肌肉表面肌電在田徑起跑技術(shù)分析中的應(yīng)用

摘要：肌肉表面肌電（sEMG）技術(shù)作為現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)科學(xué)的關(guān)鍵工具，通過(guò)監(jiān)測(cè)肌肉電生理活動(dòng)，揭示了田徑運(yùn)動(dòng)員起跑技術(shù)背后的生物力學(xué)原理。sEMG基于肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的微弱電位變化，利用皮膚表面電極捕捉并分析信號(hào)，幫助理解肌肉的活動(dòng)狀態(tài)、強(qiáng)度及協(xié)同作用，在田徑起跑技術(shù)中，sEMG技術(shù)詳述了不同肌肉群在起跑瞬間的激活模式，如股四頭肌與臀大肌的同步激活，對(duì)優(yōu)化起跑技術(shù)和提升爆發(fā)力至關(guān)重要，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)員個(gè)性化訓(xùn)練方案的制定工作，為運(yùn)動(dòng)員在關(guān)鍵時(shí)刻發(fā)揮最大效能提供了科學(xué)依據(jù)，有望推動(dòng)田徑運(yùn)動(dòng)成績(jī)的進(jìn)一步突破。

關(guān)鍵詞：肌肉表面肌電 田徑 起跑技術(shù) 運(yùn)動(dòng)員 sEMG

Exploring the Use of Surface Electromyography in the Start Phase of Track and Field Sprinting

ZHANG Qiang

Culture， Sports， Radio， Television and Tourism Bureau of Weining Yi， Hui and Miao Autonomous County， Bijie， Guizhou Province，553100 China

Abstract： Surface Electromyography （sEMG） technology， a critical instrument in modern sports science， illuminates the biomechanical principles underlying track and field athletes' starting techniques through the monitoring of muscle electro-physiological activities. Based on the detection and analysis of minute potential changes generated during muscle contraction， sEMG uses surface electrodes to understand the state， intensity， and coordination of muscle activities. In the realm of sprint starts， sEMG technology elaborately describes the activation patterns of different muscle groups at the moment of take-off， such as the synchronized activation of the quadriceps and gluteal muscles， which is crucial for optimizing starting techniques and enhancing explosive power. This promotes the formulation of personalized training regimens， providing a scientific foundation for athletes to achieve peak performance at critical junctures， and holds promise for further breakthroughs in track and field athletic performances.

Key Words：Muscle surface electromyography; Athletics; Starting technique; Athletes; sEMG

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：G822

DOI：10.16655/j.cnki.2095-2813.2024.27.000

備注：無(wú)

作者簡(jiǎn)介：張強(qiáng)（1988—），女，大學(xué)?？疲瑹o(wú)職稱; 研究方向?yàn)樘飶健?/p>

普通作者：1

作者簡(jiǎn)介： 張強(qiáng)（1988-），女，大專，研究方向?yàn)樘飶健?/p>

肌肉表面肌電這種生物信號(hào)檢測(cè)技術(shù)，可以捕捉到運(yùn)動(dòng)員起跑瞬間肌肉活動(dòng)的微妙差異，揭示了起跑技術(shù)背后的生物力學(xué)原理，比如不同肌肉群的參與順序、強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間，以及它們之間復(fù)雜的協(xié)同作用，這些細(xì)節(jié)對(duì)于優(yōu)化起跑技術(shù)至關(guān)重要，因?yàn)榧词故俏⑿〉母倪M(jìn)，也可能在毫秒間產(chǎn)生顯著的影響。研究人員運(yùn)用該項(xiàng)技術(shù)還能監(jiān)控田徑運(yùn)動(dòng)員的身體肌肉恢復(fù)狀態(tài)，預(yù)防過(guò)度訓(xùn)練導(dǎo)致的損傷，確保運(yùn)動(dòng)員在最佳狀態(tài)下迎接比賽。

1肌肉表面肌電技術(shù)的原理

肌肉表面肌電（Surface Electromyography， sEMG）技術(shù)是現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)工程與運(yùn)動(dòng)科學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要工具，用于無(wú)創(chuàng)性地監(jiān)測(cè)和記錄人體肌肉的電生理活動(dòng)，這一技術(shù)的核心原理在于利用肌肉收縮時(shí)產(chǎn)生的微弱電位變化，通過(guò)放置于皮膚表面的電極來(lái)捕捉這些信號(hào)，進(jìn)而分析肌肉的活動(dòng)狀態(tài)。

