袁 鵬，許貽林，王 丹，周蘇坡,4，陳 偉

?

不同助跑速度條件下45°急停變向動(dòng)作的膝和踝關(guān)節(jié)肌肉激活特征分析

袁 鵬1,2，許貽林1，王 丹3，周蘇坡1,4，陳 偉1

1.江蘇省體育科學(xué)研究所 生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210033；2.蘇州大學(xué) 體育學(xué)院, 江蘇 蘇州 215006; 3.上海體育學(xué)院 體育教育訓(xùn)練學(xué)院，上海 200438; 4.南京體育學(xué)院 運(yùn)動(dòng)健康科學(xué)系, 江蘇 南京 210014

目的：比較不同助跑條件下男、女性運(yùn)動(dòng)員在45°急停變向動(dòng)作中膝、踝關(guān)節(jié)肌肉激活特征的差異性并進(jìn)一步分析預(yù)激活和后激活階段膝、踝關(guān)節(jié)肌肉共激活比之間的相關(guān)性。方法：46名青年籃球和排球運(yùn)動(dòng)員分別以3、4和5 m/s的助跑速度完成45°急停變向動(dòng)作。采用Delsys無線表面肌電儀收集股四頭?。ü芍奔　⒐赏鈧?cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌）、腘繩?。ò腚旒　⒐啥^肌長頭和短頭）、脛骨前肌以及腓腸肌外側(cè)頭的肌電信號。分析3種助跑速度條件下預(yù)激活和后激活階段膝、踝關(guān)節(jié)肌肉的標(biāo)準(zhǔn)化均方根振幅以及肌肉共激活比。結(jié)果：助跑速度顯著增加預(yù)激活階段股四頭肌和腓腸肌外側(cè)頭的激活水平（<0.05），后激活階段股四頭肌、腘繩肌、脛骨前肌和腓腸肌外側(cè)頭的激活水平（<0.05），但顯著降低預(yù)激活階段膝、踝關(guān)節(jié)肌肉共激活比（<0.05）。女性運(yùn)動(dòng)員預(yù)激活和后激活階段股四頭肌和脛骨前肌的激活水平顯著高于男性運(yùn)動(dòng)員（<0.05），但預(yù)激活和后激活階段膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比顯著低于男性運(yùn)動(dòng)員（<0.05）。膝、踝關(guān)節(jié)預(yù)激活和后激活階段的肌肉共激活比顯著相關(guān)（<0.05）。結(jié)論：隨助跑速度的提高，中樞神經(jīng)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)預(yù)激活和后激活機(jī)制來提高肌肉激活水平。預(yù)激活和后激活機(jī)制之間在45°急停變向動(dòng)作中存在較高關(guān)聯(lián)性，這提示，通過協(xié)調(diào)預(yù)激活和后激活策略能夠調(diào)節(jié)肌肉和關(guān)節(jié)的剛度以達(dá)到保護(hù)下肢關(guān)節(jié)和組織并提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的目的。后激活階段更低的膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比以及股四頭肌為主導(dǎo)的激活模式提示，女性運(yùn)動(dòng)員在完成45°急停變向動(dòng)作時(shí)具有更高的ACL損傷風(fēng)險(xiǎn)。膝關(guān)節(jié)肌肉激活模式的性別差異性可能在一定程度上解釋ACL損傷風(fēng)險(xiǎn)的性別差異性。

急停變向；預(yù)激活；牽張反射；共激活；神經(jīng)肌肉控制

1 前言

急停變向（side-step cutting）是常見的人體動(dòng)作模式之一。對于籃球、排球和足球等運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目來說需要運(yùn)動(dòng)員在場上重復(fù)完成不同速度和角度的急停變向動(dòng)作。然而，該動(dòng)作也常常伴隨著運(yùn)動(dòng)損傷的發(fā)生，如前交叉韌帶（ACL）損傷等[26,30]。據(jù)Koga[26]和Krosshaug[30]等報(bào)道，有超過20%的非接觸性ACL斷裂發(fā)生在急停變向動(dòng)作過程中。

研究表明，大多數(shù)ACL損傷發(fā)生在需要身體減速或改變運(yùn)動(dòng)方向這一類動(dòng)作的足觸地后瞬間（17～50 ms之內(nèi)）[30]。當(dāng)人體著地（landing）或改變姿勢時(shí)，下肢剛度（lower extremity stiffness）的調(diào)節(jié)是最先啟動(dòng)的動(dòng)作神經(jīng)反射機(jī)制[3]。剛度作為一個(gè)物理學(xué)變量其表示的是物體在受載時(shí)抵抗變形的能力[3]。對于著地和急停變向等動(dòng)作來說重要的調(diào)節(jié)因素就是腿剛度（leg stiffness），其是由足觸地時(shí)刻身體環(huán)節(jié)構(gòu)型（segmental configuration）和神經(jīng)肌肉激活（neuromuscular activation）共同作用的結(jié)果[22,23]。在神經(jīng)肌肉方面，人體在足觸地前和著地緩沖階段通過主動(dòng)肌和拮抗肌的激活來實(shí)現(xiàn)對剛度的調(diào)節(jié)[22,23,28]。Thomas等人認(rèn)為，肌肉的激活可以成倍地增加關(guān)節(jié)剛度[46]。而Blackburn等的研究進(jìn)一步表明，在著地動(dòng)作中與腘繩肌剛度較低的運(yùn)動(dòng)員相比，那些腘繩肌剛度更高的運(yùn)動(dòng)員表現(xiàn)出更低的脛骨前向剪切力[8]。從運(yùn)動(dòng)損傷預(yù)防的角度，更大的關(guān)節(jié)和肌肉剛度可能代表著更好的關(guān)節(jié)穩(wěn)定性，更低的損傷風(fēng)險(xiǎn)；而從運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的角度，較低的剛度或較大的屈服（compliance）可能更有利于力學(xué)負(fù)荷的吸收和彈性勢能的儲備從而增加運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)[36]。因此，人體在神經(jīng)系統(tǒng)的支配下需要選擇合理的肌肉激活策略，以便在避免運(yùn)動(dòng)損傷的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。

肌肉共激活（muscle co-activation）指關(guān)節(jié)周圍不同肌肉的同步活動(dòng)[25]。由于肌肉共激活與關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性緊密相關(guān)[2]，因此可能在運(yùn)動(dòng)損傷預(yù)防中發(fā)揮著重要的作用。如腘繩肌和股四頭肌的共激活不僅可以幫助膝關(guān)節(jié)對抗前向剪切力，還可以對抗膝關(guān)節(jié)的外展以及下肢動(dòng)態(tài)外翻（dynamic lower extremity valgus）[7]。目前已有關(guān)于下肢肌肉共激活在步態(tài)（gait）[42]、跳深（drop jump, DJ）[31,39]、快速起跳[2]和著地[1,11,35]等動(dòng)作的研究報(bào)道，但是，針對急停變向動(dòng)作下肢肌肉共激活模式的研究并不多見[7,20]。

