步长对前弓箭步蹲起时踝关节周围肌群肌电特征的影响

Influence of Step Length on Electromyography Characteristics of Muscles around Ankle Joint during Forward Lunge and Squat

摘要

利用Noraxon无线表面肌电测量仪，采集20名受试者四种步距下前弓箭步蹲起过程中踝关节周围肌肉的表面肌电信号，包括胫骨前肌（TA）、腓肠肌内侧（GM）、腓肠肌外侧（GL）。探明四种步距（腿长的50%、70%、100%、120%）下前弓箭步蹲起过程中踝关节周围肌的激活水平和共激活特征，分析TA、GM、GL的RMS、IEMG、贡献率和TA与GL的共激活比。结果表明，胫骨前肌的RMS、IEMG、贡献率随步距的增加极显著减小（P<0.001）；腓肠肌内外侧的RMS、IEMG、贡献率随步距的增加极显著增大（P<0.001）；胫骨前肌与腓肠肌外侧的共激活比随步距的增加极显著降低（P<0.001）。结果说明在前弓箭步蹲起过程中，胫骨前肌与腓肠肌的放电量与贡献率会受到步距的影响；胫骨前肌的放电量和贡献率随步距的增加而减小；腓肠肌的放电量与贡献率随步距的增加而增加；四种步距下的共激活比均大于1，在弓箭步蹲起动作中踝关节处于极其不稳定的状态，容易造成踝关节的损伤。建议在选择弓箭步进行胫骨前肌力量训练时，可以选择步距50%的前弓箭步训练；进行腓肠肌的力量训练时，可以选择步距120%的前弓箭步训练；涉及前弓箭步多的运动项目时，运动员需要加强踝关节的稳定性训练，以防止踝关节损伤。

Abstract

To investigate the activation levels and co-activation characteristics of muscles around the ankle joint during forward lunge and squat under four step lengths （50%， 70%， 100%， and 120% of leg length）. Methods Using the Noraxon wireless surface electromyography system， this study collected surface electromyography signals from muscles around the ankle joints of 20 subjects during forward lunge and squat under the four step lengths， which included tibialis anterior （TA）， medial gastrocnemius （GM）， and lateral gastrocnemius （GL）. The RMS， IEMG， and contribution rates of TA， GM， and GL， as well as the co-activation ratio of TA to GL， were analyzed. The results showed that the RMS， IEMG， and contribution rate of TA significantly decreased with increasing step length （50%， 70%， 100%， and 120%） （P<0.001）. The RMS， IEMG， and contribution rates of both GM and GL significantly increased with increasing step length （P<0.001）. The co-activation ratio of TA to GL significantly decreased with increasing step length （P<0.001）. The conclusion was that during forward lunge and squat， the discharge capacities and contribution rates of TA and gastrocnemius were influenced by step length. The discharge capacity and contribution rate of TA decreased with increasing step length， while those of gastrocnemius increased. The co-activation ratios under all four step lengths were greater than 1. This indicates that ankle joints are in an extremely unstable state during lunge and squat， which may easily lead to ankle injuries. When lunge is selected for TA strength training， a step length of 50% can be chosen for forward lunge. For gastrocnemius strength training， a step length of 120% can be selected for forward lunge. In sports involving many forward lunges， such as badminton， tennis， and fencing， athletes need to strengthen stability training of ankle joints to prevent ankle injuries.

Graphical abstract

关键词

弓箭步 / 共激活 / 表面肌电 / 运动损伤

Key words

unge / co-activation / surface electromyography / sports injury

前弓箭步蹲起是一个重要而常见的动作，其完成的质量及稳定性与运动能力的表现、高效且稳定地完成技术动作以及运动员快速回位密切相关。弓箭步可以很好地发展下肢力量，提高训练效果和成绩，越来越广泛地应用于羽毛球^［1］、短跑^［2］、击剑^［3］等运动项目中。

一场羽毛球的比赛中弓步动作占比赛时间的15%以上，平均有52.2次侧弓步动作和46.1次前弓步动作，其中一半以上涉及对角线运动^［4］。许多前弓箭步救球或冲刺的动作中，快速完成一个弓箭步然后回到初始位，或者转向另一个方向是比赛制胜的关键^［5］。因此，弓箭步被许多训练队作为运动员下肢爆发力和下肢关节活动度训练的动作^［6］。运动员掌握弓步可以潜在地提高其运动能力并减少受伤的可能性^［7］。有研究指出，前弓箭步的机械能量效率与技能有关，不正确的前弓箭步着地会增加运动员踝关节和肌肉损伤的风险^［8］。

