体能资讯 | 有训练经验的受试者在执行俯卧腿弯举时，不同膝关节及踝关节位置对力量和肌肉激活的影响

运动表现

▌摘要

马尔凯蒂，马加良斯，戈麦斯，多达席尔瓦，斯特西克及怀廷。有训练经验的受试者在执行俯卧腿弯举时，不同膝关节及踝关节位置对力量和肌肉激活的影响。J Strength Cond Res 35(12): 3322–3326, 2021—双关节肌肉在不同的关节位置下可能会影响单关节运动中的力量和肌肉活动。本研究的目的是对比有训练经验的受试者在俯卧腿弯举中，在两种不同的膝关节和踝关节位置下最大等长收缩和肌肉激活。该研究招募了15名有抗阻力训练经验的男性（27±4岁，178.80±5.72厘米，86.87±12.51千克），在膝关节屈曲0°和90°以及最大踝背屈（D）和踝跖屈（P）时，测量股二头肌、腓肠肌外侧（GL）和比目鱼肌外侧（SL）的峰值力量（PF）和肌肉激活。对每个膝关节和踝关节位置的组合进行3次最大自主等长收缩，持续5秒。对所有变量采用双向重复测量的变异分析。对于峰值力量（PF）来说，在踝关节90度位置（D×P）（P ＝ 0.009）和膝关节位置（0 × 90°）在踝背屈（D） （P＜0.001）和踝跖屈（P） （P＜0.001） 之间有显著差异。膝关节在0°和踝关节最大背屈时，峰值力量（PF）最大。对于腓肠肌外侧（GL）来说，踝关节（D × P）在0°（P＝0.002）和膝关节位置（0 × 90°）最大踝背屈（D）之间有显著差异。膝关节处于90°屈曲且踝关节最大背屈时，腓肠肌外侧的激活更充分。对于比目鱼肌外侧（SL）来说，不同的踝关节位置（D×P）显著差异：在90°时（P＝0.001）和0°时（P＝0.002）。无论膝关节位置如何，比目鱼肌外侧在踝跖屈时更活跃。无论踝关节位置如何，膝关节完全伸展时等长收缩产生的力都更大；膝关节位置和踝关节位置都不会影响腘绳肌的活动。

▌关键词

力量、运动表现、腘绳肌

▌简介

腘绳肌（股二头肌长头、半腱肌、半膜肌）被归类为双关节肌，既是主要的髋关节伸展肌又是膝关节屈曲肌（9,19,22）。这些肌肉的发展可以通过单关节和多关节练习来实现（17）。但是，在多关节运动中，腘绳肌被认为是协同肌群，在深蹲（3,4,13,24）、腿举（6）、箭步蹲（14）中呈现低到中等强度的肌肉参与。因此，建议将单关节练习如俯卧腿弯举作为完整下肢训练的一部分（20），因为与深蹲相比，类似训练可以提供约两倍的腘绳肌激活。此外，腓肠肌（外侧和内侧头）也表现出双关节的特征，既是主要的膝关节屈肌又是踝关节跖屈肌（10,21），这似乎说明，这些肌肉在不同踝关节位置下可能影响膝关节屈曲。Ballantyne等人（1）证实，当腓肠肌在跖屈运动中做等长动作时，腘绳肌激活所需的阈值减少。

科学证据表明，力量和肌肉激活的改变可能与肌肉长度和机械优势有关，这可能会影响力量水平和肌肉激活模式（1）。膝关节与踝关节角度的不同导致不同的肌肉长度，对于整体的肌肉收缩能力有很大影响（8）。因此，腓肠肌和腘绳肌肌肉活动的不同组合方式可能会对于俯卧腿弯举的力量产生影响。所以，本研究的目的是让有训练经验的受试者在两种不同的膝和踝关节位置下做俯卧腿弯举，比较最大等长收缩和肌肉激活情况。主要的假设是，股二头肌和腓肠肌外侧的最大等长力和肌肉激活发生在膝关节伸展和最大踝背屈位置，但对于比目鱼肌的激活没有影响。此研究的原理是验证特定的膝和踝关节位置的变化是否影响腿弯举时的力量产生及肌肉激活。对于特定关节变化的研究有助于在康复计划和力量训练处方中充分使用该训练方式。

▌研究方法

解决问题的实验研究法

这篇文章采用了随机交叉研究设计。所有受试者在以下4种实验条件下做等长俯卧腿弯举：在最大程度踝背屈的情况下（D0 和D90），膝关节屈曲0°和90°；在最大程度踝跖屈情况下（P0和P90），膝关节屈曲0°和90°。在每一种情况下，完成三组每组5秒最大自主等长收缩（MVICs）。每一种情况下的，峰值力量（PF），腓肠肌外侧（GL）、股二头肌（BF）以及比目鱼肌外侧（SL）的表面肌电图（sEMG）将被记录下来用做实验分析。