鑒于在急停變向和跳深等動(dòng)作中，助跑速度在很大程度上決定了實(shí)際的碰撞負(fù)荷[29,47]，助跑速度的變化可能會對神經(jīng)肌肉的激活策略產(chǎn)生影響。Ruan等報(bào)道，著地前的助跑速度顯著增加跳深動(dòng)作中預(yù)激活和后激活階段股直肌、股外側(cè)肌、股二頭肌等的激活水平[39]。然而，尚未發(fā)現(xiàn)針對助跑速度對急停變向動(dòng)作中神經(jīng)肌肉激活特征影響的研究。此外，已有研究表明，在急停變向動(dòng)作中女性研究對象表現(xiàn)出了與男性研究對象不同的神經(jīng)肌肉激活策略。Hanson等發(fā)現(xiàn)，與男性運(yùn)動(dòng)員相比，女性運(yùn)動(dòng)員在急停變向動(dòng)作足觸地前階段以及緩沖支撐階段股四頭肌與腘繩肌的共激活比顯著增加，女性運(yùn)動(dòng)員在完成急停變向動(dòng)作時(shí)表現(xiàn)出明顯的股四頭肌主導(dǎo)的肌肉激活模式（quadriceps dominant muscle activation pattern）[20]。由此可以推斷，性別可能會對急停變向動(dòng)作中主動(dòng)肌和拮抗肌的共激活策略產(chǎn)生影響。但是，針對不同助跑速度條件下男、女性運(yùn)動(dòng)員在急停變向動(dòng)作中的神經(jīng)肌肉控制機(jī)制尚不明確。

因此，本研究的目的包括：1）分析不同助跑速度條件下男、女性運(yùn)動(dòng)員在45°急停變向動(dòng)作中膝、踝關(guān)節(jié)肌肉激活特征的差異性；2）分析預(yù)激活和后激活階段膝、踝關(guān)節(jié)肌肉共激活比之間的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而對男、女性運(yùn)動(dòng)員在45°急停變向動(dòng)作中的神經(jīng)肌肉激活機(jī)制進(jìn)行研究。本研究假設(shè)：1）助跑速度和性別顯著影響膝、踝關(guān)節(jié)肌肉激活特征以及膝、踝關(guān)節(jié)肌肉共激活比；2）預(yù)激活和后激活階段膝、踝關(guān)節(jié)肌肉共激活比之間存在顯著性相關(guān)關(guān)系。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

選取46名青年籃球和排球運(yùn)動(dòng)員為研究對象。所有研究對象在實(shí)驗(yàn)前均無任何下肢手術(shù)史，在實(shí)驗(yàn)前三個(gè)月內(nèi)無任何影響完成正常急停變向動(dòng)作的損傷。在實(shí)驗(yàn)正式開始之前向所有的研究對象講解研究目的、測試動(dòng)作要求和實(shí)驗(yàn)流程等。研究對象基本情況見表1。

表1 研究對象基本情況一覽表

2.2 研究方法

2.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究對象分別以3 m/s（慢速）、4 m/s（中速）和5 m/s（快速）的助跑速度完成45o急停變向動(dòng)作。本研究中使用的急停變向動(dòng)作要求研究對象優(yōu)勢側(cè)腿的足接觸測力臺之后開始減速緩沖，然后改變身體重心的方向并開始在新的動(dòng)作方向上通過優(yōu)勢側(cè)腿蹬地加速。測試現(xiàn)場示意圖如圖1所示，45o急停變向動(dòng)作如圖2所示。在測試開始前運(yùn)動(dòng)員完成10 min的準(zhǔn)備活動(dòng)，包括5 min的慢跑和5 min的動(dòng)態(tài)拉伸。每個(gè)助跑速度條件下采集3次有效動(dòng)作。有效動(dòng)作被定義為助跑速度在規(guī)定的范圍內(nèi)，動(dòng)作全程無肌電信號丟失且優(yōu)勢側(cè)足完全落在測力臺上。有效的助跑速度區(qū)間分別為2.7～3.3 m/s（慢速）、3.7～4.3 m/s（中速）和4.7～5.3 m/s（快速）。運(yùn)動(dòng)員每次完成的助跑速度完全隨機(jī)，動(dòng)作之間運(yùn)動(dòng)員有30 s的休息時(shí)間。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集

兩臺Smartspeed測速儀（Fusion Sport, Australia）分別距測力臺5 m和0 m用于記錄運(yùn)動(dòng)員的助跑速度。Smartspeed測速儀的高度與運(yùn)動(dòng)員的髖關(guān)節(jié)同高[48]。運(yùn)動(dòng)員從距離測力臺5 m之外的位置開始助跑。在每次數(shù)據(jù)采集之前運(yùn)動(dòng)員有機(jī)會熟悉測試動(dòng)作并確定合適的起跑位置。一臺三維測力臺（9287C, Kistler Instruments, Winterthur, Switzerland）安裝在測試區(qū)域的中央位置以采集45°急停變向動(dòng)作過程中地面反作用力參數(shù)用于確定足觸地時(shí)刻，采樣頻率為1 000 Hz。采用Delsys Trigno Lab 16通道無線表面肌電儀（Delsys, Boston, MA, USA）采集運(yùn)動(dòng)員在完成45°急停變向動(dòng)作過程中優(yōu)勢側(cè)股直?。╮ectus femoris, RF）、股內(nèi)側(cè)?。╲astus medialis, VM）、股外側(cè)?。╲astus lateralis,VL）、股二頭肌長頭（biceps femori: long head）、股二頭肌短頭（biceps femori: short head）、半腱肌（semitendinosus）、脛骨前?。╰ibialis anterior, TA）和腓腸肌外側(cè)頭（lateral gastrocnemius, LG）的表面肌電信號，采樣頻率為2 000 Hz。優(yōu)勢側(cè)下肢定義為運(yùn)動(dòng)員習(xí)慣性完成單腿起跳側(cè)下肢[49]。在安置電極前先進(jìn)行備皮工作，具體步驟如下：先使用剃須刀將肌肉表面的體毛剃除；再利用砂紙打磨皮膚表面直至皮膚呈微紅色；然后用75%濃度的醫(yī)用酒精處理打磨好的皮膚，最后待酒精完全揮發(fā)后利用雙面膠將肌電電極沿著肌纖維的走向貼在相應(yīng)肌肉的肌腹位置。電極放置的具體位置參考Perotto等人的方法[38]。電極放置完成后利用彈性綁帶將其固定以避免脫落。利用Qualisys Track Manager 2.15三維紅外動(dòng)作捕捉系統(tǒng)（Oqus, Qualisys, Gothenburg, Switzerland）對表面肌電信號和三維測力臺信號進(jìn)行同步，采樣頻率為200 Hz。

