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本文聚焦于精英羽毛球运动员半月板损伤恢复期，探讨了三种激活后增强（PAP）干预（神经肌肉电刺激NMES、弹力带抗阻、深蹲）对正手杀球动作神经肌肉激活的差异化影响。通过非负矩阵分解（NMF）解析肌肉协同（Synergy， SYN）与肌间时频相干性，研究发现NMES可显著增强关键下肢肌群在协同模块中的贡献权重，并提升多频段神经协调水平，是优化神经肌肉控制功能的有效康复策略，为运动员重返赛场及提升专项运动表现提供了理论与实践依据。
本文探讨了三种不同的激活后增强（PAP）干预——神经肌肉电刺激（NMES）、弹力带抗阻训练和负重深蹲——对处于半月板损伤恢复期的高水平男子羽毛球运动员在执行正手杀球技术时的神经肌肉激活特征的影响，并基于肌肉协同理论与肌间相干性分析揭示了其潜在的神经运动控制机制。
1. 引言
在竞技体育中，运动损伤的预防与康复是保障运动员职业生涯与优化运动表现的核心。羽毛球作为一项高强度、多方向的隔网运动，技术要求如频繁的急停、快速启动、变向及弓箭步等动作，对膝关节的稳定与承重能力提出了极高要求，使得膝部损伤成为该项目中最常见的伤病类型之一。其中，半月板损伤尤为普遍。半月板作为膝关节内的重要缓冲结构，其损伤可直接导致关节疼痛、交锁及稳定性下降，严重限制运动员的竞技表现。半月板损伤后的康复过程，特别是后期的功能恢复阶段，对于运动员能否重返赛场至关重要。传统的康复方法在恢复基本功能后，往往难以有效激活神经肌肉系统、提升爆发力，导致运动员重返赛场后常面临动作与发力能力的持续受限。因此，探索更高效的康复训练方法，对于缩短半月板损伤后的恢复周期、提升运动员运动表现具有重要意义。
近年来，激活后增强（PAP）现象成为运动训练领域的研究热点。其理论核心在于利用短时、高强度的肌肉收缩，暂时性提升神经肌肉兴奋性、肌纤维募集效率与爆发力，最终转化为运动表现的提升。现有研究证实，采用高负荷力量训练，并结合4-16分钟的休息间隔，可有效缓解疲劳并激发PAP，从而提升运动表现。其中，深蹲是恒定阻力训练中最常见的方法之一，通过高负荷、低重复次数的刺激，最大化激活神经系统和快肌纤维，是诱导激活后增强效应的经典且高效的方法。可变阻力训练则将弹力带与自由重量结合，动态调整外部负荷以刺激神经适应，从而优化肌肉力量表现。值得注意的是，虽然本研究所采用的侧向弹力带练习是一个额状面、低负荷的动作，但有证据表明此类训练可增强髋部稳定肌的激活和发力率，可能通过改善神经肌肉控制和力量传递，对羽毛球杀球这类矢状面爆发动作有益。电刺激结合深蹲训练则指在进行负重深蹲的同时，通过外部电刺激对主要下肢肌群施加特定频率和强度的电脉冲，以增强肌肉激活、改善训练效果的方法。
在羽毛球运动中，杀球技术不仅是比赛中得分的重要手段，也是评估运动员整体神经肌肉协调与控制能力的理想模型。该复杂动作序列起源于下肢的蹬地与起跳，经核心肌群稳定与力量传导，终结于上肢的鞭打式发力，从而充分展现了动力链的高效传递与多肌群的精确协同。因此，杀球的质量直接反映了运动员的爆发力、稳定性与神经肌肉控制水平，是评估其运动表现的主要指标。
在本研究群体中应用非负矩阵分解进行肌肉协同分析的理论基础，源于下肢关节病变伴随的神经适应性变化。半月板撕裂等损伤后，疼痛、积液和机械不稳定会破坏本体感觉反馈并改变中枢运动指令。这通常会引发运动肌肉协同（即动作的模块化构建单元）的根本性重组，因为神经系统寻求代偿策略以维持功能。近期证据强调了类似条件下的此类适应。例如，一项针对慢性踝关节不稳的研究证明了着陆过程中协同结构和协调性的改变，阐明了神经肌肉系统如何根据关节损伤重新校准模块组成。补充这一点，前十字韧带（ACL）缺陷膝关节的研究也在步态期间发现了肌肉协同复杂性的显著改变，进一步强调了膝关节韧带损伤直接影响运动控制组织。这些发现提供了一个引人注目的相似性，表明半月板损伤很可能在羽毛球杀球这类复杂的专项技术动作中引起类似的协同募集改变。因此，应用NMF为客观量化这些神经适应性变化和评估不同康复干预措施的效果提供了一个强大的框架。
