起跳蹬伸動(dòng)作的神經(jīng)肌肉控制機(jī)理進(jìn)行研究。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

選取高校男子排球隊(duì)隊(duì)員10名（年齡22.1±1.6歲，身高188.7±4.7 cm，體重83.8±8.1 kg）作為受試者。在測(cè)試開始之前告知受試者測(cè)試的動(dòng)作和要求，并進(jìn)行5 min熱身，以熟悉球網(wǎng)、測(cè)力臺(tái)與擊球點(diǎn)的相對(duì)位置。受試者測(cè)試前均無踝、膝關(guān)節(jié)手術(shù)史。所有受試者都表示自愿參加本次實(shí)驗(yàn)。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集

在采集起跳動(dòng)作數(shù)據(jù)之前，首先對(duì)受試者進(jìn)行最大隨意收縮（Maximum voluntary contraction，MVC）的表面肌電信號(hào)采集。采集方法是受試者分別采取坐位和俯臥位進(jìn)行股直肌和股二頭肌的最大隨意收縮，并取3次肌電幅值的平均值作為參考值。

在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地為18 m（長(zhǎng)）×8 m（寬）×8 m（高）的室內(nèi)空間，完全模擬實(shí)戰(zhàn)比賽環(huán)境，測(cè)試人員將球拋向空中，受試者完成起跳、扣球和落地動(dòng)作。每位受試者分別采用3種扣球方式（四號(hào)位、二號(hào)位和后排）完成起跳動(dòng)作。為獲得完整的起跳和落地參數(shù)，每種扣球方式分別測(cè)量3次，每次動(dòng)作之間休息3 min。

采用紅外人體動(dòng)作捕捉系統(tǒng)（Vicon Motion Systems Ltd.，Oxford，England）對(duì)人體運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行采集，攝像機(jī)數(shù)量為12臺(tái)（型號(hào)：T40-S），拍攝頻率200 Hz。使用4塊三維測(cè)力臺(tái)（美國(guó)AMTI公司生產(chǎn)，規(guī)格：400 cm×600 cm）采集運(yùn)動(dòng)員起跳落地時(shí)刻的地面反作用力參數(shù)，采樣頻率為1 000 Hz。使用美國(guó)NORAXON公司生產(chǎn)的16通道無線遙測(cè)表面肌電采集系統(tǒng)采集sEMG信號(hào)，采樣頻率為1 000 Hz。肌電片采用表面肌電專用雙極電極片，貼于受試者肌腹中央，兩電極間距1.8 cm，方向與肌纖維走向一致。受試者皮膚表面采用酒精擦洗并用細(xì)砂紙打磨去除角質(zhì)。所有信號(hào)使用Nexus 2.2.1（英國(guó)VICON公司）采集軟件進(jìn)行同步。

2.3 數(shù)據(jù)處理

所有運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)及地面反作用力參數(shù)均在Nexus 2.2.1中進(jìn)行預(yù)處理并以*.CSV格式導(dǎo)出。sEMG信號(hào)采用NORAXON公司Myoresearch軟件進(jìn)行預(yù)處理。采用Falconer和Winter提出的計(jì)算方法［12］，首先對(duì)原始肌電信號(hào)進(jìn)行整流和濾波（20～500 Hz）處理，并以%MVC進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，圖1為處理后左腿股直肌和股二頭肌的%MVC肌電信號(hào)、積分肌電值、平均功率頻率等參數(shù)，通過MATLAB 7.9.0軟件進(jìn)行編程運(yùn)算解得。

肌肉激活的判定采用Mckinley等［42］和Brown等［16］的方法，即當(dāng)sEMG幅值大于靜止站立（超過10 ms）狀態(tài)下sEMG幅值標(biāo)準(zhǔn)差的3倍時(shí)，被認(rèn)為肌肉激活。

2.4 共收縮指數(shù)計(jì)算

關(guān)于如何確定某塊肌肉在特定動(dòng)作過程中究竟是主動(dòng)肌還是拮抗肌這一問題，目前常用的方法主要有：1）根據(jù)某些運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)，如重心軌跡、關(guān)節(jié)角度等，來確定肌肉的功能；2）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后的表面肌電信號(hào)強(qiáng)度，認(rèn)為較強(qiáng)者為主動(dòng)肌。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，所有運(yùn)動(dòng)員在著地前，下肢肌肉均有共激活現(xiàn)象。為使所有受試者采集的信號(hào)具有可比性，統(tǒng)一計(jì)算著地到離地時(shí)域內(nèi)的CCI指數(shù)（圖2）。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)化處理后起跳階段股直肌與股二頭肌肌電變化情況Figure 1.Standardized EMG of Rectus Femoris and Biceps Flexor Cruris in Take off Stage