圖1 45°急停變向動(dòng)作測試現(xiàn)場示意圖

Figure1. Experimental Setup for 45°Side-step Cutting

圖2 45°急停變向動(dòng)作示意

Figure2. 45°Side-step Cutting

注：A足觸地時(shí)刻，B膝關(guān)節(jié)最大屈角時(shí)刻，C足離地時(shí)刻

2.2.3 數(shù)據(jù)處理

利用Delsys File Utility將由Delsys EMGworks 4.3軟件所采集的原始肌電信號轉(zhuǎn)換為C3D格式。然后，采用Visual 3D v6.0（C-Motion, Germantown, USA）對原始肌電數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。采用零滯后四階遞歸巴特沃斯濾波器對原始肌電信號進(jìn)行帶通過濾，截?cái)囝l率為10～500 Hz以除去人為干擾。對過濾后的肌電信號進(jìn)行全波整流（取絕對值），再進(jìn)行低通過濾，截?cái)囝l率為6 Hz[7,10]。

本研究評價(jià)的參數(shù)包括預(yù)激活階段（pre-activation）和后激活階段（post-activation）標(biāo)準(zhǔn)化股四頭肌（quadriceps, Q）、腘繩肌（hamstrings, H）、脛骨前?。═A）和腓腸肌外側(cè)頭（LG）的均方根振幅，膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比（knee co-activation ratio）和踝關(guān)節(jié)肌肉共激活比（ankle co-activation ratio）。肌肉共激活比的計(jì)算步驟如下：

1. 提取被測肌肉在慢速助跑45o急停變向動(dòng)作中過濾后的肌電信號峰值。

2. 計(jì)算被測肌肉三次有效動(dòng)作過濾后的肌電信號峰值的平均值。

3. 以提取過濾后的肌電信號峰值平均值為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算其它助跑速度條件下相應(yīng)肌電信號的相對值[1,9,37]。Branch等認(rèn)為，利用功能性動(dòng)作（functional movement）來標(biāo)準(zhǔn)化肌電信號與采用MVIC方法相比可以降低運(yùn)動(dòng)員之間的變異性[9]。目前，該方法廣泛用于變向[7,37]和著地[1]等動(dòng)作的肌電信號處理。

2.2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用3×2（助跑速度×性別）重復(fù)測量方差分析（repeated-measures ANOVA）觀察助跑速度和性別對股四頭肌、腘繩肌、脛骨前肌和腓腸肌外側(cè)頭在預(yù)激活和后激活階段肌電信號均方根振幅以及膝、踝關(guān)節(jié)肌肉共激活比的主效應(yīng)。采用Tukey’s post-hoc test對顯著性主效應(yīng)進(jìn)行事后檢驗(yàn)。采用皮爾遜積距相關(guān)（pearson’s product moment correlation）觀察預(yù)激活和后激活階段膝、踝關(guān)節(jié)肌肉共激活比之間的相關(guān)性。利用相關(guān)性系數(shù)和顯著性水平衡量相關(guān)性的強(qiáng)弱。=0.10表示低相關(guān)性，=0.30表示中等相關(guān)性，=0.50表示高相關(guān)性[12]。統(tǒng)計(jì)學(xué)分析的軟件為SPSS 22.0，顯著性水平定義為ɑ=0.05。

3 研究結(jié)果

3.1 助跑速度

男性運(yùn)動(dòng)員的實(shí)際助跑速度分別是3.20±0.17、3.95±0.23和4.72±0.21 m/s，女性運(yùn)動(dòng)員的實(shí)際助跑速度分別是3.16±0.20、4.02±0.20和4.92±0.37m/s。重復(fù)測量方差分析結(jié)果表明3個(gè)助跑速度之間均在顯著性差異（2,88=6.374,<0.001），而性別對運(yùn)動(dòng)員的助跑速度沒有顯著性影響（1,44=3.292,=0.076）。事后檢驗(yàn)結(jié)果表明，無論是男性運(yùn)動(dòng)員還是女性運(yùn)動(dòng)員，3個(gè)助跑速度之間均存在顯著性差異（<0.05）。

3.2 膝、踝關(guān)節(jié)肌肉激活特征

3.2.1 助跑速度對預(yù)激活和后激活階段膝、踝關(guān)節(jié)肌肉激活特征的影響

在預(yù)激活階段，助跑速度對股四頭?。?,88=17.957,<0.001）、腘繩肌（2,88=3.452,=0.046）和腓腸肌外側(cè)頭（2,88=5.611,=0.011）的激活水平以及膝關(guān)節(jié)（2,88=11.018,=0.001）和踝關(guān)節(jié)肌肉共激活比（2,88=4.365,=0.016）的主效應(yīng)有顯著性影響。就男性運(yùn)動(dòng)員而言，事后檢驗(yàn)結(jié)果表明，快速助跑條件下股四頭肌激活水平與慢速（<0.001）和中速（=0.006）相比存在明顯的差異；快速助跑條件下腓腸肌外側(cè)頭激活水平（=0.014）以及踝關(guān)節(jié)肌肉共激活比（=0.013）與慢速相比存在明顯的差異；慢速助跑條件下膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比與中速（=0.010）和快速（=0.001）相比存在顯著性差異。就女性運(yùn)動(dòng)員而言，事后檢驗(yàn)結(jié)果表明，快速助跑條件下股四頭肌激活水平（=0.002）、膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比（=0.008）與慢速相比存在明顯的差異（表2和圖3）。

在后激活階段，助跑速度顯著影響股四頭?。?,88=14.340,<0.001）、腘繩肌（2,88=6.125,=0.008）、脛骨前?。?,88=5.921,=0.008）和腓腸肌外側(cè)頭（2,88=12.138,<0.001）的主效應(yīng)。就男性運(yùn)動(dòng)員而言，事后檢驗(yàn)結(jié)果表明，快速助跑條件下股四頭肌激活水平與慢速（<0.001）和中速（=0.014）相比存在明顯的差異；快速助跑條件下腘繩?。?0.003）和腓腸肌外側(cè)頭（=0.004）激活水平與慢速相比存在明顯的差異。就女性運(yùn)動(dòng)員而言，事后檢驗(yàn)結(jié)果表明，快速助跑條件下股四頭肌激活水平與慢速（<0.001）和中速（=0.010）相比存在明顯的差異；快速助跑條件下腘繩?。?0.012）、脛骨前肌（=0.016）和腓腸肌外側(cè)頭（=0.010）激活水平與慢速相比存在明顯的差異（表3和圖4）。