基于对病理性协同重组的这种理解，本研究以高水平羽毛球运动员半月板损伤后的康复阶段为背景，旨在探讨不同激活后增强干预方案对杀球技术执行过程中神经肌肉激活特征的影响。基于肌肉协同理论，研究将采用肌肉协同分析与肌间相干性分析相结合的方法。这将能够定量比较不同PAP干预下，杀球动作过程中关键下肢与躯干肌群的激活模式、协同策略及神经肌肉协调性，从而在神经运动控制层面阐明提升专项运动表现的潜在机制，为优化精英运动员的康复方案提供理论与实验基础。
2. 参与者与方法
2.1 参与者
本研究纳入了18名处于单侧膝关节半月板损伤恢复期的高水平男子羽毛球运动员。所有参与者均具有国家运动员等级，曾参加包括全国锦标赛在内的高级别赛事，平均专业训练时长为10.5 ± 2.8年。平均年龄22.8 ± 3.2岁，平均身高178.5 ± 5.1厘米，平均体重72.3 ± 4.7千克。为确保受试者同质性与干预研究的安全性，纳入标准包括：经MRI临床诊断为单侧膝关节II级半月板撕裂，表现为部分半月板撕裂并伴有持续性疼痛和功能性关节不稳定，无明确手术指征，适合保守康复治疗；所有受试者均处于系统康复的中后期，已完成基础功能性恢复训练，具备基本负重与运动能力，无关节红肿、积液等急性炎症表现，视觉模拟评分法（VAS）疼痛评分≤3分。排除标准包括：任何膝关节手术史、伴随重大膝关节结构损伤、神经系统疾病或双侧膝关节病变。
虽然运动员在半月板损伤康复后期表现出基本功能能力的恢复，但其神经肌肉控制、爆发力及多肌群协调性往往未完全重建，这严重影响其重返赛场后的专项技术表现与竞技准备状态。因此，在此阶段引入具有科学依据的激活后增强干预，通过神经肌肉激活促进运动模式的功能性重塑，具有明确的临床与实战训练意义。本研究获得了上海体育大学的伦理批准，所有参与者均签署了知情同意书。
2.2 实验设备
实验设备包括：Compex SP 8.0电刺激设备，用于NMES刺激，采用双对称方波，频率范围1-120 Hz，脉冲宽度200-400 μs。Noraxon无线表面肌电系统，用于信号采集，采样频率2000 Hz，其集成的双极Ag/AgCl表面电极和微型无线发射器有效消除了线缆干扰，特别适用于羽毛球等专项技术动作的精确捕捉。高速摄像机，采用200 Hz型号，实验前使用12点校准框进行三维空间校准，重投影误差<0.3毫米。干预设备包括：用于深蹲的瑞典Eleiko专业训练杠铃及配重片、Umay弹力带、统一提供的YONEX/NANOFLARE 800 GAME球拍以及YONEX AS-05羽毛球。
2.3 测试流程
测试流程包括：最大自主收缩（MVC）测试，每个目标肌肉进行三次MVC测试，记录最大值用于肌电信号归一化。羽毛球正手杀球测试，受试者在标准羽毛球场上以比赛速度执行五次正手杀球，目标为对方场地2米×1.5米矩形区域，同步采集肌电与运动学数据。
2.4 干预方法与强度
采用随机交叉设计，所有参与者以7天为间隔接受三种干预处理。每次干预前进行标准化热身。干预分组如下：
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深蹲组（SG）：双脚间距1.2-1.5倍肩宽，脚趾外展10°-15°，杠铃置于上斜方肌。下蹲深度控制在大腿与地面呈90°-100°膝角。负荷设定为1次重复最大重量（1RM）的70%，进行3组×3次重复，组间休息2分钟。干预后8分钟进行测试。
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弹力带组（RBG）：将金色TheraBand专业弹力带环固定于参与者膝关节上方进行侧向跨步。干预负荷通过将弹力带在标准起始姿势下拉长至其静息长度的200%来标准化，根据制造商的力-伸长规格，此设置可提供约13.0千克力的标称阻力，相当于参与者平均体重的18%。完成3组×10米，组间休息2分钟。干预后6分钟进行测试。
