不同助跑速度條件下45°急停變向動作的膝和踝關節(jié)肌肉激活特征分析

袁 鵬，許貽林，王 丹，周蘇坡,4，陳 偉

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不同助跑速度條件下45°急停變向動作的膝和踝關節(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.江蘇省體育科學研究所 生物力學實驗室, 江蘇 南京 210033；2.蘇州大學 體育學院, 江蘇 蘇州 215006; 3.上海體育學院 體育教育訓練學院，上海 200438; 4.南京體育學院 運動健康科學系, 江蘇 南京 210014

目的：比較不同助跑條件下男、女性運動員在45°急停變向動作中膝、踝關節(jié)肌肉激活特征的差異性并進一步分析預激活和后激活階段膝、踝關節(jié)肌肉共激活比之間的相關性。方法：46名青年籃球和排球運動員分別以3、4和5 m/s的助跑速度完成45°急停變向動作。采用Delsys無線表面肌電儀收集股四頭肌（股直肌、股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)?。?、腘繩?。ò腚旒?、股二頭肌長頭和短頭）、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激活和后激活階段膝、踝關節(jié)肌肉的標準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），但顯著降低預激活階段膝、踝關節(jié)肌肉共激活比（<0.05）。女性運動員預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動員（<0.05），但預激活和后激活階段膝關節(jié)肌肉共激活比顯著低于男性運動員（<0.05）。膝、踝關節(jié)預激活和后激活階段的肌肉共激活比顯著相關（<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)預激活和后激活機制來提高肌肉激活水平。預激活和后激活機制之間在45°急停變向動作中存在較高關聯(lián)性，這提示，通過協(xié)調(diào)預激活和后激活策略能夠調(diào)節(jié)肌肉和關節(jié)的剛度以達到保護下肢關節(jié)和組織并提高運動表現(xiàn)的目的。后激活階段更低的膝關節(jié)肌肉共激活比以及股四頭肌為主導的激活模式提示，女性運動員在完成45°急停變向動作時具有更高的ACL損傷風險。膝關節(jié)肌肉激活模式的性別差異性可能在一定程度上解釋ACL損傷風險的性別差異性。

急停變向；預激活；牽張反射；共激活；神經(jīng)肌肉控制

1 前言

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

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動方向這一類動作的足觸地后瞬間（17～50 ms之內(nèi)）[30]。當人體著地（landing）或改變姿勢時，下肢剛度（lower extremity stiffness）的調(diào)節(jié)是最先啟動的動作神經(jīng)反射機制[3]。剛度作為一個物理學變量其表示的是物體在受載時抵抗變形的能力[3]。對于著地和急停變向等動作來說重要的調(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肌和拮抗肌的激活來實現(xiàn)對剛度的調(diào)節(jié)[22,23,28]。Thomas等人認為，肌肉的激活可以成倍地增加關節(jié)剛度[46]。而Blackburn等的研究進一步表明，在著地動作中與腘繩肌剛度較低的運動員相比，那些腘繩肌剛度更高的運動員表現(xiàn)出更低的脛骨前向剪切力[8]。從運動損傷預防的角度，更大的關節(jié)和肌肉剛度可能代表著更好的關節(jié)穩(wěn)定性，更低的損傷風險；而從運動表現(xiàn)的角度，較低的剛度或較大的屈服（compliance）可能更有利于力學負荷的吸收和彈性勢能的儲備從而增加運動表現(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，以便在避免運動損傷的同時實現(xiàn)更高的運動表現(xiàn)。

肌肉共激活（muscle co-activation）指關節(jié)周圍不同肌肉的同步活動[25]。由于肌肉共激活與關節(jié)的穩(wěn)定性緊密相關[2]，因此可能在運動損傷預防中發(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節(jié)對抗前向剪切力，還可以對抗膝關節(jié)的外展以及下肢動態(tài)外翻（dynamic lower extremity valgus）[7]。目前已有關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]等動作的研究報道，但是，針對急停變向動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作中，助跑速度在很大程度上決定了實際的碰撞負荷[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等報道，著地前的助跑速度顯著增加跳深動作中預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)，與男性運動員相比，女性運動員在急停變向動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，女性運動員在完成急停變向動作時表現(xiàn)出明顯的股四頭肌主導的肌肉激活模式（quadriceps dominant muscle activation pattern）[20]。由此可以推斷，性別可能會對急停變向動作中主動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、女性運動員在急停變向動作中的神經(jīng)肌肉控制機制尚不明確。

