體能新視點】——有訓練經驗的舉重者前蹲和後蹲過程中肌肉力量分布的建模

有訓練經驗的舉重者前蹲和後蹲過程中肌肉力量分布的建模

摘要

杠鈴進行的蹲的練習是一種基本的體能訓練方法，杠鈴蹲類練習有兩種主要的變形式：前蹲和後蹲（頸後蹲）。雖然已有研究比較了前蹲和後蹲在機械力學方面的差異，但尚信息比較這兩種變形式在肌肉力量分布方面的差異。這項研究的目的是比較前和後蹲所用的主要骨骼肌所產生的估計力量。25名男性受試者參與本次研究，具備6.24～2.21年的蹲舉練習的訓練經驗，兩種變形式深蹲的1RM分別為127.5～18.8和90.6～14.4公斤。實驗對象分別以70%1RM的重量完成前蹲和後蹲。通過動作捕捉數據（motion capture data）測定動態條件下的肌肉力量以及矢狀面上的運動學數據。運動學分析顯示後蹲與更大的軀幹屈相關（p < 0.05）。肌肉力量的測定也顯示後蹲中豎脊肌力量顯著更大（p < 0.05）。其餘骨骼肌的肌肉力量在兩種變形式的練習中沒有顯著性差異（P＞0.05）。本文的研究顯示前蹲或後蹲中，除了下背部外，其餘在肌肉力量生成方面沒有顯著性差異。本文的發現導向的結果是前蹲或後蹲這兩種變形式中不存在哪一種形式能夠在骨骼肌的力量輸出方面產生額外強於另外一種形式的益處。

關鍵詞：生物力學，阻力訓練，舉重

前言

採用杠鈴進行的深蹲練習是體能訓練取得訓練效果的主要方式（Clark, Lambert, Hunter, 2012）。深蹲練習的目的是訓練並加強與髖和膝關節相聯繫的肌肉（Wilk et al., 1996）。蹲這個動作是閉鏈動作的代表，並已經顯示是多種運動和日常動作的表徵（Escamilla et al., 1998; Wilk et al., 1996）。深蹲傳統上是訓練計划過程中的中心環節，並被設計用來提高運動表現和加強生活質量（Escamilla, 2001）。深蹲有兩種主要的變形式：前蹲和後蹲（頸後深蹲），儘管兩種變形式的機械力學特徵相似，但仍然存在技術和參與肌肉方面的差異（Russell, Phillips, 1989）。

在後蹲練習中，當採用高杠鈴位置時，杠鈴桿位置在斜方肌上側頸椎C7下方（Baechle, Earle, 2008; Russell, Phillips, 1989）。後蹲的完全完成姿態是屈曲髖關節和膝關節直至大腿部位和地面平行的程度（Escamilla, 2001）。在下降至要求的幅度後，練習者伸展髖關節和膝關節，直至恢復初始站立姿態。前蹲練習則要求練習者將杠鈴負重放置於身體前側與鎖骨嵴對齊。手臂和肩關節持握杠鈴桿的姿態採用高翻練習的姿態，即手肘彎曲，雙肩內旋，這樣使得上臂段與地面平行（Baechle, Earle, 2008; Gullett, Tillman, Gutierrez, Chow, 2009）。前蹲的下降階段和上升階段與後蹲的兩個階段相同。一般來說，後蹲與前蹲相比，練習中軀幹屈曲姿態更大，這與（後蹲中）杠鈴桿位置更靠後，即，軀幹遠端的部分必須向前投射（前傾）得更多以保持練習過程中的平衡（Baechle, Earle, 2008, Gullett et al., 2009）。

