郭 峰，王健壯，張 寧

（1.沈陽體育學(xué)院運(yùn)動人體科學(xué)學(xué)院，遼寧沈陽110102；2.大連理工大學(xué)體育教學(xué)部，遼寧 大連116024；3.國家體育總局登山運(yùn)動管理中心，北京100763）

攀巖運(yùn)動已經(jīng)成為2020年東京奧運(yùn)會的正式比賽項目。攀巖運(yùn)動在中國經(jīng)過十多年，特別是近幾年的發(fā)展，已初具規(guī)模，并吸引了越來越多的年輕人參加，發(fā)展前景十分可喜。

國內(nèi)有關(guān)競技攀巖運(yùn)動的科學(xué)化訓(xùn)練以及運(yùn)動醫(yī)務(wù)監(jiān)督方面的研究幾乎是空白，目前只檢索到一篇有關(guān)競技攀巖運(yùn)動員訓(xùn)練監(jiān)控方面的研究文獻(xiàn)，是劉傳勤等人對我國優(yōu)秀攀巖速度賽運(yùn)動員賽前血乳酸與心率變化特征進(jìn)行了探究［1］。最近，國內(nèi)有學(xué)者開始研究攀巖運(yùn)動的生物力學(xué)特征，例如汪海軍對兩名優(yōu)秀攀巖運(yùn)動員竄跳動作進(jìn)行了生物力學(xué)分析［2］、蔡勇等人對速度攀巖運(yùn)動員的起跑動作進(jìn)行了分析［3］。另外，國內(nèi)外學(xué)者利用表面肌電技術(shù)對攀巖運(yùn)動員上肢肌肉的工作情況進(jìn)行了測試。有關(guān)攀巖運(yùn)動研究較多的是利用表面肌電判斷攀巖運(yùn)動員前臂在承擔(dān)一定負(fù)荷條件下其肌肉的疲勞情況，例如田鮮花等人在實(shí)驗室內(nèi)觀察了攀巖運(yùn)動員在攀爬過程中前臂肌肉疲勞時表面肌電信號的變化特征［4］。國外Watts等人觀察了高水平攀巖運(yùn)動員手指承受不同力量負(fù)荷時在不同間歇休息時間下對前臂屈指肌表面肌電信號的影響［5］。他們發(fā)現(xiàn)休息1min和休息3min時對受試者攀爬時指屈肌表面肌電的峰值幅值沒有影響。即使攀巖運(yùn)動在國外發(fā)展的比較快，但是更多有關(guān)攀巖運(yùn)動的科學(xué)研究也僅僅主要集中在攀巖運(yùn)動損傷以及手指發(fā)力特征方面［6－8］。

實(shí)際上以上這些學(xué)者在對攀巖運(yùn)動進(jìn)行研究時都脫離了專項動作，也就是說他們的研究不能真正反映運(yùn)動員在完成專項攀爬動作中的生物學(xué)特點(diǎn)，而且他們的研究對象通常是大學(xué)生院隊水平的受試者。鑒于目前體育科研手段對攀巖運(yùn)動項目研究的限制［9］，直到目前為止，在國內(nèi)外的研究中很少見到有研究人員對攀巖運(yùn)動員的15m專項攀爬訓(xùn)練進(jìn)行系統(tǒng)的生物學(xué)監(jiān)測和診斷。筆者嘗試使用便攜式儀器設(shè)備，通過采集我國優(yōu)秀攀巖（速度賽）運(yùn)動員專項訓(xùn)練過程血乳酸、心率、肌電以及視頻動作，進(jìn)而了解速度攀巖運(yùn)動項目的能量代謝特點(diǎn)以及神經(jīng)肌肉控制特點(diǎn)，力圖為我國能夠繼續(xù)培養(yǎng)出優(yōu)秀的速度賽攀巖運(yùn)動員以及備戰(zhàn)2020年東京奧運(yùn)會提供理論和訓(xùn)練學(xué)依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以國家攀巖集訓(xùn)隊的速度攀巖項目運(yùn)動員為研究對象，共12名優(yōu)秀運(yùn)動員，其中男子6名運(yùn)動員，身高為（171.2±2.1）cm，體重為（65.2±4.8）kg，年齡（23.1±1.1）歲，訓(xùn)練年限（6.2±1.2）年；女子6名運(yùn)動員，身高為（162.1±3.4）cm，體重為（54.2±4.1）kg，年齡（21.3±1.3）歲，訓(xùn)練年限（5.6±0.9）a。在測試開始前，向受試者講清楚實(shí)驗過程，每一名受試者都自愿參加本研究，而且填寫了知情同意書。