表2 預(yù)激活階段膝、踝關(guān)節(jié)肌肉的標(biāo)準(zhǔn)化均方根振幅和肌肉共激活比一覽表

圖3 助跑速度和性別對預(yù)激活階段膝、踝關(guān)節(jié)肌肉的標(biāo)準(zhǔn)化均方根振幅和肌肉共激活比的影響

Figure3. Effects of Approach Run Speed and Gender on Normalized Root Mean Square Amplitudes and the Co-activation Ratio of Knee and Ankle Muscles in the Pre-activation Phase

注：*表示助跑速度之間存在顯著性差異（<0.05），下同。

表3 后激活階段膝、踝關(guān)節(jié)肌肉的標(biāo)準(zhǔn)化均方根振幅和肌肉共激活比一覽表

3.2.2 性別對預(yù)激活和后激活階段膝、踝關(guān)節(jié)肌肉激活特征的影響

在預(yù)激活階段，性別對股四頭肌（1.44=6.899,=0.013）和脛骨前?。?.44=4.299,=0.045）激活水平以及膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比（1.44=19.788,<0.001）的主效應(yīng)有顯著性影響（表2和圖3）。在后激活階段，性別顯著影響股四頭肌（1.44=8.379,=0.007）和脛骨前?。?.44= 4.090,=0.045）激活水平以及膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比（1.44=9.658,=0.004）的主效應(yīng)（表3和圖4）。助跑速度和性別對預(yù)激活和后激活階段膝、踝關(guān)節(jié)肌肉的標(biāo)準(zhǔn)化均方根振幅和肌肉共激活比均無交互影響。

Figure4. Effects of Approach Run Speed and Gender on Normalized Root Mean Square Amplitudes and the Co-activation Ratio of Knee and Ankle Muscles in the Post-activation Phase

3.2.3 預(yù)激活和后激活階段膝、踝關(guān)節(jié)肌肉共激活比的相關(guān)性皮爾遜積距相關(guān)分析結(jié)果表明，預(yù)激活和后激活階段的整體（合并助跑速度和性別）膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比（=0.790,<0.001）、踝關(guān)節(jié)肌肉共激活比（=0.652,<0.001）顯著相關(guān)。就具體的助跑速度而言，慢速、中速和快速助跑條件下預(yù)激活階段和后激活階段的膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比（0.692≤≤0.823,<0.001）、踝關(guān)節(jié)肌肉共激活比（0.604≤≤0.715,<0.001）均呈顯著性正相關(guān)關(guān)系。無論是男性運(yùn)動(dòng)員還是女性運(yùn)動(dòng)員，其預(yù)激活階段和后激活階段的膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比（=0.823和502,<0.001）、踝關(guān)節(jié)肌肉共激活比（=0.795和0.440,<0.001）均呈顯著性正相關(guān)關(guān)系（表4）。

表4 預(yù)激活和后激活階段膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)肌肉共激活比的相關(guān)系數(shù)一覽表

注：顯著性水平為<0.05。

4 討論與分析

4.1 助跑速度對預(yù)激活和后激活階段膝、踝關(guān)節(jié)肌肉激活特征的影響分析

急停變向和跳深等快速拉伸-縮短循環(huán)（stretch-shortening cycle，SSC）動(dòng)作涉及前饋（如預(yù)激活）和牽張反射（如后激活）等神經(jīng)控制機(jī)制[44]。在前饋機(jī)制方面，Dietz[16]和Gollhofer[18]等將預(yù)激活解釋為預(yù)編程的神經(jīng)元激活（pre-programmed neuronal activation）。預(yù)激活的時(shí)序和幅度受中樞神經(jīng)系統(tǒng)的控制，其主要功能在于讓肌肉在較短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生最大的力[40]。在類似于急停變向和跳深等動(dòng)作中，肌肉需要100 ms左右的時(shí)間來產(chǎn)生最大的力[39]；然而，大多數(shù)ACL損傷發(fā)生在足觸地后瞬間（足觸地后的17～50 ms之內(nèi)）[30]。這表明在快速運(yùn)動(dòng)中如果肌肉沒能被充分預(yù)激活，那么其對關(guān)節(jié)和軟組織的功能將被抑制。當(dāng)肌肉在足觸地前被充分激活（預(yù)激活），肌肉的刺激動(dòng)力學(xué)（stimulation dynamics）和興奮動(dòng)力學(xué)（excitation dynamics）開始工作，以至于在足觸地后肌肉力量得以迅速提高[41]。因此，預(yù)激活可能通過調(diào)節(jié)肌肉力潛能[41]和關(guān)節(jié)剛度[27]來實(shí)現(xiàn)對關(guān)節(jié)或組織的保護(hù)。足著地后短潛伏期反應(yīng)（short latency response, SLR）是最早的牽張反射反應(yīng)期[45]。Cronin等的研究發(fā)現(xiàn)，SLR水平與碰撞加速度峰值顯著相關(guān)，而與跖屈牽拉的幅度之間沒有相關(guān)性[14]。基于這一發(fā)現(xiàn)，作者認(rèn)為，擾動(dòng)開始后振動(dòng)刺激（vibratory stimuli）傳遞到下肢，增加了對肌梭Ia型傳入神經(jīng)纖維刺激從而提高肌肉的后激活水平[14]。Komi[27]和Cronin[13]等發(fā)現(xiàn)，后激活階段肌肉激活水平的提高可能會增加著地動(dòng)作早期離心階段的肌肉剛度?；诖?，緩沖支撐期間牽張反射可能通過增加下肢肌肉剛度來影響變向動(dòng)作的表現(xiàn)。