受试对象

根据一次预先实验对最大等长收缩的数据分析结果，要达到0.05的显著水平 及0.8的功效，需要5名受试者（5）。因此，15名年轻、健康、有抗阻训练经验的男性（年龄：27±4岁，身高：178.8±5.7厘米，体重：86.9±12.5公斤）参与到了此项研究。他们有着6±3年的抗阻力训练经验（至少每周3次），且没有手术史或在过去一年中下肢及脊柱有残留症状（疼痛）的损伤史。Nove de Julho大学的机构审查委员会批准了这项研究（#3.050.388/2018）；在任何数据收集之前，受试对象都会被告知研究的风险和利益，然后阅读并签署机构批准的书面知情同意书。

步骤

该研究采用了随机交叉设计。受试者参加一次实验室训练，并且在参与前的48小时内不进行除正常活动外的下肢训练。在搜集数据前，受试者被要求确定他们在踢球时的首选腿，随后将其视为他们的主力腿（惯用腿）（15）。所有的参与者均为右腿主力腿。此外，还对人体测量数据进行了评估（体重以及身高）。受试者进行了一般的热身活动，以70转/分骑行5分钟，以及在测试前熟悉相应的动作，在膝关节屈曲0°及90°以及踝关节最大背屈及跖屈的状态下进行5次次最大自主等长收缩的双侧俯卧腿弯举，在每次尝试之间休息30秒。

随后，所有受试者俯卧在腿弯举设备（腿伸器械，Riguetto，Brazil）上，主力侧的下肢保持股骨大转子与器械的机械轴对齐，最大程度踝背屈并且保持髋屈15°。为了减少髋关节的移动，用一条绑带将骨盆和长凳固定。器械的杠杆臂与一个负荷传感器垂直连接，该传感器连接电脑以进行记录，采样频率为2kHz。所有受试者进行3次单侧最大自主等长收缩膝关节屈，对抗锁定的腿弯举器械，每一次维持5秒，间隔休息15秒。所有受试者在以下4种实验条件下做等长俯卧腿弯举：在最大程度踝背屈的情况下（D0 和D90），膝关节屈曲0°和90°；在最大程度踝跖屈情况下（P0 和P90），膝关节屈曲0°和90°。对于受试者来说，不同的实验条件随机分配，但允许在不同的条件之间有30分钟间隔。在不同的测试情况下，参与者都得到了口头的鼓励，所有的测试都在晚间6至8点间由同一位研究人员进行。

测量：表面肌电图。在放置EMG电极进行测量前受试者的皮肤需要做预处理。放置电极的位置需要除毛并且用酒精消毒。使用两极无源一次性Ag/AgCl双扣式电极，每个圆形导电区的直径为1厘米，中心到中心的间隔为2厘米。根据SENIAM/ISEKI流程，电极放置在优势肢体上，股二头肌的电极放置位置为坐骨结节和胫骨外上髁连线之间50%处，腓肠肌外侧（GL）的电极放置位置在腓骨头和脚跟连线之间1/3处，比目鱼肌外侧（SL）的电极放置位置在股骨内踝和内踝连线的2/3处（7）。腓肠肌外侧（GL）、股二头肌（BF）以及比目鱼肌外侧（SL）的肌电信号以2kHz的频率使用商用设计软件(EMG system Brail)通过肌电图采集系统(EMG832C)记录。肌电图活动被放大（两极差动放大器，输入电阻=2 MΩ，共模抑制比＞100 dB min (60 Hz)，增益× 20, n噪声＞ 5 µV），并进行模数转换（12bit）。地面电极被放置在脚踝外侧的骨突处。所有的肌电数据都通过定制的Matlab程序进行分析(MathWorks, Inc., Natick, MA)。数字化肌电信号数据在20-400 Hz频率下使用零滞后的四阶巴特沃斯滤波器进行带通滤波。对于肌肉激活时域分析，所有实验的RMS（150ms移动窗口）都被记录。接着，为了避免身体的调整，第一秒的肌电信号从RMS移除，每次测试3秒后将整合出表面肌电图。

峰值力量（最大自主等长收缩）。最大自主等长收缩通过一个称重传感器采集系统（EMG832C, EMG system Brasil）通过一个商业设计的软件程序以2kHz的采样率收集。所有的最大自主等长收缩数据与表面肌电信号同步并通过一个定制的Matlab程序进行分析（MathWorks Inc.）。数字化最大自主等长收缩数据在10 Hz频率下使用零滞后的四阶巴特沃斯滤波器进行带通滤波。下肢重量由同样的测力计在两种不同的膝关节角度下测量。然后，移除第一秒和最后一秒的数据以防止身体姿态调整的影响，最终使用每3秒的最大数值进行进一步分析。