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗設(shè)計

以攀巖速度賽運(yùn)動員攀爬過程為觀察對象，采集受試者在運(yùn)動過程中的心率、完成全程15 m攀爬后3 min測試受試者的血乳酸。同時在受試者全程攀爬過程中采集受試者雙側(cè)上下肢肌肉的表面肌電信號和視頻信號。

1.2.2 實(shí)驗程序

在正式實(shí)驗測試前，受試者進(jìn)行30 min的熱身運(yùn)動，主要包括拉伸練習(xí)、慢跑。熱身過程中將無線遙測心率帶佩戴在每個運(yùn)動員身上，以便觀察運(yùn)動員在熱身過程中的運(yùn)動強(qiáng)度。

熱身運(yùn)動過后為運(yùn)動員的上下肢相關(guān)肌肉粘貼表面肌電電極，然后用彈性繃帶將表面電極連線捆綁好，以便電極線的移動影響運(yùn)動員的技術(shù)動作和表面肌電信號。正式實(shí)驗時運(yùn)動員在開始運(yùn)動前，測試者利用遙控器發(fā)送一個同步信號，這個同步信號分別發(fā)送給肌電采集器和攝像機(jī)，待觀察收到同步信號后，發(fā)出指令讓運(yùn)動員開始運(yùn)動。運(yùn)動員在完成全程15 m的攀爬距離后，即刻記錄下受試者的運(yùn)動時間。待運(yùn)動員運(yùn)動休息3 min后，采取受試者耳血進(jìn)行血乳酸測試。

1.2.3 實(shí)驗器材與材料

ME6000－16無線遙測表面肌電儀（芬蘭，ME6000，帶通濾波，信噪比，），便攜式血乳酸儀（日本），一次性表面電極（申風(fēng)，上海），血乳酸試劑條（日本）、彈性繃帶、75%酒精棉球、一次性采血針、筆記本電腦、高清常速攝像機(jī)、三腳架。

1.2.4 數(shù)據(jù)采集與分析

1.2.4.1 心率采集與分析 對于心率數(shù)據(jù)來說，Sunto遙測心率團(tuán)隊包的采樣頻率設(shè)置為10 Hz。記錄受試者在整個訓(xùn)練過程中的心率情況。包括受試者在攀爬15 m競賽距離時的最大心率值。

1.2.4.2 表面肌電采集與分析 對于表面肌電信號數(shù)據(jù)來說，分別選取左右側(cè)下肢的脛骨前肌、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭、股外側(cè)??；左右側(cè)背闊??；左右側(cè)上肢的肱三頭肌長頭、肱二頭肌、前臂屈指肌群、前臂伸指肌群，共16塊肌肉［10］。數(shù)據(jù)采集模式采用原始肌電信號模式，采樣頻率設(shè)置為1000 Hz，同步采集視頻信號。在粘貼電極前，用砂紙打磨皮膚，去掉皮膚的角質(zhì)層，然后用酒精擦拭干凈，自然風(fēng)干后粘貼電極。肌電信號的記錄模式采用雙極記錄，即兩個記錄電極和一個參考電極，兩個記錄電極置于肌肉的最大隆起處，同時注意避開神經(jīng)肌肉支配區(qū)；兩個記錄電極的距離為2 cm，其連線方向與基線走形方向平行，參考電極與兩個記錄電極成等邊三角形。

利用外觸發(fā)同步法對肌電信號和視頻信號進(jìn)行單點(diǎn)同步，即肌電信號出現(xiàn)Marker時刻與視頻信號中信號燈出現(xiàn)亮點(diǎn)的視頻畫面作為同步點(diǎn)，從而完成單點(diǎn)同步。