本研究結(jié)果部分支持第1個(gè)研究假設(shè)。助跑速度顯著影響膝、踝關(guān)節(jié)肌肉（股四頭肌、腘繩肌和腓腸肌外側(cè)頭等）預(yù)激活和后激活階段的標(biāo)準(zhǔn)化均方根振幅，具體表現(xiàn)為：預(yù)激活階段男性運(yùn)動(dòng)員快速助跑條件下股四頭肌激活水平顯著高于慢速和中速助跑，快速助跑條件下腓腸肌外側(cè)頭激活水平顯著高于慢速助跑；女性運(yùn)動(dòng)員快速助跑條件下股四頭肌激活水平顯著高于慢速助跑。對于后激活階段，男性運(yùn)動(dòng)員快速助跑條件下股四頭肌激活水平顯著高于慢速和中速助跑，快速助跑條件下腘繩肌和腓腸肌外側(cè)頭激活水平顯著高于慢速助跑；女性運(yùn)動(dòng)員快速助跑條件下脛骨前肌激活水平顯著高于慢速助跑。預(yù)激活階段肌肉活動(dòng)的主要作用在于準(zhǔn)備肌肉-肌腱復(fù)合體（muscle-tendon complex）以應(yīng)對足著地后快速、強(qiáng)有力的拉伸動(dòng)作[40]。當(dāng)考慮整個(gè)肌肉-肌腱復(fù)合體在應(yīng)對強(qiáng)有力拉伸的反應(yīng)時(shí)，由于處于激活狀態(tài)肌肉的肌腱剛度相對穩(wěn)定，而肌肉剛度是唯一受神經(jīng)調(diào)節(jié)的成分[50]，因此，中樞神經(jīng)系統(tǒng)通過增加肌肉的預(yù)激活水平來提高肌肉和關(guān)節(jié)的剛度以吸收由于更高的助跑速度所產(chǎn)生的更大地面反作用力和身體環(huán)節(jié)動(dòng)能。如前所述，助跑速度在很大程度上決定了實(shí)際的碰撞負(fù)荷[29,47]，助跑速度增加時(shí)中樞神經(jīng)系統(tǒng)通過提高相關(guān)肌肉的預(yù)激活水平來預(yù)知更大的地面反作用力[40]。Tam等人的研究也發(fā)現(xiàn)跑動(dòng)速度顯著影響預(yù)激活階段股二頭肌和脛骨前肌等的激活水平，而且預(yù)激活階段膝關(guān)節(jié)共激活比與膝關(guān)節(jié)的剛度存在顯著性正相關(guān)關(guān)系[43]。這一研究發(fā)現(xiàn)證實(shí)了預(yù)激活階段肌肉激活水平與關(guān)節(jié)剛度之間的關(guān)聯(lián)性。目前，尚未發(fā)現(xiàn)有關(guān)于助跑速度對45°急停變向動(dòng)作中下肢肌肉預(yù)激活水平影響的研究報(bào)道。而本研究的結(jié)果與Christoforidou等針對跳深動(dòng)作的研究結(jié)果基本一致[11]。該研究表明，在跳深動(dòng)作中隨著著地高度的增加預(yù)激活和牽張反射的水平也隨之增加[11]。此外，賈誼等通過對不同起跳方式下膝關(guān)節(jié)肌肉共收縮指數(shù)進(jìn)行研究后認(rèn)為，動(dòng)作速度可能是影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)對主動(dòng)肌與拮抗肌控制策略的主要因素[2]。這表明神經(jīng)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)肌肉的預(yù)激活水平這一策略來為更大的碰撞負(fù)荷做準(zhǔn)備。此外，更高的預(yù)激活和后激活水平可以通過準(zhǔn)備拮抗?。N繩肌和脛骨前肌）以提高肌肉的剛度這種方式來更好地對抗由于更快的助跑速度所產(chǎn)生的更大碰撞負(fù)荷[27]。關(guān)于助跑速度對肌肉后激活水平的影響機(jī)制，助跑過程中所產(chǎn)生的肌肉組織振動(dòng)可能具有一定的影響。振動(dòng)假設(shè)（vibration hypothesis）表明，更快的助跑速度可能對肌梭感受器產(chǎn)生更大的振動(dòng)刺激，從而引起更高的肌肉后激活水平[14]。本研究的結(jié)果證實(shí)，隨著助跑速度的增加，后激活階段膝、踝關(guān)節(jié)肌肉的激活水平顯著增加。但是，這一激活水平的增加是否與不同助跑速度條件下所產(chǎn)生的振動(dòng)刺激有關(guān)仍需進(jìn)一步的驗(yàn)證。

除了前饋和牽張反射機(jī)制之外，主動(dòng)肌和拮抗肌的共激活也可能發(fā)揮著重要的作用。Baratta等的研究表明，主動(dòng)肌和拮抗肌的共激活可以提高關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性并促進(jìn)關(guān)節(jié)周圍力的合理分布[6]。本研究的結(jié)果表明，在預(yù)激活階段，慢速和快速助跑條件下男、女性運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比分別為3.39和1.72以及1.67和1.34。盡管助跑速度顯著降低預(yù)激活階段膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比，但是其均不小于1。膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比大于1提示在預(yù)激活階段膝關(guān)節(jié)以腘繩肌為主導(dǎo)的激活模式。這對于膝關(guān)節(jié)的損傷預(yù)防具有重要的意義。從力學(xué)的角度，當(dāng)施加的負(fù)荷超過軟組織的強(qiáng)度時(shí)便可能出現(xiàn)損傷。就ACL而言，其負(fù)荷取決于作用于膝關(guān)節(jié)的外部負(fù)荷（external load）、外力作用時(shí)的膝關(guān)節(jié)表面的運(yùn)動(dòng)學(xué)（kinematics）和幾何位置（geometry position）以及膝關(guān)節(jié)周圍肌肉的激活特征（muscle activation）[7]。在足觸地前，中樞神經(jīng)系統(tǒng)通過激活腘繩肌的方式來對抗足觸地后脛骨相對于股骨的前向移動(dòng)從而起到保護(hù)ACL的作用[7]。因此，從神經(jīng)肌肉激活的角度，在預(yù)激活階段由于助跑速度的提高而引起的膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比的增加可能不會對ACL的損傷產(chǎn)生顯著影響。

就踝關(guān)節(jié)而言，助跑速度顯著增加預(yù)激活腓腸肌外側(cè)頭的激活水平，而踝關(guān)節(jié)肌肉共激活比顯著下降。踝關(guān)節(jié)肌肉共激活比下降這一結(jié)果與傅維杰等的研究結(jié)果基本一致。傅維杰等的研究發(fā)現(xiàn)，隨著著地下落高度的增加，預(yù)激活階段踝關(guān)節(jié)肌肉共激活比表現(xiàn)出下降的趨勢[1]?？焖僦軛l件下較低的踝關(guān)節(jié)肌肉共激活比提示脛骨前肌的激活水平與腓腸肌外側(cè)頭的激活水平相比明顯不足，這可能在一定程度上影響踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。Lin等發(fā)現(xiàn)，脛骨前肌的激活水平與踝關(guān)節(jié)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性呈正相關(guān)關(guān)系[32]。因此，在快速助跑條件下，較低的脛骨前肌激活水平可能不利于對踝關(guān)節(jié)的保護(hù)。這對于功能性踝關(guān)節(jié)不穩(wěn)的患者來說尤其重要。