圖2 運(yùn)動(dòng)員起跳過程地面反作用力和主動(dòng)肌、拮抗肌激活情況Figure 2.The Agonist and Antagonistic Activation According to GRF during Taking off

綜合前人的研究成果，本研究對(duì)目前幾種較為常用的CCI的計(jì)算方法進(jìn)行了比較。

算法1［42］：

其中，Iant為特定時(shí)域內(nèi)拮抗肌的激活量：

t1到t2為標(biāo)準(zhǔn)化后的股直肌sEMG小于股二頭肌sEMG時(shí)段，t2到t3為標(biāo)準(zhǔn)化后的股直肌sEMG大于股二頭肌sEMG時(shí)段。

ITotal為整個(gè)時(shí)域內(nèi)主動(dòng)肌與拮抗肌激活量之和：

算法2［37］：共同收縮時(shí)間比定義為主動(dòng)肌與拮抗肌活動(dòng)平均振幅的比值時(shí)間之重疊（overlap）對(duì)總活動(dòng)時(shí)間之相對(duì)百分比。

算法3［16，24］：拮抗肌與主動(dòng)肌活化程度的直接比值即采用［拮抗肌/（主動(dòng)肌+拮抗?。荼戎捣从?塊肌肉的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的方式。在此用積分肌電值表示肌肉的活化程度。

2.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用雙因素方差分析的方法考察不同起跳動(dòng)作和不同CCI計(jì)算方法對(duì)下肢CCI指數(shù)的影響。采用配對(duì)t檢驗(yàn)法對(duì)不同動(dòng)作階段的積分肌電值和平均功率頻率進(jìn)行比較分析。顯著性水平α=0.05。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 起跳階段膝關(guān)節(jié)CCI指數(shù)

圖3 不同起跳方式和不同計(jì)算方法情況下的CCI指數(shù)Figure 3.The CCI According to Motion Strategies and Calculation Methods

圖4 不同肌肉收縮形式下的CCI指數(shù)比較Figure 4.The CCI According to Different Muscle Contraction Strategy

雙因素方差分析的結(jié)果表明，在整個(gè)起跳動(dòng)作階段，利用3種方法計(jì)算得到的CCI指數(shù)分別為：M1=0.71±0.08，M2=0.50±0.01，M3=0.51±0.10，統(tǒng)計(jì)結(jié)果無顯著性差異（P=0.762＞0.05）；另外2種起跳方式的統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果均無顯著性差異；而不同計(jì)算方法對(duì)CCI計(jì)算結(jié)果影響較大（P= 0.01＜0.05；圖3）。不同肌肉用力階段的CCI指數(shù)無顯著性差異（P=0.849＞0.05；圖4）。

3.2 不同肌肉收縮形式下的積分肌電（iEMG）比較

本研究中，肌肉的不同收縮形式是指以身體重心達(dá)到最低點(diǎn)時(shí)刻為臨界時(shí)刻，將受試者起跳動(dòng)作劃分為緩沖和蹬伸2個(gè)階段。緩沖階段表示腳著地時(shí)刻至重心最低點(diǎn)時(shí)刻階段，蹬伸階段表示重心最低點(diǎn)時(shí)刻至腳離地時(shí)刻階段。分別考察在不同階段和不同起跳方式下的下肢肌肉sEMG變化特征。在緩沖階段，四號(hào)位集中起跳、四號(hào)位拉開起跳和后排起跳的股直肌iEMG分別為：10.1±3.9 mv·s，12.2± 3.0 mv·s和12.5±4.8 mv·s；蹬伸階段，3種起跳方式的iEMG分別為：18.5±6.6 mv·s，23.3±3.9 mv·s和18.2±3.2 mv·s。單因素方差分析結(jié)果表明，起跳方式對(duì)股直肌（F=0.055，P= 0.007）和股二頭?。‵=0.889，P=0.003）蹬伸階段的iEMG有顯著性影響，對(duì)緩沖階段的iEMG則無顯著性影響。另外，肌肉工作形式對(duì)iEMG影響顯著。在3種起跳方式下，主動(dòng)肌與拮抗肌iEMG都表現(xiàn)出蹬伸階段明顯高于緩沖階段的特征（圖5）。

圖5 不同肌肉收縮形式下的積分肌電情況Figure 5.The iEMG According to Different Muscle Contraction Strategy

