有训练经验的举重者前蹲和后蹲过程中肌肉力量分布的建模
摘要
杠铃进行的蹲的练习是一种基本的体能训练方法，杠铃蹲类练习有两种主要的变形式：前蹲和后蹲（颈后蹲）。虽然已有研究比较了前蹲和后蹲在机械力学方面的差异，但尚信息比较这两种变形式在肌肉力量分布方面的差异。这项研究的目的是比较前和后蹲所用的主要骨骼肌所产生的估计力量。25名男性受试者参与本次研究，具备6.24～2.21年的蹲举练习的训练经验，两种变形式深蹲的1RM分别为127.5～18.8和90.6～14.4公斤。实验对象分别以70%1RM的重量完成前蹲和后蹲。通过动作捕捉数据（motion capture data）测定动态条件下的肌肉力量以及矢状面上的运动学数据。运动学分析显示后蹲与更大的躯干屈相关（p < 0.05）。肌肉力量的测定也显示后蹲中竖脊肌力量显著更大（p < 0.05）。其余骨骼肌的肌肉力量在两种变形式的练习中没有显著性差异（P＞0.05）。本文的研究显示前蹲或后蹲中，除了下背部外，其余在肌肉力量生成方面没有显著性差异。本文的发现导向的结果是前蹲或后蹲这两种变形式中不存在哪一种形式能够在骨骼肌的力量输出方面产生额外强于另外一种形式的益处。
关键词：生物力学，阻力训练，举重
前言
采用杠铃进行的深蹲练习是体能训练取得训练效果的主要方式（Clark, Lambert, Hunter, 2012）。深蹲练习的目的是训练并加强与髋和膝关节相联系的肌肉（Wilk et al., 1996）。蹲这个动作是闭链动作的代表，并已经显示是多种运动和日常动作的表征（Escamilla et al., 1998; Wilk et al., 1996）。深蹲传统上是训练计划过程中的中心环节，并被设计用来提高运动表现和加强生活质量（Escamilla, 2001）。深蹲有两种主要的变形式：前蹲和后蹲（颈后深蹲），尽管两种变形式的机械力学特征相似，但仍然存在技术和参与肌肉方面的差异（Russell, Phillips, 1989）。
在后蹲练习中，当采用高杠铃位置时，杠铃杆位置在斜方肌上侧颈椎C7下方（Baechle, Earle, 2008; Russell, Phillips, 1989）。后蹲的完全完成姿态是屈曲髋关节和膝关节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后，练习者伸展髋关节和膝关节，直至恢复初始站立姿态。前蹲练习则要求练习者将杠铃负重放置于身体前侧与锁骨嵴对齐。手臂和肩关节持握杠铃杆的姿态采用高翻练习的姿态，即手肘弯曲，双肩内旋，这样使得上臂段与地面平行（Baechle, Earle, 2008; Gullett, Tillman, Gutierrez, Chow, 2009）。前蹲的下降阶段和上升阶段与后蹲的两个阶段相同。一般来说，后蹲与前蹲相比，练习中躯干屈曲姿态更大，这与（后蹲中）杠铃杆位置更靠后，即，躯干远端的部分必须向前投射（前倾）得更多以保持练习过程中的平衡（Baechle, Earle, 2008, Gullett et al., 2009）。
深蹲的这两个变形式相关的生物力学特征是研究界新兴的研究领域。Russell、Phillips（1989）比较了前蹲和后蹲过程中的运动学和膝关节伸肌力矩（torque）。在形式的深蹲中，尽管因为杠铃杆位置更靠后导致后蹲中躯干的屈曲增加，但膝关节的力矩没有差异。然而值得注意的是，该研究采用了一种不正确的技术来确定躯干的远端位置，这可能影响到所测得的躯干倾斜结果。Diggin等人（2011）研究了前蹲和后蹲中躯干和下肢运动学方面的差异。他们的发现证实了先前的研究结果，即，与前蹲相比，后蹲与更大的躯干的倾斜度显著相关。Stuart等人（1996）使用低重量的杠铃（50磅），检视了前蹲和后蹲中胫股关节（tibiofemoral joint）的力量和肌肉激活情况。他们的研究结果表明，两种深蹲中胫股关节的力量和肌肉激活显著不同，这也成为了两种不同形式的深蹲的功能性的内容（译注，意思是因为两种深蹲中胫骨关节的力量和肌肉激活显著不同，所以两种深蹲也因此具备了不同的功能性）。同样，Gullett等（2009）检视了进行前蹲和后蹲练习时股胫关节动力学特征，股四头肌、腘绳肌和竖脊肌的激活情况。他们发现后蹲中会产生更大的胫股关节压迫力和膝关节伸展动作，但肌肉激活方面两种深蹲无差异。
虽然已经有对前蹲和后蹲的生物力学特征的综合概述，但尚无对两种方式的深蹲有关的肌肉力量方面的对比检验，尤其是对肌肉力量分布方面的研究。缺乏合适的用以检视动态肌肉力量的测量工具，这是限制上述内容的关键因素。