4.2 性別對預(yù)激活和后激活階段膝、踝關(guān)節(jié)肌肉激活特征的影響分析

本研究結(jié)果部分支持性別對膝、踝關(guān)節(jié)肌肉激活特征存在顯著性影響這一假設(shè)。本研究發(fā)現(xiàn)，女性運(yùn)動(dòng)員前、后激活階段膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比顯著低于男性運(yùn)動(dòng)員。3種助跑速度條件下前激活階段男、女性運(yùn)動(dòng)員的膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比分別是3.39和1.72，2.13和1.50以及1.67和1.34，3種助跑速度條件下后激活階段男、女性運(yùn)動(dòng)員的膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比分別是1.72和0.89，1.27和0.77以及0.98和0.68。膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比小于1提示以股四頭肌主導(dǎo)的激活模式[4]。這表明預(yù)激活階段盡管膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比存在性別差異性，但是膝關(guān)節(jié)仍以腘繩肌激活為主導(dǎo)。然而，除了男性運(yùn)動(dòng)員在慢速和中速助跑條件下后激活階段膝關(guān)節(jié)以腘繩肌激活為主導(dǎo)外，其他條件下，男、女運(yùn)動(dòng)員后激活階段膝關(guān)節(jié)均以股四頭肌激活為主。此外，這些數(shù)據(jù)還提示，隨助跑速度的增加，男、女運(yùn)動(dòng)員在45°急停變向動(dòng)作的后激活階段更多地依靠股四頭肌主導(dǎo)的激活模式。

當(dāng)腘繩肌激活不充分或激活時(shí)序不適宜時(shí)其對膝關(guān)節(jié)的保護(hù)功能將被抑制，膝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)也隨之上升[21]。一項(xiàng)前瞻性研究報(bào)道，與未損傷的運(yùn)動(dòng)員相比，經(jīng)歷ACL斷裂的運(yùn)動(dòng)員在完成變向動(dòng)作時(shí)半腱肌的前激活水平顯著降低；相反，股外側(cè)肌的前激活水平顯著提高[51]。這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)了股四頭肌和腘繩肌的共激活在預(yù)防ACL損傷中的重要作用。針對膝關(guān)節(jié)主動(dòng)肌和拮抗肌的共激活現(xiàn)象，De Luca等提出了股四頭肌和腘繩肌之間的“共驅(qū)動(dòng)”（common drive）機(jī)制[15]。作者認(rèn)為主動(dòng)肌和拮抗肌的激活水平受中樞共激活機(jī)制的控制。當(dāng)主動(dòng)肌和拮抗肌參與某一特定動(dòng)作時(shí)，共驅(qū)動(dòng)通過讓它們作為一個(gè)整體來控制了肌肉的運(yùn)動(dòng)單位[15]。膝關(guān)節(jié)的共驅(qū)動(dòng)通過合理地量化股四頭肌和腘繩肌激活比來最小化膝關(guān)節(jié)脛骨的前向剪切力，從而降低作用在ACL上的力學(xué)負(fù)荷。但是，本研究和Hanson等[20]的研究結(jié)果表明“共驅(qū)動(dòng)”機(jī)制似乎也存在性別差異性。女性運(yùn)動(dòng)員表現(xiàn)出與腘繩肌不匹配的股四頭肌激活水平。這對于ACL損傷預(yù)防來說具有重要的意義。在膝關(guān)節(jié)屈角小于45°時(shí)，股四頭肌產(chǎn)生的力通過牽拉髕韌帶的方式增加ACL的負(fù)荷[34]。有研究報(bào)道，在45°急停變向動(dòng)作足觸地時(shí)刻膝關(guān)節(jié)的屈角在15°～30°之間[20]。由此可見，女性運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比的下降可能是其ACL損傷風(fēng)險(xiǎn)提高的潛在危險(xiǎn)因素之一。

4.3 預(yù)激活和后激活階段膝、踝關(guān)節(jié)肌肉共激活比的相關(guān)性分析

本研究的結(jié)果支持第2個(gè)研究假設(shè)。無論是從整體還是從助跑速度和性別的角度，膝、踝關(guān)節(jié)預(yù)激活和后激活階段肌肉共激活比均存在中等到高度的相關(guān)性（0.440≤≤0.823）。Avela等認(rèn)為，肌肉的預(yù)激活水平可能影響肌肉的后激活水平[5]。Lesinski等的研究發(fā)現(xiàn)，在著地起跳動(dòng)作中，前饋和牽張反射機(jī)制之間存在關(guān)聯(lián)性[31]。本研究進(jìn)一步證實(shí)，45°急停變向動(dòng)作的前饋和牽張反射機(jī)制之間存在關(guān)聯(lián)性。Linnamo等認(rèn)為，只有在牽張之前產(chǎn)生最大的預(yù)激活時(shí)更高的牽張速度才能發(fā)揮更大的肌肉力潛能[33]。從功能性的視角，預(yù)激活和后激活之前的關(guān)聯(lián)性主要用于調(diào)節(jié)肌肉剛度。Gottlieb等認(rèn)為，預(yù)激活通過提高α-γ共激活來增加肌梭的敏感性，從而促進(jìn)牽張反射[19]。而牽張反射作為一種補(bǔ)償機(jī)制可以增加拉長階段的肌肉剛度。因此，人體在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的支配下通過協(xié)調(diào)預(yù)激活和后激活策略來促進(jìn)肌肉剛度的調(diào)節(jié)從而實(shí)現(xiàn)對下肢關(guān)節(jié)和組織的保護(hù)并提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。

5 結(jié)論

助跑速度顯著影響膝、踝關(guān)節(jié)周圍肌肉的激活特征。隨助跑速度的增加，中樞神經(jīng)系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)預(yù)激活和后激活水平來提高肌肉激活水平。在45°急停變向動(dòng)作中預(yù)激活和后激活之間存在較高關(guān)聯(lián)性，這提示，中樞神經(jīng)系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)預(yù)激活和后激活策略調(diào)節(jié)肌肉和關(guān)節(jié)的剛度以達(dá)到保護(hù)下肢關(guān)節(jié)和組織并提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的目的。后激活階段女性運(yùn)動(dòng)員的膝關(guān)節(jié)肌肉共激活比顯著低于男性運(yùn)動(dòng)員，且均以股四頭肌為主導(dǎo)的激活模式。膝關(guān)節(jié)肌肉激活模式的顯著性別差異提示，女性運(yùn)動(dòng)員在完成45°急停變向動(dòng)作時(shí)較男性運(yùn)動(dòng)員相比具有更高的ACL損傷風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 傅維杰,劉宇,黃靈燕,等.不同著地方式下鞋緩沖特性對下肢肌肉活化及共激活的影響[J].中國運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)雜志,2014,33(9):860-868.