深蹲的這兩個變形式相關的生物力學特徵是研究界新興的研究領域。Russell、Phillips（1989）比較了前蹲和後蹲過程中的運動學和膝關節伸肌力矩（torque）。在形式的深蹲中，儘管因為杠鈴桿位置更靠後導致後蹲中軀幹的屈曲增加，但膝關節的力矩沒有差異。然而值得注意的是，該研究採用了一種不正確的技術來確定軀幹的遠端位置，這可能影響到所測得的軀幹傾斜結果。Diggin等人（2011）研究了前蹲和後蹲中軀幹和下肢運動學方面的差異。他們的發現證實了先前的研究結果，即，與前蹲相比，後蹲與更大的軀幹的傾斜度顯著相關。Stuart等人（1996）使用低重量的杠鈴（50磅），檢視了前蹲和後蹲中脛股關節（tibiofemoral joint）的力量和肌肉激活情況。他們的研究結果表明，兩種深蹲中脛股關節的力量和肌肉激活顯著不同，這也成為了兩種不同形式的深蹲的功能性的內容（譯註，意思是因為兩種深蹲中脛骨關節的力量和肌肉激活顯著不同，所以兩種深蹲也因此具備了不同的功能性）。同樣，Gullett等（2009）檢視了進行前蹲和後蹲練習時股脛關節動力學特徵，股四頭肌、腘繩肌和豎脊肌的激活情況。他們發現後蹲中會產生更大的脛股關節壓迫力和膝關節伸展動作，但肌肉激活方面兩種深蹲無差異。

雖然已經有對前蹲和後蹲的生物力學特徵的綜合概述，但尚無對兩種方式的深蹲有關的肌肉力量方面的對比檢驗，尤其是對肌肉力量分布方面的研究。缺乏合適的用以檢視動態肌肉力量的測量工具，這是限制上述內容的關鍵因素。

現如今，通過利用基於動作捕捉技術的數據，特定的用來評估動態過程和條件下骨骼肌力量分布的軟體已經被開發出來（Delp et al., 2007）。迄今為止，有關動態活動——例如深蹲——的評估尚無報告。本文中的調查的目的就是檢視前蹲和後蹲對不同骨骼肌產生的力量的影響。對這種特徵的研究可以為參與抗阻訓練的人提供重要的信息，為其提供前蹲和後蹲這兩種被廣泛採用的深蹲的練習中主要肌肉募集的程度的證據。

25名男性受試者（年齡24.7 SD 4.4歲，身高1.7 SD 0.1米，體重75.4 SD 5.2公斤），自願參加本研究。受試者有6.24～2.21年的訓練經驗，1RM分別為127.5±18.8、90.6±14.4公斤。參與者每周至少訓練3次，並習慣性地利用兩種蹲式技術作為他們抗阻訓練計劃一部分。本研究從大學倫理委員會獲得倫理認，並遵守赫爾辛基宣言中概述的程序。

過程

參與者用正常的背蹲和前蹲技術完成5次重複，兩種深蹲練習的負荷一致的，負重70%前蹲1RM。參加者完成他們蹲在一個隨機的順序。受試者以隨機順序完成要求的深蹲次數，右腳置於壓電測力平台Kistler, Kistler Instruments Ltd., Alton, Hampshire）上以獲得地面反應力的信息，頻率1 000 Hz採樣。

通過1套包含8個攝像鏡頭的光電運動分析系統（QualisysTM Medical AB, Goteburg, Sweden）獲得運動學信息，採樣頻率為250赫茲。反游標記設置在頸椎C7、胸椎T12、胸骨的劍突標誌點，並同時雙側標定於肩峰、髂嵴、髂前上棘、髂骨後棘、踝關節內側和外側、內側和外側股骨髁以及股骨大轉子，以此來確定定位軀幹、骨盆、大腿、小腿和足部的解剖結構。碳纖維跟蹤簇（Carbon-fibre tracking cluster）由4個非線性反游標記組成，置於大腿和小腿段。相關解剖結構還進行了靜態標定試驗（Static calibration trial），為跟蹤標記點和跟蹤簇進行參考校準。

數據處理

利用「Qualisys Track Manager」對動態試驗進行數字化處理，以識別確定解剖和跟蹤標記，之後將數據導出為C3D文件至Visual 3D（C-Motion, Germantown, MD, USA）。以25和6赫茲的截止頻率對地面反作用力和運動數據進行平滑處理。