▌统计分析

数据的正态性以及同质性分别通过Shapiro-Wilk和 Levene检验来确认。对所有的变量（最大肌力以及整合表面肌电图）双向重复测量的方差分析采用了两种膝关节位置（0°和90°）以及两种最大踝关节位置（背屈和跖屈）。利用Bonferroni测试进行比较。计算了Cohen的公式（用于效应大小），结果基于如下标准：微不足道（＜0.2），轻微（0.2~0.6），中等（0.6~1.2），显著（1.2~2.0），十分显著（＞2.0）影响（2）。实验及重复实验的可靠性（同类相关系数）采用如下标准：＜0.40差；0.40~0.75满意；≥0.75优秀（18）。5%的阿尔法值被用来确定统计学意义。

▌结果

对于峰值力量（PF）（图表1A），踝关节位置（p=0.001）和膝关节位置（p＜0.001）具有显著主效应。踝关节与膝关节没有相互作用（p=0.518）。膝关节位置为90°时，与踝跖屈的姿态相比，踝背屈姿态时腿弯举的峰值力量更大(p ＝ 0.009, d ＝ 1.01 [large], Δ% ＝ 22%)。无论踝关节是背屈（p ＜0.001, d＝3.24 [very large], Δ%＝48%）还是跖屈（p＜0.001, d＝ 2.66 [very large], Δ%＝ 51%)），膝关节在0°时腿弯举产生的峰值力量都比膝关节在90°时大。

对于股二头肌（BF）肌肉激活（图表1B），踝关节（p = 0.940）和膝关节（p = 0.435）的位置没有显著主效应。膝关节和踝关节之间没有交互作用。

对于腓肠肌外侧（GL）肌肉激活（图表1C），踝关节位置（p=0.005）和膝关节位置（p=0.007）具有显著主效应。踝关节与膝关节的之间没有交互作用（p=0.081）。与膝关节在0°时踝背屈相比，趾屈时腓肠肌外侧激活更加显著（p =0.002, d=1.49 [large], Δ % =44.1%）。在踝背屈的条件下，膝关节在90度时，腓肠肌外侧的激活要明显大于膝关节在0度时（p=0.005, d=0.38 [small], Δ % =12.3%）。

对于比目鱼肌外侧（SL）肌肉激活（图表1D），踝关节位置（p＜0.001）及膝关节位置（p=0.001）具有显著主效应。膝关节及踝关节之间存在交互作用（p=0.025）。无论膝关节在90°（p = 0.001, d = 1.59 [large], Δ % = 47.5%）还是0°（p=0.002, d 5 0.99 [moderate], Δ % = 33.6%），与踝背屈相比，踝跖屈的比目鱼肌外侧激活更显著。表格1展示了所有实验条件下的置信区间和测试-再测试可靠性（ICC）

▌讨论

本研究的目的是比较有训练经验的的受试者在俯卧腿弯举运动中两种不同膝关节和踝关节位置的最大等长收缩和肌肉激活情况。主要研究结果如下：（a）与膝关节在90°相比，膝关节在0°（膝伸）时峰值力量（PF）较高；（b）与踝跖屈相比，踝背屈时峰值力量（PF）较大；（c）股二头肌（BF）在膝关节和踝关节位置之间没有差异；（d）与其他膝关节和踝关节位置相比，膝关节伸展和踝背屈时，腓肠肌外侧（GL）激活较低；（e）比目鱼肌外侧（SL）仅受踝关节位置影响。本研究结果部分证实了主要假设，即在膝伸和最大踝背屈时，股二头肌（BF）和腓肠肌外侧（GL）产生最大等长张力和肌肉激活，在踝跖屈时，观测到比目鱼肌外侧（SL）较高的激活，且不受膝关节位置影响。

由于肌肉长度的变化，关节角度对于整体力量有很大影响。在此研究中，与膝关节屈曲90°相比，膝关节伸展0°时峰值力量（PF）最大。膝关节角度之间的这种差异可能与肌肉缩短时收缩能力下降的等长、长度-张力关系有关（10,17）。这种现象在此研究中能被观察到，并且与Kirk和Rice (10), Onishi等人(17)及Worrel等人(23)的研究相印证。Kirk和Rice（10）测量了在两个膝关节角度（90°以及160°伸展）情况下的最大自主等长收缩（MVICs），结果显示在伸展到160°的位置时，膝关节屈曲的最大自主等长收缩要大60~70%。这与此次研究的结果相似，在此次研究中也验证了膝关节伸展时最大自主等长收缩增加48~51%（十分显著的效应）。此外Onishi等人（17）观察到，在最大等速运动测试中，膝关节屈曲60°时的膝关节屈曲力矩比屈曲90°时大。平均等速力矩的峰值出现在膝关节屈曲15~30°之间，随后，随着膝关节角度的增加力矩下降。Worrel等人（23）发现，与其他的膝关节角度相比，30°时平均膝关节屈曲力矩显著较高，90°时显著较低。