[2] 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特征研究 [J].中國體育科技,2017,53(2):64-70.

[3] 劉宇,魏勇.運(yùn)動(dòng)科學(xué)領(lǐng)域的下肢剛度研究 [J].上海體育學(xué)院學(xué)報(bào),2008,32(5):31-35.

[4] AAGAARD P, SIMONSEN E B, ANDERSEN J L,. Antagonist muscle coactivation during isokinetic knee extension [J]. Scan J Med Sci Sports, 2000, 10(2):58-67.

[5] AVELA J, SANTOS P M, KOMI P V. Effects of differently induced stretch loads on neuromuscular control in drop jump exercise [J]. Eur J Appl Physiol, 1996, 72(5-6):553-562.

[6] BARATTA R, SOLOMONOW M, ZHOU B H,. Muscular coactivation. The role of the antagonist musculature in maintaining knee stability [J]. Am J Sports Med, 1988, 16(2):113-122.

[7] BESIER T F, LLOYD D G, ACKLAND T R. Muscle activation strategies at the knee during running and cutting maneuvers [J]. Med Sci Sports Exerc, 2003, 35(1):119-127.

[8] BLACKBURN J T, PADUA D A, WEINHOLD P S,. Comparison of triceps surae structural stiffness and material modulus across sex [J]. Clin Biomech, 2006, 21(2):159-167.

[9] BRANCH T P, HUNTER R, DONATH M. Dynamic EMG analysis of anterior cruciate deficient legs with and without bracing during cutting [J]. Am J Sports Med, 1989, 17(1):35-41.

[10] BROWN T N, MCLEAN S G, PALMIERISMITH R M. Associations between lower limb muscle activation strategies and resultant multi-planar knee kinetics during single leg landings [J]. J Sci Med Sport, 2014, 17(4):408-413.

[11] CHRISTOFORIDOU A, PATIKAS D A, BASSA E,. Landing from different heights: Biomechanical and neuromuscular strategies in trained gymnasts and untrained prepubescent girls [J].J Electromyogr Kinesiol, 2017, 32(2):1-8.

[12] COHEN J. A power primer [J]. Psychol Bull, 1992, 112(1):155-159.

[13] CRONIN N J, CARTY C P, BARRETT R S. Triceps surae short latency stretch reflexes contribute to ankle stiffness regulation during human running [J]. PloS One, 2011, 6(8):e23917.

[14] CRONIN N J, RANTALAINEN T, AVELA J. Triceps surae fascicle stretch is poorly correlated with short latency stretch reflex size [J]. Muscle Nerve, 2015, 52(2):245-251.

[15] DE LUCA C J, MAMBRITO B. Voluntary control of motor units in human antagonist muscles: coactivation and reciprocal activation [J]. J Neurophysiol, 1987, 58(3):525-542.

[16] DIETZ V, SCHMIDTBLEICHER D, NOTH J. Neuronal mechanisms of human locomotion [J]. J Neurophysiol, 1979, 42(5):1212-1222.

[17] FU W, FANG Y, GU Y,. Shoe cushioning reduces impact and muscle activation during landings from unexpected, but not self-initiated, drops [J]. J Sci Med Sport, 2017, 20(10):915-920.

[18] GOLLHOFER A, KYROLAINEN H. Neuromuscular control of the human leg extensor muscles in jump exercises under various stretch-load conditions [J]. Int J Sports Med, 1991, 12(1):34-40.

[19] GOTTLIEB G L, AGARWAL G C, JAEGER R J. Response to sudden torques about ankle in man. IV. A functional role of alpha-gamma linkage [J]. J Neurophysiol, 1981, 46(1):179-190.

[20] HANSON A M, PADUA D A, TROY B J,. Muscle activation during side-step cutting maneuvers in male and female soccer athletes [J]. J Athl Train, 2008, 43(2):133-143.

[21] HEWETT T E, MYER G D, FORD K R. Anterior cruciate ligament injuries in female athletes: Part 1, mechanisms and risk factors [J]. Am J Sports Med, 2006, 34(2):299-311.

[22] HOFFREN M, ISHIKAWA M, KOMI P V. Age-related neuromuscular function during drop jumps [J]. J Appl Physiol, 2007, 103(4):1276-1283.

[23] HORIRA T, KOMI P V, NICOL C,. Interaction between pre-landing activities and stiffness regulation of the knee joint musculoskeletal system in the drop jump: implications to performance [J]. Eur J Appl Physiol, 2002, 88(1-2):76-84.

[24] JONES P A, HERRINGTON L C, MUNRO A G,. Is there a relationship between landing, cutting, and pivoting tasks in terms of the characteristics of dynamic valgus? [J]. Am J Sports Med, 2014, 42(9):2095-2102.

[25] KELLIS E, ARABATZI F, PAPADOPOULOS C. Muscle co-activation around the knee in drop jumping using the co-contraction index [J]. J Electromyogr Kinesiol, 2003, 13(3):229-238.

[26] KOGA H, NAKAMAE A, SHIMA Y,. Mechanisms for noncontact anterior cruciate ligament injuries knee joint kinematics in 10 injury situations from female team handball and basketball [J]. Am J Sports Med, 2010, 38(11):2218-2225.

[27] KOMI P V, GOLLHOFER A. Stretch reflexes can have an important role in force enhancement during SSC exercise [J]. J Appl Biomech, 1997, 13(4):451-460.

[28] KRAMER A, RITZMANN R, GRUBER M,. Leg stiffness can be maintained during reactive hopping despite modified acceleration conditions [J]. J Biomech, 2012, 45(10):1816-1822.

[29] KRISTIANSLUND E, FAUL O, BAHR R,. Sidestep cutting technique and knee abduction loading: implications for ACL prevention exercises [J]. Brit J Sports Med, 2014, 48(9):779-783.

[30] KROSSHAUG T, NAKAMAE A, BODEN B P,. Mechanisms of anterior cruciate ligament injury in basketball: video analysis of 39 cases [J]. Am J Sports Med, 2007, 35(3):359-367.

[31] LESINSKI M, PRIESKE O, BEURSKENS R,. Effects of drop height and surface instability on neuromuscular activation during drop jumps [J]. Scan J Med Sci Sports, 2017, 27(10):1090-1098.

[32] LIN C F, CHEN C Y, LIN C W. Dynamic ankle control in athletes with ankle instability during sports maneuvers [J]. Am J Sports Med, 2011, 39(9):2007-2015.