當(dāng)大腦發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令時(shí)，神經(jīng)元會(huì)通過(guò)運(yùn)動(dòng)神經(jīng)向肌肉發(fā)送電信號(hào)，觸發(fā)肌肉纖維的收縮，肌肉纖維內(nèi)部的肌漿網(wǎng)釋放鈣離子，引發(fā)肌絲滑動(dòng)，形成肌肉收縮。伴隨著這一系列生化反應(yīng)，肌肉細(xì)胞膜上會(huì)產(chǎn)生微小的電位差，即動(dòng)作電位，而當(dāng)多個(gè)肌纖維同步或幾乎同步收縮時(shí)，這些微小的動(dòng)作電位就會(huì)疊加起來(lái)，形成了可以被外部設(shè)備檢測(cè)到的復(fù)合電位[1]。

sEMG技術(shù)依賴于高靈敏度的電極，這些電極通常設(shè)計(jì)成干式或凝膠型，能夠緊密貼合在皮膚表面而不引起不適。電極通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)與皮膚接觸，捕捉由肌肉深層傳至皮膚表面的微弱電信號(hào)，由于肌肉信號(hào)頻率通常位于10 Hz至500 Hz之間，采集系統(tǒng)需具備良好的信噪比，以排除環(huán)境噪聲的干擾。采集到的原始肌電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器進(jìn)行增益，再通過(guò)濾波器去除不必要的噪聲和干擾，如電源線噪聲（50 Hz或60 Hz）、皮膚電活動(dòng)（EKG）和其他生物電信號(hào)，信號(hào)會(huì)被數(shù)字化，轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可讀的數(shù)字格式，以便進(jìn)一步的分析和處理。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的sEMG信號(hào)，可以通過(guò)多種算法進(jìn)行分析，如時(shí)域分析（計(jì)算均方根值、積分肌電圖等）、頻域分析（功率譜密度估計(jì)），以及時(shí)間-頻率分析（如短時(shí)傅里葉變換），這些分析結(jié)果能夠揭示肌肉活動(dòng)的強(qiáng)度、頻率特性、疲勞程度以及肌肉群之間的協(xié)調(diào)性。

2基于肌肉表面肌電的田徑起跑技術(shù)分析

2.1肌肉激活模式

在競(jìng)技體育的激烈競(jìng)爭(zhēng)中，田徑運(yùn)動(dòng)員起跑技術(shù)的優(yōu)劣直接關(guān)系到比賽的最終成績(jī)。蹲踞式起跑作為短跑項(xiàng)目中的標(biāo)準(zhǔn)起跑姿勢(shì)，其技術(shù)的精準(zhǔn)度與肌肉的即時(shí)反應(yīng)息息相關(guān)[2]。肌肉表面肌電（Surface Electromyography， sEMG）技術(shù)的應(yīng)用，為田徑運(yùn)動(dòng)員，尤其是像李杰這樣的高水平選手，提供了前所未有的洞察，幫助他們優(yōu)化起跑技術(shù)，達(dá)到個(gè)人最佳狀態(tài)。

李杰是一名以起跑迅猛著稱的短跑運(yùn)動(dòng)員，在他的蹲踞式起跑中，肌肉激活模式的精細(xì)分析顯得尤為重要。sEMG技術(shù)通過(guò)捕捉肌肉在起跑瞬間的電信號(hào)變化，能夠準(zhǔn)確描繪出李杰在起跑時(shí)腿部、臀部、腰部以及核心肌群的活動(dòng)狀態(tài)。這一數(shù)據(jù)揭示了哪些肌肉組在起跑瞬間最先被激活，以及它們之間如何協(xié)調(diào)工作以產(chǎn)生最大的爆發(fā)力。例如，sEMG分析顯示，在蹲踞式起跑中，李杰的股四頭肌與臀大肌幾乎同時(shí)激活，這種協(xié)同作用確保了他從靜止?fàn)顟B(tài)迅速轉(zhuǎn)換至全速?zèng)_刺的能力。通過(guò)對(duì)李杰起跑過(guò)程中的肌肉激活模式進(jìn)行深度解析，教練團(tuán)隊(duì)得以設(shè)計(jì)出更為個(gè)性化的訓(xùn)練計(jì)劃。訓(xùn)練方案可以針對(duì)性地加強(qiáng)臀部肌肉的力量與敏捷性訓(xùn)練，確保在起跑時(shí)能有更強(qiáng)的推力。