肌電信號同步完成后，對原始肌電信號通過均方根振幅法（RMS）進(jìn)行全波整流，即將全部的肌電幅值變成正電壓幅值［11］。然后求出每一個攀爬動作中相關(guān)肌肉sEMG的RMS平均值。

1.2.4.3 血乳酸采集與分析 在運(yùn)動員完成每次攀爬后3 min時采集受試者的耳血進(jìn)行血乳酸測試，用75%酒精棉球?qū)Χ惯M(jìn)行消毒處理，使用一次性采血針采集運(yùn)動員的耳血。第一滴血擦拭掉不用，取第二滴耳血作為測試樣本。血乳酸測試使用微量血測試法，將血液吸到一次性血乳酸試劑條上，等待60 s后即出現(xiàn)血乳酸結(jié)果。測試前先用校正試劑條對便攜式血乳酸儀進(jìn)行校正，然后進(jìn)行正式測試。

1.2.5 數(shù)理統(tǒng)計法

使用統(tǒng)計軟件SPSS16.0和GraphPad 5.0進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析和做圖。為了探討攀巖速度項目運(yùn)動員能量代謝特征，將運(yùn)動員運(yùn)動過后血乳酸濃度、最大心率與運(yùn)動成績進(jìn)行相關(guān)分析。另外，為了評價運(yùn)動員的神經(jīng)肌肉疲勞特點(diǎn)，將運(yùn)動員運(yùn)動初始與運(yùn)動后段相關(guān)肌肉的肌電幅值進(jìn)行了配對樣本T檢驗，將運(yùn)動員左右側(cè)肢體相關(guān)肌肉的表面肌電信號進(jìn)行配對樣本T檢驗。顯著性標(biāo)準(zhǔn)為0.05。

2 結(jié)果

2.1 心率、血乳酸與運(yùn)動成績

本次調(diào)查的男女速度攀巖運(yùn)動員血乳酸、最大心率和運(yùn)動成績指標(biāo)如表1所示：運(yùn)動員在完成15 m速度攀爬休息3 min后的血乳酸水平在5.2～7.7 mmol／L；運(yùn)動后出現(xiàn)最大心率，其范圍在161～185次／min，運(yùn)動員的成績在 7.2～13.8 s。其中男子運(yùn)動員子運(yùn)動后 3 min血乳酸水平為（5.8±0.76）mmol／L，女子為（6.8±0.76）mmol／L。男子運(yùn)動員在全力攀爬過程中的最大心率為（175.1±8.63）beat／min，女子運(yùn)動員為（165.8±5.64）beat／min。男子運(yùn)動員平均成績?yōu)椋?.1±0.81）s，女子運(yùn)動員的平均成績?yōu)椋?1.8±1.22）s。鑒于體能水平不同，可見男女運(yùn)動員的成績和肌肉能量代謝之間存在明顯差異。

表1 男子和女子運(yùn)動員血乳酸、最大心率以及運(yùn)動成績

為了全面評估速度攀巖項目的能量代謝特點(diǎn)，筆者觀察了全部男女運(yùn)動員在15 m攀爬過程中最大心率、血乳酸和運(yùn)動成績之間的關(guān)系，對這些指標(biāo)之間進(jìn)行了線性相關(guān)分析（圖1）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)運(yùn)動成績與運(yùn)動員15 m速度攀爬后的最大心率之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（r＝－0.56，P＝0.056，R2＝0.31），說明速度攀爬運(yùn)動員運(yùn)動中動員的心率越大其運(yùn)動成績越好。同時運(yùn)動員的運(yùn)動成績與運(yùn)動員15m攀爬后3 min的血乳酸也呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系（r＝0.59，P＝0.043，R2＝0.35），即運(yùn)動員在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的血乳酸越高其運(yùn)動成績越差。

圖1 運(yùn)動過程中最大心率、血乳酸與運(yùn)動成績之間的相關(guān)性

2.2 動作結(jié)構(gòu)特征與肌電特征

運(yùn)動員在完成動作時，動作結(jié)構(gòu)特征明顯，一側(cè)下肢蹬伸—蹬伸過程中同側(cè)上肢抓握點(diǎn)—對側(cè)下肢蹬伸—蹬伸過程中同側(cè)上肢抓握點(diǎn)。這種周期性動作使得上下肢肌肉輪流工作，其運(yùn)動過程中上下肢肌肉的表面肌電信號如圖2所示。