因此，本研究的目的包括：1）分析不同助跑速度條件下男、女性運動員在45°急停變向動作中膝、踝關節(jié)肌肉激活特征的差異性；2）分析預激活和后激活階段膝、踝關節(jié)肌肉共激活比之間的關聯(lián)性，進而對男、女性運動員在45°急停變向動作中的神經(jīng)肌肉激活機制進行研究。本研究假設：1）助跑速度和性別顯著影響膝、踝關節(jié)肌肉激活特征以及膝、踝關節(jié)肌肉共激活比；2）預激活和后激活階段膝、踝關節(jié)肌肉共激活比之間存在顯著性相關關系。

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動員為研究對象。所有研究對象在實驗前均無任何下肢手術史，在實驗前三個月內(nèi)無任何影響完成正常急停變向動作的損傷。在實驗正式開始之前向所有的研究對象講解研究目的、測試動作要求和實驗流程等。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 實驗設計

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急停變向動作。本研究中使用的急停變向動作要求研究對象優(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急停變向動作如圖2所示。在測試開始前運動員完成10 min的準備活動，包括5 min的慢跑和5 min的動態(tài)拉伸。每個助跑速度條件下采集3次有效動作。有效動作被定義為助跑速度在規(guī)定的范圍內(nèi)，動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）。運動員每次完成的助跑速度完全隨機，動作之間運動員有30 s的休息時間。

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用于記錄運動員的助跑速度。Smartspeed測速儀的高度與運動員的髖關節(jié)同高[48]。運動員從距離測力臺5 m之外的位置開始助跑。在每次數(shù)據(jù)采集之前運動員有機會熟悉測試動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°急停變向動作過程中地面反作用力參數(shù)用于確定足觸地時刻，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）采集運動員在完成45°急停變向動作過程中優(yōu)勢側(cè)股直?。╮ectus femoris, RF）、股內(nèi)側(cè)肌（vastus medialis, VM）、股外側(cè)肌（vastus 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）、脛骨前肌（tibialis 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)下肢定義為運動員習慣性完成單腿起跳側(cè)下肢[49]。在安置電極前先進行備皮工作，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行同步，采樣頻率為200 Hz。

圖1 45°急停變向動作測試現(xiàn)場示意圖

Figure1. Experimental Setup for 45°Side-step Cutting

圖2 45°急停變向動作示意

Figure2. 45°Side-step Cutting

注：A足觸地時刻，B膝關節(jié)最大屈角時刻，C足離地時刻

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行帶通過濾，截斷頻率為10～500 Hz以除去人為干擾。對過濾后的肌電信號進行全波整流（取絕對值），再進行低通過濾，截斷頻率為6 Hz[7,10]。

本研究評價的參數(shù)包括預激活階段（pre-activation）和后激活階段（post-activation）標準化股四頭?。╭uadriceps, Q）、腘繩?。╤amstrings, H）、脛骨前?。═A）和腓腸肌外側(cè)頭（LG）的均方根振幅，膝關節(jié)肌肉共激活比（knee co-activation ratio）和踝關節(jié)肌肉共激活比（ankle co-activation ratio）。肌肉共激活比的計算步驟如下：

1. 提取被測肌肉在慢速助跑45o急停變向動作中過濾后的肌電信號峰值。

2. 計算被測肌肉三次有效動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準，計算其它助跑速度條件下相應肌電信號的相對值[1,9,37]。Branch等認為，利用功能性動作（functional movement）來標準化肌電信號與采用MVIC方法相比可以降低運動員之間的變異性[9]。目前，該方法廣泛用于變向[7,37]和著地[1]等動作的肌電信號處理。

