不同呼吸频率及屏气对国家级女游泳运动员蝶泳过程中肌肉活动与协调性的影响

《Frontiers in Sports and Active Living》：Effect of different breathing frequencies with breath-holding on muscle activity and coordination during butterfly swimming in national-level female swimmers

肌肉协同性与呼吸频率对蝶泳技术的影响分析。8名女游泳运动员进行两次蝶泳实验：任务1全程正面呼吸，任务2交替正面呼吸与憋气。通过表面肌电和归一化非负矩阵分解发现，憋气周期使三头肌、前束三角肌等五块肌肉活动时间提前，但所有肌肉激活强度无显著变化。驱动时间分析显示，协同1（手臂划水）和协同4（腿部踢动）的启动时间在憋气周期较任务1提前，而任务2与任务3（憋气）间无差异。研究表明呼吸频率对动作时序影响比呼吸动作本身更显著，建议标准化呼吸频率作为肌肉活动分析前提。

　　本研究旨在探讨不同呼吸频率下憋气对蝶泳过程中肌肉活动与协调性的影响。通过分析八名国家级女子游泳运动员在蝶泳中的肌肉活动模式，研究揭示了呼吸频率变化对运动表现的潜在作用。研究发现，在憋气周期中，某些肌肉的活动时间相较于呼吸周期提前，这表明呼吸频率的改变可能影响肌肉活动的时间特征。然而，当运动员在呼吸与憋气交替的周期中时，所有肌肉的活动时间并未发生显著变化，说明这种呼吸模式对肌肉协调性的影响相对较小。研究还发现，肌肉协同模式的数量在三个周期中保持一致，只有个别运动员出现了差异，这表明大多数运动员在不同呼吸模式下仍然依赖相似的肌肉协同组合完成蝶泳动作。这一结果为理解蝶泳中肌肉活动的调控机制提供了新的视角，同时也为教练和运动员在训练和比赛中的呼吸策略调整提供了科学依据。

### 呼吸频率对游泳表现的影响

蝶泳是一项高度依赖于身体协调性的运动，运动员在完成划水和蹬腿动作时需要精确的节奏和力量分配。在蝶泳过程中，呼吸动作是完成整个运动循环的重要组成部分，通常分为两种：正面呼吸和侧向呼吸。然而，近年来的国际比赛，如2024年巴黎奥运会，大多数选手选择了正面呼吸的方式。正面呼吸是指在完成水下划水动作后，运动员抬头、抬起肩部和躯干以吸入空气。这种呼吸方式虽然有助于维持氧气供应，但可能会导致身体倾斜角度的增加，从而影响游泳的连续性和效率。

研究表明，正面呼吸可能对蝶泳速度产生负面影响。例如，Seifert等人发现，在冲刺阶段，正面呼吸会打断手臂和腿部的推进动作，降低整体效率。而Barbosa等人则指出，在憋气周期中，手臂的水平速度更高，垂直位移更小，这可能意味着推进力的产生更早。因此，呼吸频率的调整可能成为提升蝶泳表现的一个关键因素。在本研究中，运动员被要求以两种呼吸频率进行蝶泳：一种是每次划水都进行呼吸（任务1），另一种是交替进行呼吸和憋气（任务2）。结果显示，在任务2的憋气周期中，某些肌肉的活动时间较早，这可能表明憋气有助于优化肌肉的协调性，从而提升游泳效率。

### 肌肉活动的测量与分析

为了评估肌肉活动，研究使用了表面肌电图（EMG）技术，对右上肢、下肢和躯干的12块肌肉进行了记录。EMG信号经过滤波和归一化处理后，提取了肌肉协同模式。研究采用非负矩阵分解（NMF）算法进行肌肉协同分析，这是一种用于量化运动控制的方法，能够从多通道EMG数据中提取多个肌肉协同模式，揭示运动中肌肉协调的潜在机制。结果显示，肌肉协同模式的数量在不同周期中保持一致，只有个别运动员出现了差异。这表明，大多数运动员在不同呼吸模式下仍采用相似的肌肉协同策略，但某些肌肉的活动时间发生了变化，尤其是与手臂划水和腿部蹬腿相关的肌肉。