採用OpenSim軟體（Simtk.org）量化前蹲和後蹲過程中的肌肉力量（Delp et al., 2007），使用標準的gait2392模型使用OpenSim V3.2量化肌肉力模擬。該模型對應於從視覺3D導出的8個「段」（譯者註：聯繫上下文，應該是指通過數字建模，人體在視覺的視覺成像模型簡單地分成了軀幹1段、大腿左右共2段、小腿左右共2段、足部左右共2段、骨盆1段），總共有19個自由度。本研究中：認為軀幹是一「段」，能夠在3個平面上旋轉；認為骨盆有6個自由度，因其能夠在3個軸上進行旋轉和轉換；認為大腿節具有3個自由度，在所建的模型中，大腿近端模型為一個球體位於一個穴窩中；認為小腿和足部「段」具有1個單一的旋轉自由度（矢狀面），在建模中被視為在這些部位的近端（處起作用的）的鉸鏈關節。

gait2392模型包含有92塊肌肉，其中86塊以下肢為中心，6個與骨盆和軀幹有關。對肌肉特點進行的建模，採用了Hill提出的基於力-速度-長度之間關係的推薦方式（Zajac, 1989）。之後，這些肌肉的特性根據每個受試者的身高和身體質量，依照Delp 等人（1990）的建議，根據每個參與者的身高和體成分進行縮放。縮放之後，從Visual 3D導入反向動力學和地面反應力（數據），再運行OpenSim中的殘餘約簡演算法（RRA）。RRA主要用來計算重新生成動態運動所需的凈關節力矩（net joint moments）。本實驗數據進行的RRA計算產生的路線均方誤差（route mean squared errors）小於2°，與OpenSim對優質數據的建議相一致。RRA計算後，應用計算機生成的肌肉控制程序（computed muscle control,CMC）來估計一組肌肉力量模型，這使得所建立的模型能夠重現所需的運動學表現（Thelen, Anderson, Delp, 2003）。CMC程序估算所需的肌肉力量來對應關節力矩。

在CMC程序後，計算深蹲動作中右側的股二頭肌長頭短頭、股二頭肌、半腱肌、半膜肌、股直肌、股內側肌、股外側肌、股中間肌和豎脊肌的峰值和平均力量。兩種形式的深蹲的起始和結束的判定與Sinclair等人（2014）相一致，為髖伸展最大角度時刻。凈峰值肌肉力量值（N，牛頓）通過除以參與者身體質量的方式進行歸一化，至此，肌肉的力量表現以N/kg的表達。

髖、膝和軀幹的矢狀面的運動學測量結果被提取進行數據分析，包括：1）深蹲過程中的峰值角度；2）動作初始至峰值角度過程中發生的角偏移（angular excursion）。關節的機械學表現，按其近側端與遠側端相對應的功能（例如：髖=大腿相對於骨盆；膝關節=小腿相對於大腿；踝關節=足相對於小腿和軀幹；軀幹=軀幹相對於骨盆）進行計算機數字處理。這些變數均從實驗中進行的兩種深蹲變形式的5次重複中提取，並對數據取均值以進行數據分析。參與者的關節運動學表現和生理屈曲按占整個深蹲階段的0-100%進行歸一化，並僅當為了可視化目的時採用全體實驗對象的平均值。

統計分析

採用多元方差分析，檢視兩種深蹲形式下肌肉力量和矢狀面上的運動學方面的差異，可接受的顯著性水平為p＜0.05（Sinclair et al., 2013）。並進一步比較不同深蹲形式以獲得顯著性差異。效應量以部分埃塔平方（Pη²）計算。所有的統計分析均使用SPSS v22.0（SPSS Inc., Chicago, USA）。

結果

整體的多因素分析得出顯著性F = 4.58，P＜0.05；Wilk"sΛ= 0.245，Pη²= 0.56。結果表明，雖然兩種深蹲形式的運動學曲線基本相似，但具體的技術對肌肉動力學和關節運動學方面有顯著影響。表1 - 2和圖1展示了不同的深蹲形式中肌肉力量分布和關節運動學。

關節運動學

後蹲與前蹲相比較，峰值軀幹屈曲角度顯著更大（F = 14.57，P＜0.05，pη²= 0.39）（圖1）。兩種深蹲形式中髖關節、膝關節和踝關節運動學無顯著性差異（P＞0.05）。

圖1。不同深蹲技術作用下矢狀面上的動力學表現：A.髖關節；B. 膝關節；C.踝關節；D.軀幹（黑實線=前蹲，點虛線=後蹲）（FL =屈，DF =背屈）

肌肉力量

後蹲中的豎脊肌峰值力量顯著更大（F = 16.21，P＜0.05，Pη²= 0.42）。兩種深蹲形式沒有進一步的肌肉力量方面的差異（表1-2）。

表1 兩種深蹲形式中峰值肌肉力量分布

表2 兩種深蹲形式中平均肌肉力量分布

The first key observation from the current investigation was in relation to the kinematic analysis. Flexion of the trunk was significantly greater when performing the back squat, in relation to the front squat. This finding concurs with the observations of both Russell, Phillips (1989) and Diggin et al. (2011) who noted similar increases in trunk flexion when performing the back squat. It is likely that this observation relates to the posterior position of the barbell during the back squat in relation to the front squat, thus the distal end of the trunk segment must be projected forwards to maintain balance.窗體頂端