2.2.4 統(tǒng)計學分析

采用3×2（助跑速度×性別）重復測量方差分析（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)頭在預激活和后激活階段肌電信號均方根振幅以及膝、踝關節(jié)肌肉共激活比的主效應。采用Tukey’s post-hoc test對顯著性主效應進行事后檢驗。采用皮爾遜積距相關（pearson’s product moment correlation）觀察預激活和后激活階段膝、踝關節(jié)肌肉共激活比之間的相關性。利用相關性系數(shù)和顯著性水平衡量相關性的強弱。=0.10表示低相關性，=0.30表示中等相關性，=0.50表示高相關性[12]。統(tǒng)計學分析的軟件為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

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

3.2 膝、踝關節(jié)肌肉激活特征

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

在預激活階段，助跑速度對股四頭?。?,88=17.957,<0.001）、腘繩?。?,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節(jié)（2,88=11.018,=0.001）和踝關節(jié)肌肉共激活比（2,88=4.365,=0.016）的主效應有顯著性影響。就男性運動員而言，事后檢驗結(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。就女性運動員而言，事后檢驗結(jié)果表明，快速助跑條件下股四頭肌激活水平（=0.002）、膝關節(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?。?,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。就男性運動員而言，事后檢驗結(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肌（=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。就女性運動員而言，事后檢驗結(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?。?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 預激活階段膝、踝關節(jié)肌肉的標準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激活階段膝、踝關節(jié)肌肉的標準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、踝關節(jié)肌肉的標準化均方根振幅和肌肉共激活比一覽表

3.2.2 性別對預激活和后激活階段膝、踝關節(jié)肌肉激活特征的影響

在預激活階段，性別對股四頭?。?.44=6.899,=0.013）和脛骨前肌（1.44=4.299,=0.045）激活水平以及膝關節(jié)肌肉共激活比（1.44=19.788,<0.001）的主效應有顯著性影響（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）激活水平以及膝關節(jié)肌肉共激活比（1.44=9.658,=0.004）的主效應（表3和圖4）。助跑速度和性別對預激活和后激活階段膝、踝關節(jié)肌肉的標準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 預激活和后激活階段膝、踝關節(jié)肌肉共激活比的相關性皮爾遜積距相關分析結(jié)果表明，預激活和后激活階段的整體（合并助跑速度和性別）膝關節(jié)肌肉共激活比（=0.790,<0.001）、踝關節(jié)肌肉共激活比（=0.652,<0.001）顯著相關。就具體的助跑速度而言，慢速、中速和快速助跑條件下預激活階段和后激活階段的膝關節(jié)肌肉共激活比（0.692≤≤0.823,<0.001）、踝關節(jié)肌肉共激活比（0.604≤≤0.715,<0.001）均呈顯著性正相關關系。無論是男性運動員還是女性運動員，其預激活階段和后激活階段的膝關節(jié)肌肉共激活比（=0.823和502,<0.001）、踝關節(jié)肌肉共激活比（=0.795和0.440,<0.001）均呈顯著性正相關關系（表4）。

表4 預激活和后激活階段膝關節(jié)和踝關節(jié)肌肉共激活比的相關系數(shù)一覽表

注：顯著性水平為<0.05。

4 討論與分析

4.1 助跑速度對預激活和后激活階段膝、踝關節(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）動作涉及前饋（如預激活）和牽張反射（如后激活）等神經(jīng)控制機制[44]。在前饋機制方面，Dietz[16]和Gollhofer[18]等將預激活解釋為預編程的神經(jīng)元激活（pre-programmed neuronal activation）。預激活的時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間內(nèi)產(chǎn)生最大的力[40]。在類似于急停變向和跳深等動作中，肌肉需要100 ms左右的時間來產(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]。這表明在快速運動中如果肌肉沒能被充分預激活，那么其對關節(jié)和軟組織的功能將被抑制。當肌肉在足觸地前被充分激活（預激活），肌肉的刺激動力學（stimulation dynamics）和興奮動力學（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，預激活可能通過調(diào)節(jié)肌肉力潛能[41]和關節(jié)剛度[27]來實現(xiàn)對關節(jié)或組織的保護。足著地后短潛伏期反應（short latency response, SLR）是最早的牽張反射反應期[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，而與跖屈牽拉的幅度之間沒有相關性[14]?；谶@一發(fā)現(xiàn)，作者認為，擾動開始后振動刺激（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作的表現(xiàn)。