3.3 不同肌肉收縮形式的平均功率頻率（mean power frequency，MPF）比較

股直肌緩沖階段的MPF為195.5±55.8 Hz，顯著低于蹬伸階段的221.5±42.3 Hz（P＜0.001）；股二頭肌緩沖和蹬伸階段的MPF值分別為189.7±65.0 Hz和192.0±51.2 Hz，兩者無顯著性差異（P=0.763＞0.05；圖6）。

圖6 不同肌肉收縮形式下的平均功率頻率比較Figure 6.The MPF According to Different Muscle Contraction Strategy

4 討論

4.1 CCI指數(shù)分析

本研究結(jié)果表明，在不同起跳方式下，人體膝關(guān)節(jié)的主動(dòng)肌和拮抗肌都產(chǎn)生了共激活現(xiàn)象。但起跳方式對(duì)CCI指數(shù)沒有顯著性影響，說明人體下肢肌肉在做快速蹬伸動(dòng)作時(shí)，起跳方式的改變并不能引起CNS對(duì)主動(dòng)肌與拮抗肌協(xié)調(diào)模式的改變。

由于計(jì)算方法不同，得到的CCI值有顯著差異。本研究中，所有測(cè)試樣本的CCI值在41%～79%之間，這與Kellis等［21］的研究結(jié)果基本一致。而Frost等［25］對(duì)人體步行研究得到的CCI值在10%～20%，說明在做起跳動(dòng)作時(shí)，人體的拮抗肌激活程度要顯著高于步行時(shí)。Gribble等［28］對(duì)人體上肢關(guān)節(jié)周圍肌肉的共收縮問題進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，肌肉共收縮系數(shù)會(huì)隨動(dòng)作速度的增加而升高。本研究的結(jié)果也證明，快速蹬伸動(dòng)作的下肢肌肉共收縮系數(shù)要高于步行［6］。因此，與起跳方式的變化因素相比較，動(dòng)作速度可能是影響CNS對(duì)主動(dòng)肌與拮抗肌控制策略的主要因素。

算法1對(duì)CCI值明顯高估，這可能與其對(duì)主動(dòng)肌和拮抗肌的定義有關(guān)。與傳統(tǒng)的判斷主動(dòng)肌與拮抗肌的方法不同，此種方法將激活程度較高的肌肉定義為主動(dòng)肌，而激活程度較低的肌肉定義為拮抗肌。這對(duì)于行走、蹬踏自行車等周期性運(yùn)動(dòng)來說較為適用。然而，對(duì)于非對(duì)稱性動(dòng)作，如起跳動(dòng)作，由于動(dòng)作周期短，主動(dòng)肌和拮抗肌的收縮時(shí)序沒有顯著的規(guī)律性變化，從本研究的結(jié)果來看，在一個(gè)緩沖蹬伸周期內(nèi)，股直肌和股二頭肌的激活程度往往歷經(jīng)3～4次轉(zhuǎn)換，因此，并不適于單純依靠激活程度來判斷肌肉的收縮性質(zhì)。

另外，算法1得到的CCI值顯著高于算法3，這也和其計(jì)算過程有關(guān)。算法1中，100%的CCI值出現(xiàn)在當(dāng)主動(dòng)肌與拮抗肌激活程度相等的情況下，只要拮抗肌的激活程度越高，CCI值就越大，因此，CCI值取決于拮抗肌的激活程度。而算法3中，100%的CCI值只能出現(xiàn)在主動(dòng)肌的激活程度為零的情況下，而這種情況在人體實(shí)際動(dòng)作過程中存在的可能性幾乎為零。CCI值隨主動(dòng)肌激活程度的降低而增加，因此，CCI值取決于主動(dòng)肌的激活程度。

完成從運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元池（motor neuron pool）到各運(yùn)動(dòng)單位的調(diào)控機(jī)理目前并沒有統(tǒng)一定論。從本實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，不同收縮方式和不同起跳方式下的CCI指數(shù)無顯著性差異，說明運(yùn)動(dòng)模式的改變并不能引起CNS對(duì)肌肉共收縮控制策略的變化。

雖然CCI值在不同的肌肉收縮形式下無顯著性差異，但在3種起跳方式下都表現(xiàn)出緩沖階段的肌肉共激活程度要高于蹬伸階段。Aura等［8］研究發(fā)現(xiàn)，人體在落地之前，膝關(guān)節(jié)主動(dòng)肌和拮抗肌會(huì)產(chǎn)生預(yù)激活（pre-activated）現(xiàn)象，從而使CCI值增加。因此，這一結(jié)果可能與緩沖階段肌肉的預(yù)激活現(xiàn)象有關(guān)。

