吊环十字支撑类动作对人体背阔肌、斜方肌、肱三头肌、大圆肌和三角肌参与程度和控制能力及主要肌群贡献率分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.0593

摘要/Abstract

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文题释义：
人体偏离角：眉心与两足尖中点连线和垂线的夹角。用来衡量直角、倒十字支撑动作运动员身体是否与水平面垂直。
肌肉贡献率：由积分肌电计算单块肌肉积分肌电值与所有测试8块肌肉总积分肌电的百分比。

摘要
背景：当前研究缺乏大样本优秀与一般吊环运动员十字支撑类难度动作的运动学和表面肌电的比较。
目的：探讨优秀吊环运动员十字支撑类动作时间、角度及主要肌群表面肌电(sEMG)特点，比较优秀与一般运动员间差异。
方法：2台高速摄像机和MegawinT8表面肌电分析仪同步采集了优秀组(n=13，为优秀和一级运动员)和一般组(n=14，为二级运动员)正十字、倒十字和水平十字支撑的运动学(时间和角度)和表面肌电(采集斜方肌、背阔肌、大圆肌、三角肌、肱三头肌、胸大肌、前锯肌和肱二头肌)数据。
结果与结论：①相比一级组，优秀组正十字支撑的动作时间增大58.9%(P < 0.01)，左、右肘角分别增大16.4%和17.3%(P < 0.05)，左、右腕肩连线与水平面夹角分别减小46.9%和49.2%(P < 0.01)。背阔肌、大圆肌和三角肌贡献率分别增加28.8%、108.1%(P < 0.01)和5.8%(P < 0.05)，肱三头肌、胸大肌和肱二头肌贡献率分别减小47.8%(P < 0.01)、16.2%和16.7%(P < 0.05)；②相比一级组，倒十字支撑的动作时间增大81.6%(P < 0.01)。斜方肌、大圆肌和肱三头肌贡献率分别增大25.6%、128.6%和175.0%(P < 0.01)，前锯肌和肱二头肌贡献率分别减小17.9%和20.7%(P < 0.01)；③水平十字支撑的动作时间、髋角和膝角分别增大59.9%(P < 0.01)、9.0%和6.9%(P < 0.05)，左右腕肩夹角、躯干夹角分别减小20.4%、22.1%和31.1%(P < 0.01)。斜方肌、背阔肌、大圆肌贡献率分别增大14.0%(P < 0.05)、508.3%和18.2%(P < 0.01)，前锯肌贡献率减小12.5%(P < 0.05)；④结果提示，加强十字支撑类动作时间控制和身体姿势角度到位的意识，强化背阔肌、斜方肌、肱三头肌、大圆肌和三角肌参与程度和控制能力，有利于更好完成吊环十字支撑类动作。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程
ORCID: 0000-0002-5456-9679(兰庆士)

关键词: 吊环, 十字支撑, 时间, 角度, 肌肉贡献率, 组织构建

Abstract:

BACKGROUND: There is a lack of large-sampled comparative study on the kinematics and surface electromyography (sEMG) between elite and general hand ring athletes undergoing cross bracing.
OBJECTIVE: To explore the time and angle of cross support and the sEMG of main muscle groups in elite hand ring athletes, and to compare the differences between elite and general athletes.
METHODS: Two high-speed cameras and MegawinT8 sEMG analyzer were used to collect the measurements in elite group (n=13, elite and first-level athletes) and general group (n=14, second-level athletes). The kinematics (time and angle) of positive/inverted/horizontal cross support and sEMG of trapezius, latissimus dorsi, teres major, deltoid, triceps brachii, pectoralis major, serratus anterior and biceps brachii were detected.
RESULTS AND CONCLUSION: Compared with the general group, in the elite group, the positive cross support time increased by 58.9% (P < 0.01), left and right elbow angle was increased by 16.4% and 17.3% (P < 0.05), the angle between the left and right shoulder line and a horizontal surface was decreased by 46.9% and 49.2% (P < 0.01). The contribution rate of latissimus dorsi, teres major, and deltoid was increased by 28.8%, 108.1% (P < 0.01) and 5.8% (P < 0.05), respectively. The contribution rate of triceps brachii, pectoralis major, and biceps brachii was decreased by 47.8% (P < 0.01), 16.2% and 16.7% (P < 0.05). Compared with the general group, in the elite group, the inverted cross support time was increased by 81.6% (P < 0.01). The contribution rate of trapezius, teres major and triceps brachii was increased by 25.6%, 128.6% and 175.0% (P < 0.01), respectively. The contribution rate of serratus anterior and biceps brachii was reduced by 17.9% and 20.7% (P < 0.01). The horizontal cross support time, hip and knee angles were increased by 59.9% (P < 0.01), 9.0% and 6.9% (P < 0.05). The left and right wrist shoulder angles, and trunk angle was decreased by 20.4%, 22.1% and 31.1% (P < 0.01). The contribution rate of trapezius, latissimus dorsi and teres major was increased by 14.0% (P < 0.05), 508.3% and 18.2% (P < 0.01). The contribution rate of anterior serratus was decreased by 12.5% (P < 0.05). These findings indicate that control of the cross support time and the angle of the body position, and strengthening the participation degree and control ability of the latissimus dorsi, trapezius, triceps, musculus and deltoid contribute to completing the hand ring better.