本研究結(jié)果部分支持第1個研究假設。助跑速度顯著影響膝、踝關節(jié)肌肉（股四頭肌、腘繩肌和腓腸肌外側(cè)頭等）預激活和后激活階段的標準化均方根振幅，具體表現(xiàn)為：預激活階段男性運動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；女性運動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，男性運動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；女性運動員快速助跑條件下脛骨前肌激活水平顯著高于慢速助跑。預激活階段肌肉活動的主要作用在于準備肌肉-肌腱復合體（muscle-tendon complex）以應對足著地后快速、強有力的拉伸動作[40]。當考慮整個肌肉-肌腱復合體在應對強有力拉伸的反應時，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)通過增加肌肉的預激活水平來提高肌肉和關節(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)動能。如前所述，助跑速度在很大程度上決定了實際的碰撞負荷[29,47]，助跑速度增加時中樞神經(jīng)系統(tǒng)通過提高相關肌肉的預激活水平來預知更大的地面反作用力[40]。Tam等人的研究也發(fā)現(xiàn)跑動速度顯著影響預激活階段股二頭肌和脛骨前肌等的激活水平，而且預激活階段膝關節(jié)共激活比與膝關節(jié)的剛度存在顯著性正相關關系[43]。這一研究發(fā)現(xiàn)證實了預激活階段肌肉激活水平與關節(jié)剛度之間的關聯(lián)性。目前，尚未發(fā)現(xiàn)有關于助跑速度對45°急停變向動作中下肢肌肉預激活水平影響的研究報道。而本研究的結(jié)果與Christoforidou等針對跳深動作的研究結(jié)果基本一致[11]。該研究表明，在跳深動作中隨著著地高度的增加預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節(jié)肌肉共收縮指數(shù)進行研究后認為，動作速度可能是影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)對主動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)肌肉的預激活水平這一策略來為更大的碰撞負荷做準備。此外，更高的預激活和后激活水平可以通過準備拮抗肌（腘繩肌和脛骨前?。┮蕴岣呒∪獾膭偠冗@種方式來更好地對抗由于更快的助跑速度所產(chǎn)生的更大碰撞負荷[27]。關于助跑速度對肌肉后激活水平的影響機制，助跑過程中所產(chǎn)生的肌肉組織振動可能具有一定的影響。振動假設（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，隨著助跑速度的增加，后激活階段膝、踝關節(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)生的振動刺激有關仍需進一步的驗證。

除了前饋和牽張反射機制之外，主動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，主動肌和拮抗肌的共激活可以提高關節(jié)的穩(wěn)定性并促進關節(jié)周圍力的合理分布[6]。本研究的結(jié)果表明，在預激活階段，慢速和快速助跑條件下男、女性運動員膝關節(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激活階段膝關節(jié)肌肉共激活比，但是其均不小于1。膝關節(jié)肌肉共激活比大于1提示在預激活階段膝關節(jié)以腘繩肌為主導的激活模式。這對于膝關節(jié)的損傷預防具有重要的意義。從力學的角度，當施加的負荷超過軟組織的強度時便可能出現(xiàn)損傷。就ACL而言，其負荷取決于作用于膝關節(jié)的外部負荷（external load）、外力作用時的膝關節(jié)表面的運動學（kinematics）和幾何位置（geometry position）以及膝關節(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從而起到保護ACL的作用[7]。因此，從神經(jīng)肌肉激活的角度，在預激活階段由于助跑速度的提高而引起的膝關節(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。

就踝關節(jié)而言，助跑速度顯著增加預激活腓腸肌外側(cè)頭的激活水平，而踝關節(jié)肌肉共激活比顯著下降。踝關節(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，預激活階段踝關節(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節(jié)動態(tài)穩(wěn)定性呈正相關關系[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節(jié)的保護。這對于功能性踝關節(jié)不穩(wěn)的患者來說尤其重要。