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电刺激组（ESG）：在深蹲过程中，当膝关节屈曲达到90°时施加电刺激，持续至动作完成。电刺激参数为75 Hz，400 μs，90%耐受强度。负荷强度设定为1RM的70%。进行3组×3次重复，组间休息2分钟。干预后6分钟进行测试。
2.5 数据采集
采用Noraxon无线表面肌电系统与200 Hz高速摄像机同步采集杀球动作期间的肌电与运动学数据。目标肌肉包括：三角肌（DEL）、肱二头肌（BB）、肱三头肌（TB）、肱桡肌（BRD）、腓肠肌内侧头（GM）、腓肠肌外侧头（GL）、股内侧肌（VM）、股外侧肌（VL）、股二头肌（BF）、臀大肌（GLM）、腹直肌（ABS）、背阔肌（LD）、斜方肌（TRAP）和胸大肌（PM）。测试前，皮肤用75%酒精清洁，电极遵循SENIAM指南放置并用医用胶带固定。
基于羽毛球杀球动作的生物力学特征，一个完整的杀球动作被划分为四个连续阶段：运动阶段：从运动起始到起跳瞬间；起跳阶段：从起跳瞬间到后摆起始；后摆阶段：从后摆起始到击球瞬间；击球阶段：从击球瞬间到随挥完成瞬间。记录指定肌肉在杀球过程中的肌电信号，随后通过相干性分析和非负矩阵分解提取肌肉协调特征，以研究不同干预对肌肉相干性与协调模式的影响。
2.6 数据处理
使用R软件、肌肉协同分析包及自定义Python脚本进行肌肉协同和肌间相干性分析。具体流程如下：
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数据提取与预处理：对同步采集的200 Hz高速摄像机和2000 Hz采样频率的表面肌电系统数据进行处理。基于运动学特征定义每个完整的杀球周期，并从同步时间信号中提取相应的高频肌电数据段进行后续分析。应用四阶巴特沃斯带通滤波器消除伪影，然后进行全波整流。信号再经四阶20 Hz低通滤波器平滑。随后，基于每个受试者的最大肌电值对数据进行归一化，并将正手杀球的时间轴插值为100个数据点以消除周期时长变化的影响。
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肌肉协同提取：采用NMF算法从肌电数据中提取肌肉协同特征。将肌肉活动矩阵D(t)分解为时间不变的协同向量Wi和时间变化的激活系数Ci(t)。为减轻NMF对初始条件的敏感性并确保提取协同的稳定性，对每个受试者执行50次具有随机初始化的算法独立运行，选择方差解释率最高的解用于后续分析。为确定最佳协同数量，迭代提取1-14个协同，标准是解释肌电重建方差超过90%所需的最小协同数量。方差解释率计算公式为VAF = 1 - SSE/SST，其中SST表示总平方和，SSE表示误差平方和。当VAF超过90%时停止NMF迭代，选择VAF最高的解用于后续分析。
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肌肉协同聚类与匹配：为稳健比较不同干预组的肌肉协同，实施了两阶段聚类与匹配程序。首先，将给定干预组内所有参与者通过NMF提取的肌肉权重向量汇集。对该汇集集合应用K-means聚类，以识别该组特有的代表性协同模式。然后，将SG组的协同模板指定为参考集，基于肌肉权重向量的皮尔逊相关系数将RBG和ESG组的模板与参考集进行匹配，以比较各干预间保守的模块化策略，同时考虑协同数量和组成的差异。
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肌间时频相干性计算：在短时傅里叶变换框架内通过Python脚本计算肌间时频相干性。对肌电信号进行带通滤波和全波整流后，采用10毫秒滑动窗提取信号包络。使用汉明窗分割信号以计算交叉谱和自谱。经二维卷积平滑后，计算TFC。TFC被归一化到0-1范围，值越接近1表示相干性越强。计算并比较躯干-下肢和躯干-上肢肌肉对在α、β和γ频段的显著相干区域。