在前弓箭步蹲起过程中，运动模式为髋膝踝三关节围绕冠状轴在矢状面内的屈伸运动，而使髋膝踝三关节在冠状面和水平面内运动的肌群，在此运动模式中主要起横向的稳定作用^［9］。若踝关节的稳定性差，踝关节的损伤在羽毛球运动员正手弓箭步时容易发生^［1］。有研究指出，较低的踝关节肌肉共激活比即胫骨前肌的激活水平与腓肠肌外侧头的激活水平相比明显不足，会影响踝关节的稳定性，从而造成踝关节的扭伤^{［10⁃11］}。因此，需要合理地增强踝关节周围肌肉的力量，达到踝关节周围肌肉的共激活平衡，从而预防损伤的发生。

在前弓箭步的研究中，对膝关节的研究较多，而对踝关节的分析较少，踝关节的稳定性对运动能力也有很大的影响。本研究将划分不同的步距（腿长的50%、70%、100%、120%），分析踝关节周围肌群的肌电特征及共激活特征，模拟在羽毛球、网球、击剑等比赛中使用不同步距前弓箭步时，踝关节周围肌肉的激活水平，为在训练中强化相关肌肉力量，预防和减少损伤的发生提供参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

在内蒙古师范大学招募20名男性大学生作为本次实验的受试者。受试者做弓箭步蹲起时，优势腿在前，非优势腿在后。招募要求：受试者身体健康，均无下肢扭伤、骨折等受伤史，运动性功能筛查、FMS直线弓箭步筛查都在3分。受试者的平均年龄为（21.76±2.01）岁，平均身高（177.32±6.58）cm，平均体重（71.20±7.82）kg。胫骨长、腿长及步距见表1。

1.2 测试仪器

本次实验中使用如下测试仪器。

（1）体重计、身高仪：测量受试者的身高、体重。

（2）软尺：测量受试者的胫骨长（即胫骨粗隆顶端终点至地面的距离）、腿长（即股骨大转子至外踝的距离）。

（3）运动功能筛查（FMS）：测试志愿者直线弓箭步的得分情况，筛选得3分者作为受试者。

（4）摄像机：在实验过程中，记录受试者做弓箭步的运动轨迹，进行阶段划分。

（5）Noraxon无线表面肌电测量仪：Myon AKTOS无线表面肌电分析系统，16导。采集受试者弓箭步蹲起过程中踝关节周围肌肉的肌电信号。

（6）其他工具：电极片、75%乙醇、刮毛刀、脱脂棉、剪刀、双面胶等。

1.3 弓箭步蹲起动作要求与阶段划分

要求：受试者优势腿在前，非优势腿在后，两脚间横向距离与髂嵴同宽，两手叉腰，在蹲起过程中保持上身直立。弓箭步蹲起下降阶段，受试者下降到优势腿的大腿与地面平行且膝盖不超过脚尖，非优势腿的膝盖无触地，下降过程中身体重心保持在两腿之间；弓箭步蹲起上升阶段，受试者优势腿膝关节完全伸直。

阶段划分：将整个弓箭步蹲起动作分为下降阶段和上升阶段。下降阶段为膝关节屈曲角度开始增加至大腿与地面平行即膝关节屈曲角度最大时刻，上升阶段为膝关节屈曲角度最大时刻至双腿伸直的初始位。

1.4 目标肌肉的选取

根据本实验设计，选取受试者优势腿踝关节周围的3块肌肉，包括：胫骨前肌（TA）、腓肠肌内侧（GM）和腓肠肌外侧（GL）。

1.5 表面电极粘贴方法

用刮毛刀剃除需要贴取电极片处的体毛，用脱脂棉蘸取75%乙醇对皮肤进行擦拭，待皮肤表面晾干后粘贴电极片，粘贴位置见表2。

1.6 目标肌肉最大自主等长收缩测试（MVIC）

胫骨前肌：受试者直立位，踝关节呈90°，做踝关节背屈，工作人员在脚背处施加向下的阻力，让受试者尽最大力量背屈，采集5 s胫骨前肌最大自主等长收缩肌电信号，重复3次。