此外，与膝关节屈曲90°相比，在踝关节背屈时测得的峰值力量（PF）更大（22%，显著差异）。奇怪的是，即使在膝关节屈曲0°时没有明显的统计学效应，但也验证了16.7%（中等程度差异）的差异。踝背屈时可能为腓肠肌创造更好的机械优势（减少了羽状角（16）），因此，在屈膝时提供了更大的力量。这种影响在膝关节屈曲90°时比0°更加显著。

研究指出，肌肉长度因髋关节和/或膝关节的位置而变化，而腘绳肌的激活将受到其影响（10,12,17,20）。然而，在这个研究中，髋关节保持不变，仅有膝关节位置被改变。因此，腘绳肌的长度-张力关系被改变了，但奇怪的是，膝关节在0°和90°两个不同位置时，并没有观察到股二头肌（BF）激活的差异。这一结果的一个可能合理的解释是，不同的膝关节位置时腘绳肌群之间的相互协调作用，这正如Onishi等人在研究中观察到的（17）。他们的报告中指出，在膝关节角度15°~30°之间，观察到股二头肌（BF）的峰值活动，然后其它的腘绳肌（半膜肌及半腱肌）则在膝关节角度为90°~105°之间观测到峰值活动。这一结果表明，在膝关节屈曲的早期阶段，股二头肌（BF）高度的参与了膝关节屈曲力矩的产生。

尽管腓肠肌外侧（GL）与比目鱼肌外侧（SL）被认为交互协同（基于交互激活作用（11）），但他们也呈现出了特定的功能及特性，即比目鱼肌外侧仅穿过脚踝关节，而腓肠肌外侧同时穿过膝关节及踝关节（11）。由于主动及被动结构的力-长度特性，这些肌肉的激活必须不断调节以产生力/力矩。他们的肌肉-肌腱单位长度及由此产生的力量都受到这两个关节位置的影响（11）。本研究显示，只有在伸膝和最大踝背屈时，腓肠肌外侧（GL）的激活较低；肌肉激活率降低可能与腿部前侧肌肉群（比如胫骨前肌）的激活引起某种程度的交互抑制有关，腿部前侧肌群的激活将维持踝背屈姿态。此外，这种影响只在伸膝时观察到，这是由于长度-张力关系的原因，因为腓肠肌在伸膝及踝背屈时的长度更长，因此导致其产生更大的被动力量。

最后，比目鱼肌外侧（SL）更大程度的激活在踝背屈的时候被观测到，且其不受膝关节位置的影响。这是由于该肌肉是单关节肌肉不会影响膝关节活动，所以也不参与屈膝时力量的产生。因此在最大踝背屈时，比目鱼肌外侧（SL）激活的减弱或许可以被解释为由于腿部前部肌肉（比如胫骨前肌）产生的一定程度的交互抑制有关。

我们认识到此研究有一定的局限性。我们没有测量腘绳肌群的所有肌肉，而测量有可能可以帮助理解对于峰值力量（PF）的影响。我们也没有控制表面肌电图（sEMG）测量区域的皮褶厚度，皮褶被认为是一种低通过性的滤波器，而且受试者肌腱紧张程度存在固有的差异。并且，我们的受试者均为健康、有抗阻力训练经验的人群，所以此研究结果也不适用于其他条件、人群或者运动员。

我们的研究结果表明，膝关节或踝关节位置的具体变化可能会影响腿弯举时力量的产生或肌肉的激活。本研究结果发现，膝关节伸展且踝背屈时产生的力量最大。膝及踝关节位置对股二头肌肌肉激活没有影响。踝背屈状态下，膝关节位置在90°时，腓肠肌外侧（GL）激活率相较于膝关节为0度时更高。无论膝关节位置如何，比目鱼肌在踝跖屈时都比在踝背屈时更活跃。

▌研究的实际应用

此项研究结果可能使业余运动员、健美运动员及康复计划受益。等长收缩对于增加特定关节角度下的肌肉力量十分重要，其可能在康复训练方案/测试起到帮助，或帮助处于特定训练阶段的业余运动员/健美运动员，当他们的目标是在关节处于较低机械优势（粘滞点）时提升力量，甚至目的是增加代谢压力以达到更大的神经肌肉疲劳。此研究支持如下观点：无论踝关节位置如何，膝关节完全伸展时等长收缩会产生更大的力量。然而，当训练目标是特定在膝关节90°屈曲时（如一些等长测试），踝关节背屈有助于产生更大的力量。换句话说，当训练目标是增加腘绳肌的参与，无论膝还是踝关节位置都不会影响肌肉参与的水平。

声明

作者感谢所有受试者的参与。

作者没有任何利益冲突需要公开。