现如今，通过利用基于动作捕捉技术的数据，特定的用来评估动态过程和条件下骨骼肌力量分布的软件已经被开发出来（Delp et al., 2007）。迄今为止，有关动态活动——例如深蹲——的评估尚无报告。本文中的调查的目的就是检视前蹲和后蹲对不同骨骼肌产生的力量的影响。对这种特征的研究可以为参与抗阻训练的人提供重要的信息，为其提供前蹲和后蹲这两种被广泛采用的深蹲的练习中主要肌肉募集的程度的证据。
25名男性受试者（年龄24.7 SD 4.4岁，身高1.7 SD 0.1米，体重75.4 SD 5.2公斤），自愿参加本研究。受试者有6.24～2.21年的训练经验，1RM分别为127.5±18.8、90.6±14.4公斤。参与者每周至少训练3次，并习惯性地利用两种蹲式技术作为他们抗阻训练计划一部分。本研究从大学伦理委员会获得伦理认，并遵守赫尔辛基宣言中概述的程序。
过程
参与者用正常的背蹲和前蹲技术完成5次重复，两种深蹲练习的负荷一致的，负重70%前蹲1RM。参加者完成他们蹲在一个随机的顺序。受试者以随机顺序完成要求的深蹲次数，右脚置于压电测力平台Kistler, Kistler Instruments Ltd., Alton, Hampshire）上以获得地面反应力的信息，频率1 000 Hz采样。
通过1套包含8个摄像镜头的光电运动分析系统（QualisysTM Medical AB, Goteburg, Sweden）获得运动学信息，采样频率为250赫兹。反光标记设置在颈椎C7、胸椎T12、胸骨的剑突标志点，并同时双侧标定于肩峰、髂嵴、髂前上棘、髂骨后棘、踝关节内侧和外侧、内侧和外侧股骨髁以及股骨大转子，以此来确定定位躯干、骨盆、大腿、小腿和足部的解剖结构。碳纤维跟踪簇（Carbon-fibre tracking cluster）由4个非线性反光标记组成，置于大腿和小腿段。相关解剖结构还进行了静态标定试验（Static calibration trial），为跟踪标记点和跟踪簇进行参考校准。
数据处理
利用“Qualisys Track Manager”对动态试验进行数字化处理，以识别确定解剖和跟踪标记，之后将数据导出为C3D文件至Visual 3D（C-Motion, Germantown, MD, USA）。以25和6赫兹的截止频率对地面反作用力和运动数据进行平滑处理。
采用OpenSim软件（Simtk.org）量化前蹲和后蹲过程中的肌肉力量（Delp et al., 2007），使用标准的gait2392模型使用OpenSim V3.2量化肌肉力模拟。该模型对应于从视觉3D导出的8个“段”（译者注：联系上下文，应该是指通过数字建模，人体在视觉的视觉成像模型简单地分成了躯干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），总共有19个自由度。本研究中：认为躯干是一“段”，能够在3个平面上旋转；认为骨盆有6个自由度，因其能够在3个轴上进行旋转和转换；认为大腿节具有3个自由度，在所建的模型中，大腿近端模型为一个球体位于一个穴窝中；认为小腿和足部“段”具有1个单一的旋转自由度（矢状面），在建模中被视为在这些部位的近端（处起作用的）的铰链关节。
gait2392模型包含有92块肌肉，其中86块以下肢为中心，6个与骨盆和躯干有关。对肌肉特点进行的建模，采用了Hill提出的基于力-速度-长度之间关系的推荐方式（Zajac, 1989）。之后，这些肌肉的特性根据每个受试者的身高和身体质量，依照Delp 等人（1990）的建议，根据每个参与者的身高和体成分进行缩放。缩放之后，从Visual 3D导入反向动力学和地面反应力（数据），再运行OpenSim中的残余约简算法（RRA）。RRA主要用来计算重新生成动态运动所需的净关节力矩（net joint moments）。本实验数据进行的RRA计算产生的路线均方误差（route mean squared errors）小于2°，与OpenSim对优质数据的建议相一致。RRA计算后，应用计算机生成的肌肉控制程序（computed muscle control,CMC）来估计一组肌肉力量模型，这使得所建立的模型能够重现所需的运动学表现（Thelen, Anderson, Delp, 2003）。CMC程序估算所需的肌肉力量来对应关节力矩。
在CMC程序后，计算深蹲动作中右侧的股二头肌长头短头、股二头肌、半腱肌、半膜肌、股直肌、股内侧肌、股外侧肌、股中间肌和竖脊肌的峰值和平均力量。两种形式的深蹲的起始和结束的判定与Sinclair等人（2014）相一致，为髋伸展最大角度时刻。净峰值肌肉力量值（N，牛顿）通过除以参与者身体质量的方式进行归一化，至此，肌肉的力量表现以N/kg的表达。