從圖3和圖4可以看出，速度攀巖運(yùn)動員在完成周期性攀爬過程中上肢相關(guān)肌肉（肱二頭肌、肱三頭肌、指屈肌、指伸?。┑谋砻婕‰姺抵饾u增加，其中右側(cè)上肢肱二頭肌（P＜0.01）和指屈?。≒＜0.05）的肌電幅值與運(yùn)動初始相比顯著增加，而且對于左側(cè)來說這些肌肉的肌電幅值增加的幅度更大（圖4）。但是在速度攀爬過程中下肢肌肉表面肌電信號幅值變化不大，并沒有出現(xiàn)顯著性增加的變化。在本研究中發(fā)現(xiàn)盡管在攀爬過程中左右側(cè)上肢肌肉的表面肌電信號幅值都增加了，但是左側(cè)增加得更為明顯，為此進(jìn)一步將運(yùn)動初始與運(yùn)動后期左右肢體的表面肌電信號的電活動總量進(jìn)行了比較（圖5），發(fā)現(xiàn)在運(yùn)動后段左側(cè)肢體肌肉的放電總量要顯著高于右側(cè)。

鑒于指屈肌和肱二頭肌在整個運(yùn)動過程中的變化最明顯，本研究觀察了速度攀爬運(yùn)動員指屈肌和肱二頭肌sEMG的頻域變化，如圖6所示。左右側(cè)指屈肌和肱二頭肌表面肌電信號的頻譜成分MPF隨著運(yùn)動的進(jìn)行顯著下降，說明肌肉發(fā)生了明顯的疲勞現(xiàn)象。

圖2 1名速度攀巖運(yùn)動員15 m攀爬過程中的相關(guān)肌肉表面肌電信號

圖3 全部受試者在運(yùn)動初始和運(yùn)動后段右側(cè)上下肢肌肉sEMG的RMS幅值變化

圖4 全部受試者在運(yùn)動初始和運(yùn)動后段左側(cè)上下肢肌肉sEMG的RMS幅值變化

圖5 全部受試者左右側(cè)上下肢肌肉sEMG的電活動總量比較

3 討論

3.1 速度攀巖15 m專項攀爬的能量代謝特征

從本研究的數(shù)據(jù)能夠推測攀巖速度賽是以ATP CP供能為主，并伴有血乳酸供能。數(shù)據(jù)顯示女子運(yùn)動員的成績要低于男子運(yùn)動員，同時伴隨著較高的血乳酸水平。從其中1名訓(xùn)練年限較短、訓(xùn)練水平較低的女子受試者的數(shù)據(jù)可以看出其運(yùn)動成績較低（13.8 s），同時伴隨著機(jī)體產(chǎn)生較高的血乳酸（7.7 mmol／L），說明該運(yùn)動員機(jī)體內(nèi) ATP CP能源系統(tǒng)的供能較差。其原因有兩個：1）ATP CP能源物質(zhì)儲備量低；2）ATP CP產(chǎn)能效率低，即相關(guān)代謝酶活性低。眾多研究表明ATP CP是體內(nèi)的快速功能物質(zhì)，其快速供能時間在6～8s［12］；如果其儲備量低，機(jī)體就會動用另外一個供能系統(tǒng)來參與供能——糖酵解供能系統(tǒng)，但是糖酵解供能系統(tǒng)的供能速率要比ATP CP供能系統(tǒng)的功能速率低，同時還會產(chǎn)生代謝產(chǎn)物血乳酸，而血乳酸會刺激機(jī)體，使機(jī)體產(chǎn)生疲勞，工作效率下降。大量的血乳酸堆積甚至使個人產(chǎn)生疼痛感而無法繼續(xù)運(yùn)動。從研究結(jié)果能夠看出該名運(yùn)動員的血乳酸水平最高，其運(yùn)動成績也是最慢，就是因為其在運(yùn)動過程中更多地依賴糖酵解供能，而糖酵解供能的速度要比ATP CP供能系統(tǒng)慢，同時還會刺激機(jī)體使其工作效率下降。另外，本研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)動水平高的運(yùn)動員其心臟的動員能力強(qiáng)，在最大強(qiáng)度運(yùn)動中能夠達(dá)到較高的心率水平。