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Key words: Sports Medicine, Electromyography, Muscles, Tissue Engineering

中图分类号:

R444

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图/表（结果） 2

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引言

中国吊环自第34届体操世锦赛董震夺冠后曾一度经历低迷期，2008年北京奥运会陈一冰夺得吊环金牌，又回到世界一流水平行列。随着2012年伦敦奥运会陈一冰与金牌失之交臂，2016年巴西奥运新秀刘洋名仅列第四^[1]。一个严峻的事实摆在训练和科研工作者面前，中国体操吊环单项出现青黄不接的局面，因此提高吊环后备人才技术水平是当前务必解决的问题。体操规则显示，吊环有两种基本动作：力量性支撑动作和回环动作^[2]。其中十字支撑类动作属于力量性支撑动作，而难度水平达到C级以上的正十字、倒十字和水平十字支撑动作完成的质量，对运动员取得高分起到重要的作用。统计近3届世锦赛以及3届奥运会体操吊环比赛发现，在前8名选手中，3种(正、倒和水平)十字支撑动作为比赛必选动作^[3]，为此动作完成质量高低直接影响裁判的打分。

查阅文献发现，目前国内对吊环的研究，多数学者停留在动作编排上。吴翔^[4]对第45届世界体操锦标赛男子吊环单项决赛前8名运动员的成套动作难度进行分析，发现难度动作主要集中在D组上，F组动作较少，主要集中在水平十字、水平支撑、倒十字、十字支撑和前屈2周等五类动作。李思民等^[5]对第38届世界体操锦标赛吊环比赛前8名运动员进行分析，探讨吊环成套动作的编排特点和发展趋势，显示成套动作的难度和完成质量尚有提高空间。同时少数对吊环的研究涉及表面肌电(surface electromyogram, sEMG)，表面肌电信号是从人体皮肤表面通过电极引导、记录的神经肌肉系统活动时的一维时间序列信号，其时频特征与肌肉的活动状态和功能状态之间存在着不同程度的关联性，能一定程度上反映神经肌肉的活动^[6-7]。邹静等^[8]运用力学和表面肌电对4名国家队运动员吊环水平十字支撑动作进行研究，探讨完成动作的必要条件并指导训练。苏阳^[9]对3名江苏队吊环运动员正十字支撑动作进行表面肌电测试，分析胸大肌、背阔肌、斜方肌上部、肱二头肌、肱三头肌、三角肌肌肉贡献率。而国外对吊环研究甚少，Carrara等^[10]对6名巴西优秀体操运动员进行针对性力量训练，以减少十字支撑类动作双侧肢体的不对称，显示针对性力量训练减少了受试者双侧肩部不对称和躯干偏离垂直的角度。另外有一项研究吊环裁判对动作评分的影响，Dallas等^[11]分析了16名希腊吊环裁判从不同角度观察8名运动员倒十字支撑动作视频，显示裁判员的观察角度对体操运动员的动作打分有影响，建议裁判员通过培训减小打分误差。国外仅有1篇报道了吊环运动员练习十字支撑动作时参与肌群表面肌电特征，Bernasconi等^[12]利用表面肌电测试6名精英体操运动员练习水平十字支撑动作，分析肱二头肌、肱三头肌、三角肌、胸大肌、前锯肌、冈下肌、斜方肌(中部)和背阔肌的均方根(RMS)和平均功率频率(MPF)。