髋、膝和躯干的矢状面的运动学测量结果被提取进行数据分析，包括：1）深蹲过程中的峰值角度；2）动作初始至峰值角度过程中发生的角偏移（angular excursion）。关节的机械学表现，按其近侧端与远侧端相对应的功能（例如：髋=大腿相对于骨盆；膝关节=小腿相对于大腿；踝关节=足相对于小腿和躯干；躯干=躯干相对于骨盆）进行计算机数字处理。这些变量均从实验中进行的两种深蹲变形式的5次重复中提取，并对数据取均值以进行数据分析。参与者的关节运动学表现和生理屈曲按占整个深蹲阶段的0-100%进行归一化，并仅当为了可视化目的时采用全体实验对象的平均值。
统计分析
采用多元方差分析，检视两种深蹲形式下肌肉力量和矢状面上的运动学方面的差异，可接受的显著性水平为p＜0.05（Sinclair et al., 2013）。并进一步比较不同深蹲形式以获得显著性差异。效应量以部分埃塔平方（Pη2）计算。所有的统计分析均使用SPSS v22.0（SPSS Inc., Chicago, USA）。
结果
整体的多因素分析得出显著性F = 4.58，P＜0.05；Wilk'sΛ= 0.245，Pη2= 0.56。结果表明，虽然两种深蹲形式的运动学曲线基本相似，但具体的技术对肌肉动力学和关节运动学方面有显著影响。表1 - 2和图1展示了不同的深蹲形式中肌肉力量分布和关节运动学。
关节运动学
后蹲与前蹲相比较，峰值躯干屈曲角度显著更大（F = 14.57，P＜0.05，pη2= 0.39）（图1）。两种深蹲形式中髋关节、膝关节和踝关节运动学无显著性差异（P＞0.05）。
图1。不同深蹲技术作用下矢状面上的动力学表现：A.髋关节；B. 膝关节；C.踝关节；D.躯干（黑实线=前蹲，点虚线=后蹲）（FL =屈，DF =背屈）
肌肉力量
后蹲中的竖脊肌峰值力量显著更大（F = 16.21，P＜0.05，Pη2 = 0.42）。两种深蹲形式没有进一步的肌肉力量方面的差异（表1-2）。
表1 两种深蹲形式中峰值肌肉力量分布
Specification | Back squat | Front squat | ||
Mean | SD | Mean | SD | |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
Psoas Major (N.kg)腰大肌 | 6.26 | 2.66 | 6.13 | 3.81 |
Iliacus (N.kg)髂肌 | 6.69 | 3.44 | 7.01 | 3.90 |
Gluteus maximus (N.kg)臀大肌 | 11.24 | 1.71 | 10.54 | 2.87 |
Biceps Femoris long head (N.kg)股二头肌长头肌 | 12.92 | 1.68 | 12.74 | 1.46 |
Biceps Femoris short head (N.kg)股四头肌短肌 | 4.86 | 3.31 | 4.69 | 2.59 |
Semitendinosus (N.kg)半腱肌 | 4.98 | 1.15 | 4.76 | 1.22 |
Semimembranosus (N.kg)半膜肌 | 17.91 | 1.33 | 17.87 | 2.09 |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
Rectus Femoris (N.kg)股直肌 | 9.53 | 4.93 | 9.52 | 4.76 |
Vastus Medialis (N.kg)股内侧 | 12.45 | 3.76 | 12.54 | 2.42 |
Vastus Lateralis (N.kg)股外侧肌 | 21.18 | 6.18 | 22.20 | 3.88 |
Vastus Intermedius (N.kg)股中肌 | 13.61 | 4.17 | 13.30 | 2.68 |
Erector Spinae (N.kg)竖脊肌 | 22.30 | 5.09 | 16.46 | 4.53 |
表2 两种深蹲形式中平均肌肉力量分布
Specification | Back squat | Front squat | ||
Mean | SD | Mean | SD | |
Psoas Major (N.kg) | 1.94 | 1.87 | 2.13 | 1.81 |
Iliacus (N.kg) | 1.97 | 1.97 | 2.24 | 1.89 |
Gluteus Maximus (N.kg) | 1.35 | 1.38 | 0.79 | 0.56 |
Biceps Femoris long head (N.kg) | 7.25 | 1.79 | 5.80 | 1.27 |