4.2 性別對預激活和后激活階段膝、踝關節(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、踝關節(jié)肌肉激活特征存在顯著性影響這一假設。本研究發(fā)現(xiàn)，女性運動員前、后激活階段膝關節(jié)肌肉共激活比顯著低于男性運動員。3種助跑速度條件下前激活階段男、女性運動員的膝關節(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、女性運動員的膝關節(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。膝關節(jié)肌肉共激活比小于1提示以股四頭肌主導的激活模式[4]。這表明預激活階段盡管膝關節(jié)肌肉共激活比存在性別差異性，但是膝關節(jié)仍以腘繩肌激活為主導。然而，除了男性運動員在慢速和中速助跑條件下后激活階段膝關節(jié)以腘繩肌激活為主導外，其他條件下，男、女運動員后激活階段膝關節(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、女運動員在45°急停變向動作的后激活階段更多地依靠股四頭肌主導的激活模式。

當腘繩肌激活不充分或激活時序不適宜時其對膝關節(jié)的保護功能將被抑制，膝關節(jié)損傷風險也隨之上升[21]。一項前瞻性研究報道，與未損傷的運動員相比，經(jīng)歷ACL斷裂的運動員在完成變向動作時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)進一步證實了股四頭肌和腘繩肌的共激活在預防ACL損傷中的重要作用。針對膝關節(jié)主動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”（common drive）機制[15]。作者認為主動肌和拮抗肌的激活水平受中樞共激活機制的控制。當主動肌和拮抗肌參與某一特定動作時，共驅(qū)動通過讓它們作為一個整體來控制了肌肉的運動單位[15]。膝關節(jié)的共驅(qū)動通過合理地量化股四頭肌和腘繩肌激活比來最小化膝關節(jié)脛骨的前向剪切力，從而降低作用在ACL上的力學負荷。但是，本研究和Hanson等[20]的研究結(jié)果表明“共驅(qū)動”機制似乎也存在性別差異性。女性運動員表現(xiàn)出與腘繩肌不匹配的股四頭肌激活水平。這對于ACL損傷預防來說具有重要的意義。在膝關節(jié)屈角小于45°時，股四頭肌產(chǎn)生的力通過牽拉髕韌帶的方式增加ACL的負荷[34]。有研究報道，在45°急停變向動作足觸地時刻膝關節(jié)的屈角在15°～30°之間[20]。由此可見，女性運動員膝關節(jié)肌肉共激活比的下降可能是其ACL損傷風險提高的潛在危險因素之一。

4.3 預激活和后激活階段膝、踝關節(jié)肌肉共激活比的相關性分析

本研究的結(jié)果支持第2個研究假設。無論是從整體還是從助跑速度和性別的角度，膝、踝關節(jié)預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性（0.440≤≤0.823）。Avela等認為，肌肉的預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)，在著地起跳動作中，前饋和牽張反射機制之間存在關聯(lián)性[31]。本研究進一步證實，45°急停變向動作的前饋和牽張反射機制之間存在關聯(lián)性。Linnamo等認為，只有在牽張之前產(chǎn)生最大的預激活時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，預激活和后激活之前的關聯(lián)性主要用于調(diào)節(jié)肌肉剛度。Gottlieb等認為，預激活通過提高α-γ共激活來增加肌梭的敏感性，從而促進牽張反射[19]。而牽張反射作為一種補償機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)預激活和后激活策略來促進肌肉剛度的調(diào)節(jié)從而實現(xiàn)對下肢關節(jié)和組織的保護并提高運動表現(xiàn)。

5 結(jié)論

助跑速度顯著影響膝、踝關節(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)預激活和后激活水平來提高肌肉激活水平。在45°急停變向動作中預激活和后激活之間存在較高關聯(lián)性，這提示，中樞神經(jīng)系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)預激活和后激活策略調(diào)節(jié)肌肉和關節(jié)的剛度以達到保護下肢關節(jié)和組織并提高運動表現(xiàn)的目的。后激活階段女性運動員的膝關節(jié)肌肉共激活比顯著低于男性運動員，且均以股四頭肌為主導的激活模式。膝關節(jié)肌肉激活模式的顯著性別差異提示，女性運動員在完成45°急停變向動作時較男性運動員相比具有更高的ACL損傷風險。

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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,主要研究方向為運動生物力學,E-mail:limid_yp@126.com。