總體來說，從心率、運(yùn)動成績以及血乳酸之間的關(guān)系中，我們能夠判斷速度攀巖運(yùn)動員訓(xùn)練水平越高其血乳酸水平越低，運(yùn)動成績就越好。同時，訓(xùn)練水平高、運(yùn)動能力強(qiáng)的運(yùn)動員在運(yùn)動過程中能達(dá)到更高的最大心率水平。

3.2 攀巖運(yùn)動員15 m專項攀爬過程中神經(jīng)肌肉疲勞特征

從原始肌電圖中，我們可以看出在運(yùn)動員整個攀爬過程中受試者上下肢肌肉都參與工作，而且這種肌肉活動是周期性、交替性進(jìn)行的。與下肢肌肉的表面肌電信號相比，上肢的指屈肌和指伸肌的放電時程較長，平均時程達(dá)到0.9 s，但是電位幅值很高，說明在完成技術(shù)動作過程中前臂的指屈肌非常重要，另外指伸肌與指屈肌放電模式相同，這可能是通過肌肉共激活的形式激活指伸?。?3］。通過肌電和視頻同步分析，可知指屈肌和指伸肌幾乎以相同的模式同時收縮，其目的主要是通過手抓握攀點(diǎn)固定身體姿勢，起固定肌的作用，所以指屈肌和指伸肌的放電時程比較長，屬于等長收縮。指屈肌和指伸肌同時收縮主要是以中樞神經(jīng)系統(tǒng)的共激活途徑來完成的。拮抗肌共激活或者說主動肌與拮抗肌的同時收縮可以提高關(guān)節(jié)的剛度，提高關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。肌肉共激活主要受中樞對主動肌和拮抗肌的調(diào)節(jié)，其他旁路也已經(jīng)被證明參與調(diào)節(jié)主動肌和拮抗肌的共激活。高位神經(jīng)中樞會發(fā)出神經(jīng)沖動興奮脊髓處的閏召細(xì)胞，當(dāng)閏召細(xì)胞激活時，可以抑制Ia交互抑制性中間神經(jīng)元，這樣會使對拮抗肌產(chǎn)生去抑制化，使拮抗肌收縮加強(qiáng)。這提示運(yùn)動員在平時訓(xùn)練中除了訓(xùn)練指屈肌練習(xí)外，還要加強(qiáng)指伸肌的力量。

另外，本研究有一個特殊的現(xiàn)象，即運(yùn)動員在運(yùn)動初始時左右側(cè)肢體總體電活動總量相近，但是當(dāng)運(yùn)動后段與運(yùn)動初始相比，左右側(cè)肢體肌肉的電活動量水平都增加了，其中左側(cè)肢體肌肉的電活動水平增加的更明顯。這種電活動量增加是機(jī)體疲勞的一種表現(xiàn)。鑒于肌肉疲勞的發(fā)生，機(jī)體要通過募集更多的運(yùn)動單位來維持當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài)。隨著運(yùn)動持續(xù)進(jìn)行，肌肉內(nèi)能源物質(zhì)消耗得不到及時補(bǔ)充，再加上代謝產(chǎn)物的堆積，肌肉就會發(fā)生疲勞。但是，運(yùn)動員為了每一次收縮都能夠達(dá)到目標(biāo)力水平，他們的大腦需要不斷激活脊髓處更多的運(yùn)動神經(jīng)元，以便募集更多的肌纖維進(jìn)而補(bǔ)償疲勞的肌纖維，保證力量輸出水平不變。因此，在運(yùn)動員肌肉疲勞過程中肌肉表面肌電信號的幅值增加，這正是機(jī)體外周肌肉疲勞過程中大腦中樞進(jìn)行調(diào)控的一種表現(xiàn)。同時，表面肌電信號的頻域變化情況也證明了運(yùn)動員在攀爬過程中肌肉發(fā)生了疲勞現(xiàn)象，尤其是肱二頭肌和指屈肌這些小肌群發(fā)生了明顯的疲勞。