Biceps Femoris short head (N.kg) | 1.45 | 2.56 | 0.47 | 0.17 |
Semitendinosus (N.kg) | 2.28 | 1.06 | 1.77 | 0.50 |
Semimembranosus (N.kg) | 8.66 | 2.76 | 7.31 | 2.23 |
Rectus Femoris (N.kg) | 2.96 | 2.97 | 2.96 | 2.94 |
Vastus Medialis (N.kg) | 6.43 | 2.71 | 6.02 | 1.64 |
Vastus Lateralis (N.kg) | 11.57 | 4.56 | 11.15 | 2.44 |
Vastus Intermedius (N.kg) | 7.03 | 2.76 | 6.58 | 1.53 |
Erector Spinae (N.kg) | 8.28 | 3.57 | 6.27 | 3.01 |
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.窗体顶端
讨论
本研究调查了前蹲和后蹲技术动作对主要骨骼肌发力的影响。这是首次有研究进行比较式调查来检视前蹲和后蹲中肌肉力量生成方面的差异。
本研究的主要创新性是对骨骼肌力量的检测，并与前蹲和后蹲的整个动作过程相联系。 本研究结果显示后蹲中竖脊肌的肌肉力量比前蹲中的力量显著更大，这个发现可能与后蹲中躯干段屈曲角度更大有关。尽管没有识别到躯干段的动态屈曲，但该部分肌肉（竖脊肌）力量输出的增加可能与该肌肉离心力量的生成增加有关，这起到的功能性方面的作用是增加了躯干屈曲的角度。本研究所观察到的与Gullett等人（2009）进行的EMG（肌电图）研究相左，后者发现两种深蹲方式中竖脊肌激活没有差异。
本研究所发现的与前人研究相矛盾的结果可能是由于研究所采用的技术的差异，因为采用反向运动学技术量化肌肉力量与表面肌电图技术差异很大。
与前人研究相一致的观察结果是：两种深蹲形式中，股四头肌和腘绳肌力量没有差异，这与Gullett等人（2009）和Stuart等人（1996）的研究相一致，他们的研究同样显示以表面肌电图（EMG）进行测量的下肢肌肉募集情况在前蹲和后蹲两种形式中没有不同。至此，研究的发现可以导出结论：不论前蹲或后蹲，就骨骼肌的力量输出来说，两者中不存在一种方式能比另一种方式更能带来额外的训练益处（译者注：前蹲和后蹲的训练益处没有不同）。同样，也应该中肯地认识到，采用不同研究方法所得出的研究结果具有相似性，由此可以证明肌肉力量评估法可以进一步采用，更多地与传统的评估肌肉激活和参与情况的方法进行比较。
同时认识到当前研究具有局限性也是非常重要的。本研究中，所有深蹲形式均采用相同的负荷重量，这意味着不同深蹲形式中的相对负荷是不同的，（对比相同相对负荷重量）是必要的。但本研究的背景中，地面反作用力的信息作为反向运动学研究程序中的一个关键输入数据，因此，要求相同的负荷抗阻以公平对比不同深蹲形式下的肌肉力量。这很重要，因为如果不同的深蹲形式中采用不同的抗阻负荷，会改变地面反应力的输入数据，因为举起的重量会在此过程中产生不同。最后，本研究采用了一种基于模拟的过程来量化肌肉力量，可能也会造成一定的局限性。骨骼肌模拟的效果取决于基本的数学模型。在建立骨骼肌模拟模型中使用了大量的机械学假设（Delp et al., 1990），主要与膝关节和踝关节受限的旋转自由度和缺少重要肌肉——例如recuts abdominis（译注：recutus abdominis是腹直肌，原文应该是笔误）——有关，而这可能导致不准确的预测肌肉力量。然而，作为当前一种直接量化肌肉力量的方法，现有的量化过程是在动态动作中量化肌肉力量的最具实践性的方法。
总结
尽管前人的研究已经比较分析前蹲和后蹲的机械学，但有关肌肉力量方面的差异的认知还相当有限。本研究通过比较前蹲和后蹲有关的肌肉力量来解决上述研究的缺失。本研究显示，后蹲与显著更大的竖脊肌肌肉力量相关，但其他下肢肌肉没有显著差异。这就意味着从对下肢肌肉的训练刺激的角度，两种形式的深蹲不存在哪一种比另外一种能够提供更大的训练益处。
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【审译】：杨圣韬
——上海体育科学研究所
【翻译】雷家宏
——上海体育学院体育教育训练专业2016级硕士研究生
【编辑】：夏飞
——上海体育学院体育教育训练专业2017级硕士研究生
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