总结目前国内外吊环文献显示：对十字支撑类动作以编排为主，少数研究单个或小样本的十字支撑类动作，尚未发现同时从运动学和表面肌电角度对优秀吊环运动员进行分析，不同运动水平运动员完成相同十字支撑类动作差异也缺乏报道。程亮等^[13-14]研究认为，优秀运动员动作技术模型是极具参考价值的模型，不仅能指导低水平运动员训练，且对该项目后备人才发展有积极意义。了解优秀吊环运动员难度动作运动学规律和表面肌电特征，为科学训练提供诊断依据，同时对吊环后备人才训练提供借鉴和方向。为此，该研究以优秀(健将或一级运动员)和一般(二级运动员)吊环运动员为研究对象，分析优秀吊环运动员十字支撑类动作(正十字、倒十字和水平十字)运动学及表面肌电的特点，并比较与一般运动员的差异，对吊环十字支撑类动作的规范和科学训练以及提升中国吊环竞技水平提供科技支撑。

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材料方法

1 对象和方法 Subjects and methods

1.1 设计分组对比观察。

1.2 时间及地点试验于2017年3月在河南省体工队体操训练馆完成。

1.3 对象以某省队一线和二线体操运动员为研究对象。

纳入标准：①正在训练的吊环运动员；②运动等级为健将、一级或二级；③能够完成十字支撑类动作；④了解此次测试的目的，并签订知情同意书。

排除标准：①有明显的肩、肘、腰或腕关节损伤；②近3个月未能系统训练者。

最终27名受试者被纳入，按照运动等级分成优秀组(n=13，其中运动等级为优秀的3例，一级运动员10例)和一般组(n=14，运动等级为二级运动员)。组间年龄、身高、体质量和训练年限比较差异无显著性意义(P > 0.05)。

1.4 方法

1.4.1 三维录像解析 2台德国产Basel高速摄像机(100帧/s)从不同角度(1号机位于吊环正面，2号机位于横杆的正侧方，主光轴夹角约90°)拍摄了27名受试者在训练中成功完成的正十字、倒
十字和水平十字支撑动作，见图1。

每个动作拍摄3次(同一名受试者依次完成正十字、倒十字和水平十字支撑3个动作，单次动作之间休息60 s)。使用德国Simi-Motion 9.01解析系统对拍摄的录像进行解析，选用郑秀媛中国男子人体模型(21关节点：头顶、鼻尖、颈部、双肩、双肘、双腕、双手尖、双髋、双膝、双踝、双足跟和双足尖。14个环节：头、躯干、双前臂、双上臂、双手、双大腿、双小腿、双足)，低通数字滤波法对原始数据进行平滑处理，截断频率为6赫兹，获取3个十字支撑动作的运动学数据。在整个测试过程，有2名专业教练员进行动作评判。由于此次研究分析的3个十字支撑类动作均为静力性动作，为此只选取了时间和角度参数。

1.4.2 表面肌电分析使用芬兰产Mega win T 8通道表面肌电测试仪，采样频率为1 000 HZ，收集27名受试者左侧的斜方肌、背阔肌、大圆肌、三角肌、肱三头肌、胸大肌、前锯肌和肱二头肌的电信号，用乙醇棉球清洁电极粘贴部位的皮肤，2个标准表面肌电电极(上海申风产，型号932F35)，粘贴于每块测试肌肉的肌腹，间隔约3 cm。利用Mega软件自带的同步装置把三维录像和肌电采集进行同步。收集了受试者成功完成的正十字、倒十字和水平十字支撑动作肌电信号，见图2，3。

使用Mega win表面肌电测试系统分析软件对原始的肌电信号进行处理，该研究误差来源于电噪声，包括设备电子元件固有的噪声、环境噪声、运动伪迹以信号采集的不稳定性等，为了避免误差，保持测试现场环境安静，同一名受试者同一动作测试3次取平均值，研究采用小波对肌电信号数据进行了平滑处理。该研究表面肌电分析目的是为了探讨不同水平运动员做相同十字支撑动作肌群参与百分比，为此选取肌肉贡献率指标。