進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)右側(cè)肢體在運(yùn)動過程中中電活動量增加主要是肱二頭肌，而左側(cè)幾乎所有肌肉的放電量都要高于之前的水平，其中指屈肌、肱二頭肌、背闊肌和肱三頭肌更為明顯，說明在運(yùn)動后段運(yùn)動員更多地通過動用左側(cè)肢體肌肉來完成最后的運(yùn)動任務(wù)，這可能是機(jī)體運(yùn)動單位“輪換工作”的結(jié)果。很多學(xué)者試圖采用一些實(shí)驗驗證運(yùn)動單位“輪換工作”的存在。例如國外有學(xué)者以小強(qiáng)度誘發(fā)受試者斜方肌疲勞，他們發(fā)現(xiàn)在試驗結(jié)束時有部分閾值較高的斜方肌運(yùn)動單位被激活，而之前激活的低閾值運(yùn)動單位處于“安靜休息”狀態(tài)。但是這種現(xiàn)象在試驗開始前幾分鐘并不明顯，因為安靜的運(yùn)動單位在休息一段時間后可以被重新激活，因而在運(yùn)動開始的時候并沒有動員高閾值的運(yùn)動單位。作者推測人體運(yùn)動單位可能通過替代方式保護(hù)之前工作的運(yùn)動單位免遭損傷［14］。在另一項研究中，國外的Sogaard［15］記錄了人體肘關(guān)節(jié)以10%MVC強(qiáng)度進(jìn)行靜力性和動力性屈曲動作時單個運(yùn)動單位的工作情況，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)一個運(yùn)動單位被募集并且放電率增加時，另一個運(yùn)動單位則表現(xiàn)為電活動發(fā)放率降低，最終停止其電活動。Cote等人［16］比較了人體在拉鋸過程中疲勞狀態(tài)下神經(jīng)肌肉發(fā)生的變化。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)人體拉鋸后期發(fā)生疲勞時，盡管這個動作幅度沒有發(fā)生變化，但是仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)受試者肘關(guān)節(jié)的運(yùn)動幅度降低，而肩關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)運(yùn)動幅度增加，進(jìn)而彌補(bǔ)疲勞帶來的不利影響。因此，即使在肘關(guān)節(jié)處發(fā)生了肌肉疲勞，人體系統(tǒng)會利用自身運(yùn)動裝置的“冗余性”來維持末端關(guān)節(jié)必要的運(yùn)動軌跡。而且我們之前還從大腦中樞激活的水平證明了運(yùn)動疲勞過程中存在運(yùn)動單位輪換工作的機(jī)制［17－18］。我們前期的研究發(fā)現(xiàn)，隨著肌肉疲勞程度的加深大腦相關(guān)皮質(zhì)激活區(qū)域表現(xiàn)更多地在運(yùn)動同側(cè)大腦半球以及大腦前部和深部。而本研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)動員在攀爬過程中左側(cè)肢體肌肉電活動代償性增加，這些整體運(yùn)動行為的變化可能是由于運(yùn)動過程中高級中樞大腦皮質(zhì)感覺運(yùn)動區(qū)的激活源發(fā)生移動引起的。另外，還有一個原因可能是目前我國速度攀巖運(yùn)動員的左側(cè)上肢肌肉力量普遍偏弱，所以表現(xiàn)出左側(cè)上肢小肌肉群更容易疲勞。

4 結(jié)論

運(yùn)動水平低的運(yùn)動員運(yùn)動后血乳酸水平高，同時伴隨著較高的心率水平，從數(shù)據(jù)中能推測攀巖速度賽運(yùn)動員是以ATP CP供能為主，并伴有糖酵解供能。另外，本研究發(fā)現(xiàn)對于速度攀巖運(yùn)動員來說，上肢小肌肉群更容易疲勞，下肢大肌群沒有發(fā)生顯著疲勞，而且發(fā)現(xiàn)左側(cè)上肢肌肉力量較弱，應(yīng)該加強(qiáng)左側(cè)上肢小肌群的肌肉力量。