討論

本研究調查了前蹲和後蹲技術動作對主要骨骼肌發力的影響。這是首次有研究進行比較式調查來檢視前蹲和後蹲中肌肉力量生成方面的差異。

本研究的主要創新性是對骨骼肌力量的檢測，並與前蹲和後蹲的整個動作過程相聯繫。 本研究結果顯示後蹲中豎脊肌的肌肉力量比前蹲中的力量顯著更大，這個發現可能與後蹲中軀幹段屈曲角度更大有關。儘管沒有識別到軀幹段的動態屈曲，但該部分肌肉（豎脊肌）力量輸出的增加可能與該肌肉離心力量的生成增加有關，這起到的功能性方面的作用是增加了軀幹屈曲的角度。本研究所觀察到的與Gullett等人（2009）進行的EMG（肌電圖）研究相左，後者發現兩種深蹲方式中豎脊肌激活沒有差異。

本研究所發現的與前人研究相矛盾的結果可能是由於研究所採用的技術的差異，因為採用反向運動學技術量化肌肉力量與表面肌電圖技術差異很大。

與前人研究相一致的觀察結果是：兩種深蹲形式中，股四頭肌和腘繩肌力量沒有差異，這與Gullett等人（2009）和Stuart等人（1996）的研究相一致，他們的研究同樣顯示以表面肌電圖（EMG）進行測量的下肢肌肉募集情況在前蹲和後蹲兩種形式中沒有不同。至此，研究的發現可以導出結論：不論前蹲或後蹲，就骨骼肌的力量輸出來說，兩者中不存在一種方式能比另一種方式更能帶來額外的訓練益處（譯者註：前蹲和後蹲的訓練益處沒有不同）。同樣，也應該中肯地認識到，採用不同研究方法所得出的研究結果具有相似性，由此可以證明肌肉力量評估法可以進一步採用，更多地與傳統的評估肌肉激活和參與情況的方法進行比較。

同時認識到當前研究具有局限性也是非常重要的。本研究中，所有深蹲形式均採用相同的負荷重量，這意味著不同深蹲形式中的相對負荷是不同的，（對比相同相對負荷重量）是必要的。但本研究的背景中，地面反作用力的信息作為反向運動學研究程序中的一個關鍵輸入數據，因此，要求相同的負荷抗阻以公平對比不同深蹲形式下的肌肉力量。這很重要，因為如果不同的深蹲形式中採用不同的抗阻負荷，會改變地面反應力的輸入數據，因為舉起的重量會在此過程中產生不同。最後，本研究採用了一種基於模擬的過程來量化肌肉力量，可能也會造成一定的局限性。骨骼肌模擬的效果取決於基本的數學模型。在建立骨骼肌模擬模型中使用了大量的機械學假設（Delp et al., 1990），主要與膝關節和踝關節受限的旋轉自由度和缺少重要肌肉——例如recuts abdominis（譯註：recutus abdominis是腹直肌，原文應該是筆誤）——有關，而這可能導致不準確的預測肌肉力量。然而，作為當前一種直接量化肌肉力量的方法，現有的量化過程是在動態動作中量化肌肉力量的最具實踐性的方法。

總結

儘管前人的研究已經比較分析前蹲和後蹲的機械學，但有關肌肉力量方面的差異的認知還相當有限。本研究通過比較前蹲和後蹲有關的肌肉力量來解決上述研究的缺失。本研究顯示，後蹲與顯著更大的豎脊肌肌肉力量相關，但其他下肢肌肉沒有顯著差異。這就意味著從對下肢肌肉的訓練刺激的角度，兩種形式的深蹲不存在哪一種比另外一種能夠提供更大的訓練益處。

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【審譯】：楊聖韜

——上海體育科學研究所

【翻譯】雷家宏

——上海體育學院體育教育訓練專業2016級碩士研究生

【編輯】：夏飛

——上海體育學院體育教育訓練專業2017級碩士研究生

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