1.4.3 参数定义研究运动学数据结合国际体操规则评分标准给出如下角度定义(除特别说明，文中出现的关节角度指左、右侧的平均值)。

(1)手臂角：腕关节与肩关节连线与水平面的夹角。用来衡量运动员在做十字支撑类动作时候手臂是否水平。

(2)人体偏离角：眉心与两足尖中点连线和垂线的夹角。用来衡量直角、倒十字支撑动作运动员身体是否与水平面垂直。

(3)躯干与水平面夹角(躯干夹角)：两髋中点和两肩中点连线与水平面夹角。用来衡量水平十字支撑身体是否水平。

(4)肘角：人体上臂和前臂之间的夹角。

(5)腕肩夹角：腕肩连线与水平面夹角。

(6)肌肉贡献率：通过截取每名受试者成功完成十字支撑类动作开始时刻到结束时刻的8块肌肉积分肌电，由积分肌电计算单块肌肉积分肌电值与所有测试8块肌肉总积分肌电的百分比。

1.5 主要观察指标手臂角、人体偏离角、躯干与水平面夹角(躯干夹角)、肘角、腕肩夹角和肌肉贡献率。

1.6 统计学分析首先对每个受试者的所需测试数据进行3次取平均值处理，采用SPSS 17.0统计软件对优秀组、一般组的运动学(角度和时间)和表面肌电(参与肌肉贡献率)数据分别进行x(_)±s处理。组间数据进行独立样本t 检验，显著水平α=0.05。

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讨论

该研究试图比较不同运动等级的体操运动员在完成吊环十字支撑类动作，运动学的时间、角度以及人体背阔肌、斜方肌、肱三头肌、大圆肌和三角肌等8块肌肉参与肌肉贡献率指标的差异。作者主要发现：相比一般组，优秀组完成吊环3个十字支撑类动作时间长。其中正十字支撑肘角大，腕肩连线与水平面夹角小。背阔肌、大圆肌和三角肌贡献率大，肱三头肌、胸大肌和肱二头肌贡献率小；倒十字支撑斜方肌、大圆肌和肱三头肌贡献率大，前锯肌和肱二头肌贡献率小；水平十字支撑髋、膝角大，腕肩夹角和躯干夹角小。斜方肌、背阔肌、大圆肌贡献率大，前锯肌贡献率小。

最新颁布的国际体操规则中指出，支撑姿态必须以直臂(完成形式)直接到位，且不能对(身体)姿态和位置进行调整。所有的支撑姿态必须保持至少2 s。在所有摆动成力量支撑动作期间，肩膀位置都不能高过最后的支撑位置水平线。任何一点偏差都将导致E组裁判的常规扣分，而根据该动作性质，也可能会导致不被D组裁判承认难度^[3]。因此，结合体操规则，从动作完成的运动学角度作者认为，十字支撑类动作必须符合保持至少2 s的空中姿态，肘关节角度，手臂尽量趋近180°，十字和倒十字支撑时对于人体在空中姿态与垂直轴的夹角应越小越好。水平十字支撑人体与水平面平行为标准空中姿态，同时髋关节和膝关节尽量趋近180°。

吴翔^[4]研究发现高难力量静止动作已成为吊环成套难度发展的主流，动作完成的质量、规格需不断提高。李思民等^[5]对近两年国内外体操大赛男子吊环比赛进行统计分析，显示运动员在比赛中所完成的静止力量动作表现出高精度、高规格的特点。中国选手与世界强手之间的差距主要表现在静止力量动作的精确度不足。而随着陈一冰(已退役)的出现，中国吊环步入世界强队行列。但是，目前中国吊环后备人才技术动作表现较差。

该研究发现一般组完成正十字支撑、倒十字支撑和水平十字支撑3个动作，平均完成时间均<2 s(分别1.51，1.41和1.62 s)，不符合吊环规则。而优秀组时间>2 s，较长的静力性支撑时间给裁判带来强烈的视觉冲击，对打分能带来积极的效果，如2012年伦敦奥运会巴西名将纳巴拉特·扎内蒂夺冠的一个重要因素是十字支撑类动作停顿时间长(平均达3.8 s^[3])。另外，一般组正十字支撑肘角偏小(左右平均为142.30°和140.50°)而腕肩夹角偏大(左右平均为16.30°和17.26°)。水平十字支撑腕肩夹角偏大(左右平均为20.50°和21.27°)、躯干夹角偏大(平均7.01°)而髋和膝角偏小(平均160.57°和162.80°)。上述运动学参数不仅不符合体操规则要求，且与优秀组均有显著差异。从运动学角度作者认为优秀组正十字和水平十字支撑更加接近“十字”，符合体操规则，空中姿态更完美。为此一般组需强化针对性训练强化空中姿态意识以减少十字支撑类动作扣分。