[33] LINNAMO V, STROJNIK V, KOMI P V. Maximal force during eccentric and isometric actions at different elbow angles [J]. Eur J Appl Physiol, 2006, 96(6):672-678.

[34] MARKOLF K L, BURCHFIELD D M, SHAPIRO M M,. Combined knee loading states that generate high anterior cruciate ligament forces [J]. J Orth Res, 1995, 13(6):930-935.

[35] MOKHTARZADEH H, YEOW C H, GOH J,. Antagonist muscle co-contraction during a double-leg landing maneuver at two heights [J]. Com Met Biomech Biomedical Eng, 2017, 20(13):1382-1393.

[36] NEEDLE A R, BAUMEISTER J, KAMINSKI T W,. Neuromechanical coupling in the regulation of muscle tone and, joint stiffness [J]. Scan J Med Sci Sports, 2014, 24(5):737-748.

[37] NEPTUNE R R, WRIGHT I C, VAN DEN BOGERT A J. Muscle coordination and function during cutting movements [J]. Med Sci Sports Exerc, 1999, 31(2):294-302.

[38] PEROTTO A, DELAGI E F. Anatomical Guide for the Electrom-yographer: The Limbs and Trunk [M]. Charles C. Thomas, 1994.

[39] RUAN M, LI L. Approach run increases preactivation and eccentric phases muscle activity during drop jumps from different drop heights [J]. J Electromyogr Kinesiol, 2010, 20(5):932-938.

[40] SANTELLO M. Review of motor control mechanisms underlying impact absorption from falls [J]. Gait Posture, 2005, 21(1):85-94.

[41] SCHENAU G J V I, BOBBERT M F, HAAN A D. Mechanics and energetics of the stretch-shortening cycle: A stimulating discussion [J]. J Appl Biomech, 1997, 13(4):484-496.

[42] SOUISSI H, ZORY R, BREDIN J,. Comparison of methodologies to assess muscle co-contraction during gait [J]. J Biomech, 2017, 24(57):141-145.

[43] TAM N, SANTOSCONCEJERO J, COETZEE D R,. Muscle co-activation and its influence on running performance and risk of injury in elite Kenyan runners [J]. J Sports Sci, 2016, 35(2):175-181.

[44] TAUBE W, LEUKEL C, GOLLHOFER A. How neurons make us jump: the neural control of stretch-shortening cycle movements [J]. Exec Sport Sci Rev, 2012, 40(2):106-115.

[45] TAUBE W, LEUKELC, SCHUBERT M,. Differential modulation of spinal and corticospinal excitability during drop jumps [J]. J Neurophysiol, 2008, 99(3):1243-1252.

[46] THOMAS S J, SWANIK C B, HIGGINSON J S,. Neuromuscular and stiffness adaptations in division I collegiate baseball players [J]. J Electromyogr Kinesiol, 2013, 23(1):102-109.

[47] VANRENTERGHEM J, VENABLES E, PATAKY T,. The effect of running speed on knee mechanical loading in females during side cutting [J]. J Biomech, 2012, 45(14):2444-2449.

[48] YEADON M R, KATO T, KERWIN D G. Measuring running speed using photocells [J]. J Sports Sci, 1999, 17(3):249-257.

[49] YU B, LIN C F, GARRETT W E. Lower extremity biomechanics during the landing of a stop-jump task [J]. Clin Biomech, 2006, 21(3):297-305.

[50] ZAJAC F E. Muscle and tendon: properties [J]. Crit Rev Biomed Eng, 1989, 17(4):359-410.

[51] ZEBIS M K, ANDERSEN L L, BENCKE J,. Identification of athletes at future risk of anterior cruciate ligament ruptures by neuromuscular screening [J]. Am J Sports Med, 2009, 37(10):1967-1973.

The Muscle Activation Characteristics of Knee and Ankle Ｄuring 45°Side-step Cutting Task under Different Approach Run Speeds

YUAN Peng1,2, XU Yi-lin1, WANG Dan3, ZHOU Su-po1,4, CHEN Wei1

1. Jiangsu Research Institute of Sports Science, Nanjing 210033, China; 2. Soochow University, Suzhou 215006, China; 3. Shanghai University of Sport, Shanghai 200438, China; 4. Nanjing SportInstitute, Nanjing 210014, China.

Objective: To compare the differences of muscle activation characteristics of knee and ankle between male and female participants under different approach run velocities. In addition, the correlation between pre co-activation ratio and post co-activation ratio of muscles in knee and ankle joint was further analyzed. Methods: Forty-six youth basketball and volleyball players completed 45° side-step cutting task at 3, 4 and 5 m/s, respectively. Delsys wireless surface electromyography (EMG) was used to collect the EMG signals of quadriceps (rectus femoris, vastus medialis and vastus lateralis), hamstrings (biceps femori long head and short head, semitendinosus), tibialis anterior and lateral gastrocnemius. The normalized root-mean-square amplitudes and the co-activation ratio of knee and ankle muscles in the pre-activation and post-activation phases at three approach run velocities were analyzed. Results: The approach run velocities significantly increased the activation levels of quadriceps and lateral gastrocnemius during the pre-activation phase (<0.05), the activation levels of quadriceps, hamstring, tibialis anterior and lateral gastrocnemius muscles during the post-activation phase (<0.05), but significantly reduced the muscle co-activation ratio of the knee and ankle in the pre-activation phase (<0.05). The activation level of quadriceps and tibialis anterior muscle in females were significantly higher than that of the males (<0.05) during pre-activation and post-activation phases, but muscle co-activation ratio of the knee in females during pre-activation and post-activation phases was significantly lower than in males (<0.05). Muscle co-activation ratio in knee and ankle was significantly correlated between pre-activation and post-activation phase (<0.05). Conclusions: With increasing approach run speed, central nervous system increased the muscle activation level by adjusting the pre-activation and post-activation mechanisms. There was moderate to high correlation between the pre-activation and post-activation mechanisms in the 45° side-step cutting task, which suggests that the coordination of pre-activation and post-activation can adjust the stiffness of muscles and joints to protect the joints and tissues of the lower extremities and to improve the athletic performance. The lower knee joint muscles co-activation ratio in post-activation phase quadriceps dominant activation pattern suggested that the females may suffer higher risk of ACL injury in 45° than their male counterparts. To some extent, gender difference in activation patterns of the knee muscles may explain the gender difference in ACL injury risk.

G804.6

A

10.16469/j.css.201808006

1000-677X(2018)08-0049-10

2018-04-13；

2018-08-13

江蘇省體育局局管指向性課題(ST14019307)。

袁鵬,男,副研究員,在讀博士研究生,主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué),E-mail:limid_yp@126.com。