腓肠肌：受试者呈俯卧位，踝关节保持中立位呈90°，做踝关节趾屈，同时在脚掌处施加阻力，让 受试者尽最大力趾屈，采集5 s腓肠肌内外侧最大自主等长收缩肌电信号，重复3次。

1.7 数据采集

四种步距（腿长的50%、70%、100%、120%）下的前弓箭步蹲起动作，由步距50%的前弓箭步开始依次做3次，一种步距的前弓箭步结束后受试者休息1分钟，待心率恢复平静后做下一种动作，利用Noraxon无线表面肌电测量仪，Myon AKTOS无线表面肌电分析系统，16导。采集受试者弓箭步蹲起过程中踝关节周围肌肉的有效肌电信号3次，采集受试者优势腿胫骨前肌（TA）、腓肠肌内侧（GM）和腓肠肌外侧（GL）的肌电信号，采集频率为2 000 Hz。

1.8 数据处理

对所采集的数据利用测量的MVIC进行标准化处理，即IEMG%=（IEMG实测/IEMGmvic）×100（所采集的受试者的表面肌电信号，个体差异导致肌电值的大小存在差异，不可以直接用来比较，采用MVIC进行标准化处理后的肌电值为一个比值，以消除差异）。对胫骨前肌（TA）、腓肠肌内外侧（GM、GL）的肌电信号进行高通为10 Hz、低通为800 Hz的带通滤波处理，全波整流。使用50 ms窗口宽度计算各肌肉积分肌电值、均方根振幅和肌肉贡献率。

共激活比计算公式为RMS主动肌/RMS拮抗肌^{［10⁃11］}，踝关节共激活比公式为

C=\frac{R_{\mathrm{T}\mathrm{A}}}{R_{\mathrm{G}\mathrm{L}}}，

共激活比肌肉注释为踝关节的主动肌为胫骨前肌，拮抗肌为腓肠肌，R_{\mathrm{T}\mathrm{A}}为标准化后的胫骨前肌均方根，R_{\mathrm{G}\mathrm{L}}为标准化后的腓肠肌外侧均方根。

1.9 统计分析

使用双因素重复测量方差分析检验上升、下降阶段与四种步距中踝关节周围肌肉激活程度之间的差异，若两因素存在交互作用，则进一步做简单效应分析。后继检验采用LSD法，显著性水平为P<0.05。所有数据统计均使用统计软件SPSS 26.0完成，测试结果均以平均值±标准差（\overline{X}±SD）表示。

2 结果分析

使用双因素重复测量方差分析上升、下降与四种步距中的TA、GM、GL的均方根振幅（RMS）、积分肌电值（IEMG）、贡献率、TA与GL的共激活比，三块肌肉的RMS、IEMG、贡献率、共激活比在上升、下降与四种步距之间均无交互作用（P>0.05）。

2.1 均方根值

TA的RMS在四种步距之间具有极显著性差异（P<0.001），见表3。后续检验结果显示，步距50%的RMS极显著大于步距100%、120%（P<0.001），步距70%的RMS极显著大于步距100%、120%（P<0.001）；TA的RMS在上升阶段显著大于下降阶段（P=0.036<0.05）。

GM、GL的RMS在四种步距之间具有极显著差异（P<0.001），后续检验结果显示，步距50%的RMS显著小于步距70%（P<0.05）、步距100%（P<0.001）与步距120%（P<0.001）；步距70%的RMS极显著小于步距100%、120%（P<0.001）；步距100%的RMS极显著小于步距120%（P<0.001）；GM、GL的RMS在上升阶段与下降阶段无显著性差异（P>0.05）。

2.2 积分肌电值

TA的IEMG在四种步距之间具有极显著差异（P<0.001），见表4。后续检验结果显示，步距50%的RMS显著大于步距70%（P=0.028<0.05）、步距100%、120%（P<0.001）；步距70%的RMS极显著大于步距100%、120%（P<0.001）；TA的IEMG在下降阶段极显著大于上升阶段（P=0.004）。

GM的IEMG在四种步距之间具有极显著差异（P<0.001）。后续检验结果显示，步距50%的IEMG极显著小于步距100%（P=0.002）与步距120%（P<0.001）；步距70%的IEMG极显著小于步距100%、120%（P<0.001）；步距100%的IEMG极显著小于步距120%（P<0.001）；GM的IEMG在上升阶段与下降阶段之间无显著性差异（P=0.200）。