肌肉贡献率反映人体运动时肌群的参与情况，一定程度显示不同肌群用力大小。Eskes等^[15]认为肌肉随意静力收缩时，表面电极测定的肌电积分值与肌力之间呈线性关系。研究发现当主动肌收缩时，中枢神经系统会控制拮抗肌协调地放松或作适当地离心收缩^[16]。吊环运动员完成十字支撑类阶段，上肢支撑由整个身体质量组成的近端负荷，支撑过程中肩关节稳定性尤为关键。另外，十字支撑动作的实现是特定肌群的协调作用下完成的，通过对吊环支撑应力的转化及一系列肌肉活动的完美协调，克服自身重力维持身体平衡，十字支撑类动作是一种纯力量性动作，如何保持各肌群发力保证技术动作的准确规范至关重要。

该研究发现，在完成十字支撑动作，主要用力肌群是背阔肌、胸大肌、肱二头肌、肱三头肌和大圆肌。受试者在完成十字支撑动作静止支撑时，肱二头肌主动收缩，肱二头肌长头收缩使肱骨头压低，维持盂肱关节的稳定。另外肱二头肌和肱三头肌互相协调收缩保证了肩关节的稳定，背阔肌和胸大肌维持躯干的稳定，使十字支撑技术动作规范，值得注意的是优秀组背阔肌、大圆肌和三角肌参与较多(分别大于一般组28.8%，108.1%和5.8%)，而肱二头肌、肱三头肌和胸大肌参与较少(分别小于一般组47.8%，16.2%和16.7%)，说明优秀组维持肩部稳定肌群参与贡献率小于一般组，而更多的用力来维持躯干的稳定性。

据文献显示，运动员在做十字支撑动作时，身体前后晃动更容易引起裁判的扣分^[17]，为此一般组需加强对躯干的控制练习；在完成倒十字支撑动作时，主要用力肌群是前锯肌、肱二头肌、斜方肌和三角肌。从倒十字形态分析，该动作是力量静止动作中最难控制的，也是在比赛中被裁判扣分最多的动作。相比一般组，优秀组的斜方肌、大圆肌和肱三头肌参与较多(分别大于一般组25.6%，128.6%和175.0%)，前锯肌和肱二头肌参与较少(分别小于一般组17.9%和20.7%)。斜方肌和大圆肌协调主要承担身体重量，加强斜方肌和大圆肌的力量是提高倒十字动作质量的保障；在完成水平十字时，肩关节周围肌肉协同、对抗用力，使肩关节被锁定在固定角度并维持一定时间，水平十字完成的基础是主要用力肌肉的力量及大小肌肉群协同、对抗的工作能力。数据反映出胸大肌、肱二头肌、前锯肌和三角肌是主要参与肌群，该研究结果显示相比一般组，优秀组斜方肌、背阔肌、大圆肌贡献率较大(分别大于一般组14.0%、508.3%和18.2%)，前锯肌参与较少(小于一般组12.5%)。

值得注意的是一般组背阔肌参与程度过小，据解剖学分析，背阔肌在远固定时，可拉引躯干向上臂靠拢。水平十字支撑要求受试者重心向后上方移动，背阔肌的贡献率较大有利于水平十字支撑动作稳定。因此，后续的训练应加强一般组背阔肌用力的意识，对提高吊环水平十字动作质量有积极帮助。但该研究存在局限性，由于实验对象特殊未能进一步扩大样本，未能采集正式比赛中优秀与一般吊环运动员十字支撑类难度动作的运动学和表面肌电数据，在测量方法上缺少力学数据支撑等将是后续研究方向。

结论：

(1)优秀组完成吊环3个十字支撑类动作时间长；正十字支撑左、右肘角大，左、右腕肩连线与水平面夹角小；背阔肌、大圆肌和三角肌贡献率大，肱三头肌、胸大肌和肱二头肌贡献率小；倒十字支撑斜方肌、大圆肌和肱三头肌贡献率大，前锯肌和肱二头肌贡献率小；水平十字支撑髋角和膝角大，左右腕肩夹角、躯干夹角小。斜方肌、背阔肌、大圆肌贡献率大，前锯肌贡献率小。

(2)一般组需加强十字支撑类动作时间控制和身体姿势角度到位的意识，强化背阔肌、斜方肌、肱三头肌、大圆肌和三角肌参与程度和控制能力，有利于更好完成吊环十字支撑类动作。

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