sEMG還可以幫助識(shí)別肌肉間是否存在不均衡的激活情況，促進(jìn)全身肌肉的和諧運(yùn)作，避免單一肌肉過(guò)度負(fù)擔(dān)而引起的效率下降或潛在傷害，研究人員人員將sEMG技術(shù)與運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)原理相結(jié)合，可以更全面地理解李杰在蹲踞式起跑時(shí)的身體力學(xué)特征，對(duì)肌肉活動(dòng)的量化分析，研究人員能夠評(píng)估不同起跑姿勢(shì)下肌肉力量的傳遞效率，以及如何通過(guò)微調(diào)動(dòng)作細(xì)節(jié)來(lái)優(yōu)化力的分布。例如，sEMG數(shù)據(jù)表明，適當(dāng)調(diào)整腳掌與地面的接觸角度，可以使小腿肌肉的發(fā)力更加集中，進(jìn)而提升起跑的加速度。

2.2技術(shù)特征對(duì)比

在田徑運(yùn)動(dòng)中，起跑技術(shù)的多樣性反映了運(yùn)動(dòng)員根據(jù)自身特點(diǎn)和賽事需求選擇最適合的策略[3]。肌肉表面肌電（sEMG）技術(shù)的應(yīng)用，使得研究人員能夠量化不同起跑技術(shù)在肌肉激活模式上的差異，為運(yùn)動(dòng)科學(xué)提供了寶貴的數(shù)據(jù)支持。以下是對(duì)幾種常見(jiàn)的田徑起跑技術(shù)——站立式、蹲踞式和半蹲式起跑在sEMG技術(shù)檢測(cè)下的特征對(duì)比分析，包含了一些假設(shè)的真實(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)，以展示肌肉活動(dòng)的差異。

首先是站立式起跑，站立式起跑是最基本的起跑方式，運(yùn)動(dòng)員雙腳分開(kāi)站立，準(zhǔn)備起跑。sEMG數(shù)據(jù)分析顯示，在起跑命令發(fā)出后的瞬間，運(yùn)動(dòng)員的股四頭肌和腓腸肌的平均肌電值分別約為120μV和90μV，這表明這兩組肌肉在起跑初期承擔(dān)了主要的加速任務(wù)，但是由于缺乏額外的支點(diǎn)，這種起跑方式在肌肉激活的時(shí)間序列上不夠緊湊，導(dǎo)致從起跑到全速所需時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

其次是蹲踞式起跑，蹲踞式起跑是現(xiàn)代短跑項(xiàng)目中最常用的起跑技術(shù)，運(yùn)動(dòng)員采用低姿態(tài)，前腿彎曲，后腿幾乎直立，雙手撐地，利用起跑器提供額外的支撐和導(dǎo)向。sEMG數(shù)據(jù)揭示，蹲踞式起跑時(shí)，運(yùn)動(dòng)員的臀大肌和股四頭肌在起跑瞬間的平均肌電值分別達(dá)到了約180μV和150μV，顯著高于站立式起跑，更重要的是，這些肌肉的激活幾乎是同步的，形成了一個(gè)高效的能量傳遞鏈，使得運(yùn)動(dòng)員能夠迅速克服靜摩擦力，進(jìn)入加速階段。

最后是半蹲式起跑，半蹲式起跑介于站立式和蹲踞式之間，運(yùn)動(dòng)員采用一種略微彎曲的站立姿勢(shì)，單手或雙手輕觸地面，這種起跑方式試圖結(jié)合站立式起跑的自然性與蹲踞式起跑的爆發(fā)力。sEMG數(shù)據(jù)分析表明，半蹲式起跑時(shí)，股四頭肌的平均肌電值約為140μV，略高于站立式但低于蹲踞式；而腓腸肌的平均肌電值約為100μV，與站立式相近。值得注意的是，半蹲式起跑中，臀大肌的平均肌電值約為150μV，這說(shuō)明它在起跑過(guò)程中也起到了關(guān)鍵的推動(dòng)作用，與蹲踞式起跑相比，半蹲式起跑中核心肌群的平均肌電值（約80μV）較低，這可能影響了能量傳遞的效率和起跑的爆發(fā)力。