GL的IEMG在四种步距之间具有极显著差异（P<0.001）。后续检验结果显示，步距50%的IEMG显著小于步距70%（P=0.033）、步距100%、120%（P<0.001）；步距70%的IEMG极显著小于步距100%（P=0.001）与步距120%（P<0.001）；步距100%的IEMG极显著小于步距120%（P<0.001）；GL的IEMG在下降阶段显著大于上升阶段（P=0.010）。

2.3 肌肉贡献率

TA贡献率在四种步距之间具有极显著差异（P<0.001），见表5。后续检验结果显示，步距50%下的贡献率极显著大于步距70%、100%、120%（P<0.001），步距70%下的贡献率极显著大于步距100%、120%（P<0.001）；步距100%下的贡献率极显著大于步距120%（P<0.001）；TA贡献率在下降阶段与上升阶段无显著性差异（P=0.123）。

GM、GL贡献率在四种步距之间具有极显著性差异（P<0.001）。后续检验结果显示，步距50%的贡献率显著小于步距70%（P<0.05）、步距100%、120%（P<0.001）；步距70%的贡献率极显著小于步距100%、120%（P<0.001）；步距100%的贡献率显著小于步距120%（P<0.05）；GM、GL贡献率在上升阶段与下降阶段无显著性差异（P>0.05）。四种步距中胫骨前肌与腓肠肌内外侧的贡献率大小比较结果如图1所示。

2.4 胫骨前肌与腓肠肌外侧共激活

共激活比在四种步距之间具有极显著差异（P<0.001），见表6。后续检验结果显示，步距50%的共激活极显著大于步距70%、100%、120%（P<0.001），步距70%的共激活极显著大于步距100%、120%（P<0.001）；步距100%的共激活显著大于步距120%（P=0.004）；共激活比在下降阶段与上升阶段之间无显著性差异（P=0.469）。

3 讨论

3.1 肌电特征分析

通过研究发现，在弓箭步蹲起的下降、上升阶段，随着步距的变化，踝关节周围肌群的放电量和贡献率也随之发生改变。在弓箭步蹲起过程中，运动模式为踝关节围绕冠状轴在矢状面内的屈伸运动，使踝关节在冠状面和水平面内运动的肌群在此运动模式中主要起横向的稳定作用^［9］。

在弓箭步蹲起的上升阶段，踝关节绕冠状轴做跖屈运动，胫骨前肌的主要作用为促使踝关节背屈，胫骨前肌的止点位于内侧楔骨及第一跖骨底，因此胫骨前肌的另外一个作用为促使足内翻。踝关节在弓箭步蹲起的上升阶段起始位置处于背屈状态，随着步距的增加踝关节的背屈角度减小，在上升的过程中胫骨前肌做离心收缩，踝关节做跖屈运动。因此，随着步距的增加胫骨前肌的放电量和贡献率逐渐减小，在步距100%、120%时的RMS、IEMG和贡献率极显著小于步距50%、70%（P<0.001）。腓肠肌内侧与腓肠肌外侧两块肌肉为多关节肌肉，分别起于股骨的内、外侧髁的后面，止于跟结节，弓箭步蹲起过程属于远端固定，在远固定收缩时，腓肠肌内外侧的拉力方向为由后向前，使小腿绕踝关节冠状轴屈，完成蹬地并固定踝关节，防止人体向前倾倒，以维持人体直立姿势。在完成弓箭步蹲起的上升动作时，腓肠肌内外侧这两块肌肉被拉长做离心收缩，随着步距的增加踝关节的稳定性下降，因此需要腓肠肌和胫骨前肌产生更大的力量来维持踝关节的稳定性。在步距增加时前脚在地面向前的力增加，为了抵消向前的摩擦力，使腓肠肌内外侧的放电量增加。