4.2 時(shí)域信號(hào)分析

iEMG可在時(shí)間維度上反映人體表面肌電信號(hào)振幅的變化特征［3］，即在某時(shí)域范圍內(nèi)肌肉活動(dòng)的累積情況。本研究中，起跳動(dòng)作的緩沖和蹬伸階段，不論是主動(dòng)肌還是拮抗肌，其iEMG值都表現(xiàn)出蹬伸階段顯著高于緩沖階段的特征，其原因主要有：1）2個(gè)動(dòng)作階段的作用時(shí)間不同，iEMG值反映的是特定時(shí)段內(nèi)經(jīng)整流后的肌電信號(hào)曲線下面積，即肌肉放電量的總和［49］，在振幅相同的條件下，放電時(shí)間越長(zhǎng)，則iEMG的值越大，在本研究中，受試者在緩沖和蹬伸階段所用時(shí)間分別約為0.13 s和0.19 s，蹬伸時(shí)間大于緩沖時(shí)間，因此造成蹬伸階段肌肉的放電總量大于緩沖階段；2）向心收縮比離心收縮動(dòng)員了更多的運(yùn)動(dòng)單位參與工作，王瑞元等［4］和Kellis等［30］對(duì)人體進(jìn)行等動(dòng)練習(xí)時(shí)肌肉的向心與離心2種收縮狀態(tài)下的表面肌電信號(hào)與關(guān)節(jié)力矩特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，肌肉進(jìn)行離心收縮時(shí)，表現(xiàn)出了肌電信號(hào)下降而關(guān)節(jié)力矩增加的特點(diǎn)，且隨關(guān)節(jié)角速度的增加，這一特征更加明顯；Komi等［32］提供的證據(jù)更為直接，他們發(fā)現(xiàn)，肌肉在進(jìn)行向心運(yùn)動(dòng)時(shí)，不僅iEMG值會(huì)增加，而且與離心收縮相比向心收縮時(shí)機(jī)體的耗氧量更高；3）運(yùn)動(dòng)單位同步化導(dǎo)致肌電振幅增大，Yao等［54］通過使用計(jì)算機(jī)模擬的方法來評(píng)估運(yùn)動(dòng)單位同步化對(duì)肌電信號(hào)及肌力參數(shù)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，用中等水平和高水平同步化模擬后，肌電幅值分別增加65%和130%；Farina等［23］也通過實(shí)驗(yàn)證明，肌肉的收縮速度與同步化程度及肌電幅值呈顯著正相關(guān)。以上3種因素都可為本次的研究結(jié)果提供間接的證據(jù)，但3種因素之間的相互作用還有待于進(jìn)一步研究。

4.3 平均功率頻率

平均功率頻率（MPF）通常被用來研究肌肉疲勞問題，有時(shí)也被用來考察肌肉運(yùn)動(dòng)單位的募集情況。從本研究結(jié)果來看，不同的肌肉工作形式對(duì)股直肌的MPF值有顯著性影響，向心收縮的MPF值顯著高于離心收縮。關(guān)于單次肌肉最大收縮的MPF分析案例較少，因此，對(duì)本研究結(jié)果可以有如下解釋：

1.肌纖維募集的“大小原則”造成蹬伸階段放電量增加。肌纖維募集的“大小原則”是1965年由Henneman［29］提出的，即隨著肌張力的不斷增加，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元及其支配的運(yùn)動(dòng)單位是由小到大順序募集的。小的α運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元支配的是Ⅰ型纖維，其軸突較細(xì)，神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo)速度較慢，Ⅱ型纖維則受較大的α運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元支配，神經(jīng)沖動(dòng)在其上的傳導(dǎo)速度也較快，產(chǎn)生的肌張力較大，收縮速度也較快［1］。Dayc等［20］的研究結(jié)果表明，離心收縮會(huì)暫時(shí)性的降低肌電信號(hào)的MPF值。由于其實(shí)驗(yàn)中并沒有引起運(yùn)動(dòng)員肌肉疲勞的條件，因此，根據(jù)Warmolts等［52］提出的假說，膝關(guān)節(jié)屈肌在起跳過程中的不同用力階段表現(xiàn)出MPF的差異性，很有可能是與蹬伸階段肌肉中Ⅱ型肌纖維參與比例提高有關(guān)。

2.可能有更多高閾值的運(yùn)動(dòng)單位被動(dòng)員。Garland等［26］在對(duì)亞極限強(qiáng)度下的等長(zhǎng)收縮誘導(dǎo)疲勞實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，疲勞開始后大部分運(yùn)動(dòng)單位的放電率（discharge rate）有所下降，但新募集的運(yùn)動(dòng)單位的放電率保持不變或略有增加。因此，股直肌MPF值的變化可能與被動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)單位發(fā)生變化有關(guān)。