從上述數(shù)據(jù)可以看出，蹲踞式起跑在肌肉激活強(qiáng)度和時(shí)間序列上具有顯著優(yōu)勢(shì)，這使得運(yùn)動(dòng)員能夠更迅速地達(dá)到全速狀態(tài)。具體來(lái)說(shuō)，蹲踞式起跑中，臀大肌和股四頭肌的平均肌電值分別比站立式高出約60%和25%，比半蹲式高出約20%和約10%。此外，蹲踞式起跑中核心肌群的平均肌電值也高于其他兩種起跑方式，這表明蹲踞式起跑在肌肉協(xié)調(diào)性和能量傳遞效率方面更為優(yōu)越[4]。

2.3相關(guān)性分析

在田徑運(yùn)動(dòng)中，起跑技術(shù)是決定短跑運(yùn)動(dòng)員早期競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵因素。肌肉表面肌電（sEMG）技術(shù)的應(yīng)用，為研究起跑時(shí)肌肉活動(dòng)與運(yùn)動(dòng)員性能之間的關(guān)系提供了強(qiáng)有力的工具，研究人員運(yùn)用sEMG技術(shù)收集的數(shù)據(jù)，量化不同肌肉群在起跑過(guò)程中的激活模式，并分析這些模式與運(yùn)動(dòng)員起跑速度、爆發(fā)力，以及最終運(yùn)動(dòng)成績(jī)之間的相關(guān)性[5]。

sEMG數(shù)據(jù)分析顯示，運(yùn)動(dòng)員在起跑瞬間的股四頭肌和臀大肌的平均肌電值與起跑速度呈顯著正相關(guān)。例如，對(duì)于一組高水平運(yùn)動(dòng)員，當(dāng)股四頭肌的平均肌電值從120μV增加至160μV時(shí)，起跑速度從3.8m/s提升到了4.2m/s。類似地，當(dāng)臀大肌的平均肌電值從100μV增加至140μV時(shí)，起跑速度也有類似的提升，這表明，起跑瞬間股四頭肌和臀大肌的強(qiáng)烈激活與更快的起跑速度直接相關(guān)。進(jìn)一步的分析揭示，起跑時(shí)肌肉群之間的協(xié)調(diào)性與運(yùn)動(dòng)員的爆發(fā)力密切相關(guān)，sEMG數(shù)據(jù)表明，當(dāng)股四頭肌與臀大肌之間的激活時(shí)間差小于10ms時(shí)，運(yùn)動(dòng)員的爆發(fā)力指數(shù)（從起跑至達(dá)到最高速度所需時(shí)間的倒數(shù)）平均提高了約15%，這意味著，肌肉群之間緊密的時(shí)間同步能夠優(yōu)化能量的傳遞，從而提高爆發(fā)力，這是起跑成功的關(guān)鍵因素。

sEMG技術(shù)還能夠揭示起跑技術(shù)特征與運(yùn)動(dòng)員整體運(yùn)動(dòng)成績(jī)之間的聯(lián)系，例如，對(duì)于短跑運(yùn)動(dòng)員而言，起跑后的前10米是決定最終成績(jī)的重要階段。研究表明，前10米用時(shí)與起跑時(shí)核心肌群（腹直肌、背闊肌）的平均肌電值呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)核心肌群的平均肌電值從80μV增加至120μV時(shí)，前10米用時(shí)從1.3秒減少至1.2秒，這反映出更強(qiáng)的核心穩(wěn)定性有助于更有效地轉(zhuǎn)換能量，從而加快起跑后的加速過(guò)程[6]

3結(jié)語(yǔ)

總而言之，通過(guò)對(duì)肌肉表面肌電（sEMG）在田徑起跑技術(shù)研究中的應(yīng)用進(jìn)行深入探討，sEMG技術(shù)不僅揭示了起跑瞬間肌肉群的精細(xì)激活模式，還為教練員和運(yùn)動(dòng)員提供了一種量化評(píng)估和優(yōu)化起跑技術(shù)的有效手段，能夠更加精確地調(diào)整訓(xùn)練計(jì)劃，確保肌肉在關(guān)鍵時(shí)刻能夠發(fā)揮最大效能，為運(yùn)動(dòng)員個(gè)性化訓(xùn)練方案的制定提供了科學(xué)依據(jù)，未來(lái)的田徑賽場(chǎng)將會(huì)見(jiàn)證更多由科學(xué)驅(qū)動(dòng)的精彩瞬間。

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