### 肌肉协同模式的时空特征

在任务1的呼吸周期中，某些肌肉的活动时间较晚，而在任务2的憋气周期中，这些肌肉的活动时间有所提前。这种变化可能与运动员在憋气状态下更有效地协调手臂和腿部动作有关。然而，在任务2中，呼吸与憋气交替的周期内，所有肌肉的活动时间没有显著差异，这说明呼吸频率的改变对肌肉活动的时间特征影响有限。研究进一步分析了肌肉协同模式的驱动时间，发现两种协同模式（与手臂划水和第一次及第二次向上蹬腿相关）在憋气周期中的驱动时间较早，而在呼吸周期中则较晚。这一结果表明，呼吸频率的变化对肌肉协同模式的驱动时间有显著影响，而正面呼吸动作本身对协同模式的影响较小。

### 运动表现的定量分析

研究还对蝶泳的运动参数进行了定量分析，包括平均游泳速度（V_mean）、最大游泳速度（V_max）、最小游泳速度（V_min）、划水频率（SR）和划水长度（SL）。结果显示，这些参数在三个周期中没有显著变化，说明运动员在不同呼吸模式下仍能保持稳定的运动表现。然而，V_max在憋气周期中有所提高，这可能表明憋气有助于提升最大游泳速度。此外，划水和蹬腿阶段的持续时间也发生了变化，憋气周期中的划水阶段和恢复阶段更长，这可能与运动员在憋气状态下更充分地利用划水动作有关。

### 肌肉协同模式的稳定性与个体差异

尽管大多数运动员在不同呼吸模式下采用了相似的肌肉协同组合，但个别运动员的协同模式数量发生了变化。这可能与个体的运动习惯和身体适应能力有关。例如，一位运动员在憋气周期中减少了肌肉协同的数量，这可能意味着其在憋气状态下能够更高效地利用肌肉协同模式。这种变化也可能与运动员在不同呼吸模式下的神经控制策略有关，说明个体差异在肌肉协同模式的调整中起着重要作用。

### 研究的局限性与未来方向

尽管本研究提供了有价值的见解，但仍存在一些局限性。首先，研究未测量颈部肌肉的活动，这可能影响对头部运动的分析。未来的研究可以考虑增加对颈部肌肉的监测，以更全面地了解呼吸动作对整体运动模式的影响。其次，实验中使用的设备可能对运动员的运动表现产生一定影响，如标记物和无线EMG设备可能会增加水阻，从而影响数据的准确性。因此，未来的实验应尽量减少设备对运动的干扰。此外，研究对象均为女性国家级运动员，而蝶泳运动中男性和女性的表现可能存在差异，未来的研究可以扩大样本范围，以更全面地评估不同性别运动员在不同呼吸模式下的表现。

### 实践意义与建议

本研究的结果对游泳训练和比赛策略具有重要的实践意义。首先，运动员应根据自身特点选择合适的呼吸频率，以优化运动表现。其次，教练应关注运动员在不同呼吸模式下的肌肉协同模式，帮助其更好地掌握技术细节。此外，研究还指出，肌肉协同分析可以用于评估运动员在不同游泳动作中的神经控制变化，这对于提高训练效果和比赛成绩具有重要意义。最后，研究建议在训练中保持一致的呼吸模式，以确保肌肉协同模式的稳定性，从而提高运动效率。

综上所述，本研究通过分析不同呼吸频率对蝶泳过程中肌肉活动和协调性的影响，揭示了呼吸策略在运动表现中的重要作用。研究结果表明，憋气周期中的肌肉活动时间较早，而呼吸与憋气交替的周期中，肌肉活动时间保持一致。这些发现为游泳训练和比赛策略的优化提供了科学依据，同时也为进一步研究蝶泳中的神经控制机制奠定了基础。