3.運(yùn)動(dòng)單位的募集率［34］或同時(shí)募集運(yùn)動(dòng)單位的數(shù)量增加［18］。Kleine等［31］通過研究發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)動(dòng)單位的同步放電增加的情況下會(huì)導(dǎo)致表面肌電信號(hào)的中值頻率（median frequency）下降。Boxtel等［50］的研究也證實(shí)，MPF與運(yùn)動(dòng)單位放電率和肌肉力量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。Takayanagi等［48］通過對(duì)5名健康志愿者的研究發(fā)現(xiàn)，膝關(guān)節(jié)伸肌的MPF值隨膝關(guān)節(jié)角度的變化而變化（P＜0.01），但膝關(guān)節(jié)屈肌無此規(guī)律，這與本研究的結(jié)果相一致。由此可以推斷，在緩沖階段，屈肌中的慢肌纖維參與收縮的比例較高，而蹬伸階段則相反。在整個(gè)起跳過程中，股二頭肌作為拮抗肌，其主要作用是維持膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定。因此，其MPF值在整個(gè)動(dòng)作過程中并沒有顯著性差異。

上述分析大部分是基于肌肉疲勞的基礎(chǔ)上提出的，其是否適用于解釋非疲勞狀態(tài)下的肌電信號(hào)特征還有待進(jìn)一步研究。在此方面，我國(guó)學(xué)者宋超等［2］對(duì)非疲勞狀態(tài)下肌肉活動(dòng)的力-電關(guān)系進(jìn)行過闡釋，并提出利用非線性動(dòng)力學(xué)的方法來研究力-電關(guān)系的可行性。

5 結(jié)論

1.人體在進(jìn)行快速起跳動(dòng)作時(shí)膝關(guān)節(jié)周圍肌肉存在共激活現(xiàn)象。不同CCI指數(shù)算法對(duì)評(píng)估關(guān)節(jié)周圍肌肉的共激活程度存在顯著性差異，其可靠性有待于進(jìn)一步研究。

2.人體在進(jìn)行快速起跳動(dòng)作過程中，不論主動(dòng)肌或拮抗肌都表現(xiàn)出蹬伸階段iEMG值顯著高于緩沖階段的特點(diǎn)。

3.主動(dòng)肌在緩沖蹬伸動(dòng)作的轉(zhuǎn)換過程中，表面肌電信號(hào)的MPF差異顯著，有可能與中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)單位的控制策略有關(guān)，但有待于進(jìn)一步證明；而拮抗肌則沒有表現(xiàn)出上述特征。

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Surface Electromyography Analysis of Body Lower Extremity in Rapid Jump

JIAYi，XUE Rui-ting，WEI Liang

The purpose of this study was to analysis the influence by different calculation methods and taking off strategies for the result of co-contraction index（CCI）of human lower extremity，and also analysis the mechanism of neuromuscular control of body lower extremity in taking off. Ten trained male volleyball players have performed several jumps by different taking off strategies.Kinematic，kinetic and surface electromyography（sEMG）activity were recorded.Three different methods were used to calculate the CCI of agonistic and antagonistic muscles in knee joint and the standardized sEMG，integrated EMG（iEMG）and mean power frequency（MPF）of the agonistic and antagonistic muscles were also analyzed.The results showed that the CCI calculated by method 1 was greater than those by method 2 and 3 significantly（F=29.568，P＜0.01）.There was no significant difference for CCI between taking off strategies and muscle work form but was significant difference for iEMG and MPF of the agonistic muscle.We can draw the conclusion that different calculation method of CCI has significant influence for estimating the muscle co-activities and the reliability must be evaluated further more.When performing the rapid countermovement jump，both agonistic and antagonistic show significantly higher iEMG value in upward phase than downward one.The mean power frequency（MPF）of the agonistic has significant difference between upward and downward phase but the antagonistic was not so.This maybe relate to the CNS control strategies of motor unit.

rapid jump；lower extremity；kinematic；kinetic；surface electromyography

1002-9826（2017）02-0064-07

10.16470/j.csst.201702008

G804.6

：A

2016-08-30；

：2017-01-05

山西省軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2016041037-3）；山西省體育局科研課題（15TY115）；山西省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題（GH-15040）。

賈誼，男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)閯?dòng)作技術(shù)分析與診斷，E-mail：jiayi7534@sina.com。

中北大學(xué)，山西太原030051

North University of China，Taiyuan 030051，China.