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统计分析：使用SPSS 26.0软件进行数据统计分析。通过箱线图剔除异常值，并使用Shapiro-Wilk检验验证数据正态性。正态分布数据采用重复测量方差分析，随后进行Bonferroni校正的配对t检验进行多重比较。非正态分布数据采用Friedman检验，随后进行Holm校正的Wilcoxon符号秩检验进行多重比较，并报告效应量r。结果以平均值±标准差呈现，显著性水平设为p < 0.05。
3. 结果
3.1 肌肉协同数量
当方差解释率值超过0.9时，三组间的协同模式数量存在显著差异。方差分析显示，弹力带组表现出显著多于深蹲组和电刺激组的协同模式数量。深蹲组与电刺激组之间无显著差异。
3.2 肌肉协同中的肌肉激活权重
关于肌肉激活权重，在SYN1中，斜方肌和胸大肌是主要激活肌肉。比较弹力带组与电刺激组，弹力带组在股外侧肌和胸大肌的激活权重显著更高。在SYN2中，主要激活肌肉为胸大肌、腹直肌和股内侧肌。深蹲组与弹力带组之间无显著差异；然而，电刺激组的三角肌激活权重显著高于深蹲组。比较弹力带组与电刺激组，电刺激组的股二头肌激活权重显著更高。在SYN3中，主要激活肌肉为股二头肌和肱桡肌，但三组间所有肌肉的激活权重均无显著差异。在SYN4中，主要激活肌肉为腓肠肌外侧头和斜方肌。深蹲组与弹力带组之间无显著差异。比较弹力带组与电刺激组，后者在腓肠肌内侧头、腓肠肌外侧头、腹直肌和斜方肌的激活权重显著更高。在SYN5中，主要激活肌肉为股内侧肌、股外侧肌和臀大肌。与深蹲组相比，电刺激组在腓肠肌内侧头、腓肠肌外侧头和股内侧肌的激活权重显著更高。比较弹力带组与电刺激组，后者在股内侧肌、股外侧肌、臀大肌和肱二头肌的激活权重显著更高。
3.3 肌间相干性
在肌间时频相干性分析中，比较上肢与躯干肌肉发现：在γ频段，电刺激组的肱桡肌-胸大肌对的AZ值显著高于弹力带组。在α频段，电刺激组的肱二头肌-背阔肌对的AZ值显著高于弹力带组和深蹲组；电刺激组的肱三头肌-背阔肌对的AZ值显著高于弹力带组。此外，在β频段，电刺激组的肱桡肌-背阔肌对的AZ值显著高于弹力带组，且深蹲组的该值也显著高于弹力带组。关于下肢与躯干肌肉的比较，在α频段，电刺激组的腓肠肌内侧头-胸大肌对的AZ值显著高于深蹲组。在β频段，电刺激组的臀大肌-胸大肌对的AZ值显著高于弹力带组和深蹲组；在腓肠肌内侧头-胸大肌对中，电刺激组和弹力带组均显著高于深蹲组。电刺激组的股内侧肌-胸大肌对的AZ值显著高于弹力带组；同样，电刺激组的股外侧肌-腹直肌对也较弹力带组有显著增加。在γ频段，电刺激组的腓肠肌内侧头-胸大肌对的AZ值显著高于深蹲组。
4. 讨论
本研究采用肌肉协同和肌间相干性分析，从神经控制角度探讨了不同激活后增强干预对半月板损伤恢复期羽毛球运动员杀球技术执行过程中神经肌肉激活的影响。主要发现如下：
弹力带组表现出比深蹲组和电刺激组显著更多的肌肉协同。这种数量差异可以从互补的理论视角进行解释。从效率角度看，协同数量的增加可能反映了一种代偿策略，即神经系统采用更多样化的模块来管理膝关节不稳定性和弹力带训练的新需求。这种模式类似于运动学习的探索阶段，系统在巩固最优解决方案之前测试不同的模块组合。同时，运动控制理论提供了另一种解释：协同数量的增加可能代表了一种“冻结自由度”的策略。在此框架下，神经系统可能采用一种更受限的控制架构——激活更多但可能更僵化的协同单元——以优先考虑关节稳定性并减少康复期间的运动变异性。因此，在弹力带组中观察到的模式可能标志着一种以稳定性为重点的适应性神经肌肉反应，而不仅仅是指示一种低效的控制状态。相比之下，电刺激组表现出与深蹲组相当的协同数量，但在后续分析中显示出具有更高效率特征的协同模式。这表明，神经肌肉电刺激通过其精确的神经驱动特性，可能有效绕过损伤诱导的抑制。它可能强化了与功能运动相关的核心协同通路，从而帮助神经系统更迅速地巩固经济的控制模块，并将焦点从控制“数量”转向“质量”。
本研究发现，电刺激组在多个协同模块中，对下肢关键稳定肌和原动肌的激活权重显著更高。这一发现在半月板损伤恢复的背景下具有特殊意义。半月板损伤后常见的现象，如股四头肌抑制，直接导致下肢动力链中断和异常的生物力学模式。SYN4和SYN5通常与运动中的推进、稳定性和力量传递密切相关，而这正是损伤后表现下降最显著的领域。