弓箭步蹲起的下降阶段，踝关节围绕冠状轴做背屈运动，胫骨前肌的主要作用为使踝关节围绕冠状轴做背屈运动。胫骨前肌在弓箭步蹲起下降的阶段中表现为主动肌做向心收缩，上升阶段中表现为离心收缩，四种步距中胫骨前肌的放电量在下降阶段大于上升阶段。在弓箭步蹲起的下降阶段，胫骨前肌贡献率在四种步距中一直处于主导地位，大于其他肌肉的放电量和贡献率，因此若要锻炼胫骨前肌的力量，增强踝关节的背屈能力，可以选择前弓箭步蹲起动作进行训练，在步距50%时效果最好。腓肠肌内外侧属于双关节肌肉，可使膝关节屈曲、踝关节跖屈，随着步距的增加踝关节起始位置的跖屈角度增大，腓肠肌的初始长度减小。弓箭步蹲起的下降阶段，腓肠肌内外侧在膝关节处缩短，在踝关节处被拉长，但膝关节的关节活动大于踝关节，因此腓肠肌内外侧做向心收缩。在下降过程中，除了腘绳肌的屈膝作用，腓肠肌也作为协同肌参与屈膝，随着步距的增加，受试者为了防止前脚前移主动收缩腓肠肌增加与地面的摩擦力。研究结果显示，随着步距的增加腓肠肌内外侧的放电量和贡献率也随之增加。

3.2 胫骨前肌与腓肠肌外侧共激活特征分析

本研究计算出四种步距下，前弓箭步蹲起过程中踝关节的共激活比，分为上升与下降两个阶段，共八种共激活比。根据分析，上升与下降之间的共激活比没有差异，只随着步距的改变发生变化，随着步距的增加共激活比逐渐降低。研究结果显示，步距50%的共激活比值极显著大于步距70%、100%、120%（P<0.001），步距70%的共激活比值极显著大于步距100%、120%（P<0.001），步距100%的共激活比值显著大于步距120%（P=0.004）。这是因为胫骨前肌的放电量和贡献率随步距增加而减小，腓肠肌外侧的放电量和贡献率随步距的增加而增加。步距为50%时，胫骨前肌与腓肠外肌的共激活比值最大（上升=3.38±2.06，下降=3.5±1.81），此时主要以胫骨前肌为主导，腓肠外侧的发力最少，可以在此步距下进行胫骨前肌的锻炼，训练效果很好；步距为120%时共激活比（上升=2.53±1.47，下降=2.91±1.21）相较于其他三种步距最小，但同样以胫骨前肌为主导。有研究指出，共激活的定义为关节周围主动肌和拮抗肌同时活动^［12］。主动肌和拮抗肌的准确协调对于有效执行人体运动至关重要，事实上，大多数自主肌肉收缩涉及主动肌激活和拮抗肌同时抑制的模式，这是神经肌肉控制^［13］。在自主等长收缩、高速肢体移动和精细动作控制期间，需要主动肌和拮抗肌的同步共同收缩（即共激活）以确保关节的稳定性^［14］。也有研究指出，训练动作中主动肌与拮抗肌的共激活水平越接近于1时，主动肌与拮抗肌的激活程度越平衡，表示相关关节的稳定性越好^{［15⁃16］}。本研究的实验中，四种步距下，前弓箭步蹲起过程踝关节周围肌群（胫骨前肌与腓肠肌外侧）的共激活比值均大于1，这表示踝关节处于一个不稳定的状态，在涉及前弓箭步的运动中，会增加运动员踝关节受伤的风险。因此，在涉及前弓箭步运动的项目中，运动员需要在平时的训练中增加踝关节稳定性训练，防止运动损伤发生。

4 结论与建议

4.1 结论

在前弓箭步蹲起过程中，胫骨前肌与腓肠肌的放电量与贡献率会受到步距的影响，胫骨前肌的放电量和贡献率随着步距增加而减小，腓肠肌的放电量与贡献率随着步距的增加而增加。四种步距下的共激活比均大于1，弓箭步蹲起动作中踝关节处于不稳定状态，容易造成踝关节的损伤。在实际训练过程中，需根据不同运动的特点，选择不同的步距进行训练。

4.2 建议

可以选择步距为腿长50%的前弓箭步进行胫骨前肌力量的训练；选择步距为腿长的120%的前弓箭步进行腓肠肌的力量训练；结合步距50%和步距120%分别加强踝关节周围的肌肉的力量，增加踝关节的共激活比，从而增加踝关节的稳定性。涉及前弓箭步较多的运动项目，如羽毛球、网球、击剑等，运动员需要加强踝关节的稳定性训练，防止踝关节的损伤。未来的研究可以探讨不同人群（如不同年龄、性别、竞技水平等）的步长变化如何影响踝关节的功能，并提出更多有价值的建议。

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