本研究探讨了神经肌肉电刺激预处理对男性大学生排球运动员扣球表现及三维运动学的急性影响。与时间匹配的对照组相比，NMES训练组表现出更高的球速以及下肢关节角度、节段速度和肩-髋分离角的时相特异性差异。
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研究文章
神经肌肉电刺激预激活对排球扣球表现及三维运动学的急性影响
* These authors contributed equally
本文内容
摘要
摘要
排球扣球是一项复杂的爆发性技术，需要上肢、躯干和下肢协调产生和传递力量。神经肌肉电刺激（NMES）已被提出作为一种增强神经肌肉激活的预处理策略；然而，其对排球扣球各阶段运动学的急性影响尚不明确。本研究探讨了NMES预处理对男性大学生排球运动员扣球表现及三维运动学的急性影响。30名受试者被随机分配至NMES干预组（n = 15）或对照组（n = 15）。所有受试者均完成一次基线扣球评估，并在72小时后进行第二次评估。在第二次评估前即刻，NMES组接受30分钟的上肢肌肉电刺激，包括三角肌、肱二头肌和肱三头肌；腹外斜肌作为核心肌群；股外侧肌作为下肢肌群。对照组在相同时间段内不接受NMES，仅完成相同的评估流程。采用同步四摄像头三维运动分析系统采集三维运动学数据。主要分析比较两组在第二次评估时的表现和运动学参数。与对照组相比，NMES组在双脚触地时膝关节和踝关节角度更小，在双脚起跳时髋关节、膝关节和踝关节角度更大，且大腿、小腿和足部节段速度更高。此外，NMES组在双脚起跳和击球瞬间的肩-髋分离角更小。这些结果表明，对上肢、核心及下肢肌肉实施急性NMES预处理可能会影响排球扣球过程中各阶段的关节构型、下肢节段速度以及球速。因此，NMES可能作为一种赛前神经肌肉激活策略具有应用潜力，但仍需进一步研究采用隐蔽分组、盲法评估以及直接的组别与时间交互分析加以验证。
引言
排球是一项高度依赖爆发力与协调性的竞技运动，扣球是最重要得分手段之一1。这一技术动作对运动员的肌肉输出能力、动作时序控制以及神经肌肉控制能力提出了较高要求2。一次成功的扣球包含三个关键阶段：助跑、起跳和空中击球阶段。这些阶段的有效执行依赖于动力链各环节之间协调的力生成以及高效的能量传递3。既往研究表明，髋-膝-踝三关节的伸展、躯干稳定性，以及击球瞬间上肢关节角度和运动速度，均为影响扣球表现的重要因素4。
在比赛和高强度训练期间，运动员常常因神经驱动不足和动作预激活不良，导致动力链协调性下降、肌肉力量减弱，从而影响整体运动表现5。神经肌肉电刺激（NMES）是一种非侵入性的神经激活技术，近年来在运动科学领域受到广泛关注，可有效应对上述问题6。研究表明，NMES可通过外部电流刺激目标肌群，提高脊髓运动神经元的兴奋性以及快肌纤维的募集效率，从而增强肌肉力量输出和运动控制能力7,8。尽管NMES已被广泛应用于长期训练策略（如康复和肌力增强），但其在竞技体育中单次即时应用的效果尚未得到充分验证9。尽管排球等运动项目高度依赖精确的时机控制和整体协调动作，但基于运动学指标，针对NMES对扣球三个阶段（助跑、起跳和空中击球）影响的实证研究仍较为缺乏10。排球扣球起跳的特点是快速的拉长-缩短循环。在最后助跑阶段和双脚着地时，下肢肌肉在髋、膝和踝关节屈曲过程中经历离心负荷；随后立即进入快速向心收缩，并在起跳时实现协调的三关节伸展。离心与向心动作之间的有效转换有助于垂直冲量的产生，进而提升扣球起跳表现。
以往关于运动领域中神经肌肉电刺激（NMES）的研究主要集中在康复、孤立肌肉力量增强或一般的神经肌肉功能方面，而其在复杂且特定运动技能中的即时应用仍不够明确。此外，现有的排球生物力学研究主要描述了扣球技术、关节运动或摆臂模式，却未直接考察多区域NMES预处理的急性效应。因此，本研究旨在探讨单次NMES干预作用于上肢、核心及下肢肌肉后，是否与排球扣球表现以及各阶段特异性三维运动学参数的变化相关。本研究的方法学贡献在于采用随机、时间匹配的对照设计，同步分析助跑、双脚触地、起跳及空中击球等动作过程中身体节段运动与球速的变化。该方法通过将急性神经肌肉预处理干预与完整扣球序列中的运动特征相联系，拓展了传统的排球运动学分析框架。
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方案
参与者及纳入标准
该研究方案经集美大学学术伦理委员会批准（批准号：JD02RS02406），并遵循《赫尔辛基宣言》的规定进行。在入组前，所有参与者均被告知研究目的、实验流程、潜在风险以及其随时无惩罚退出研究的权利。在进行任何与研究相关的操作之前，所有参与者均已签署知情同意书。 从一所师范院校的选修排球课程中，通过课程公告招募了三十名有排球训练经验的健康男性大学生。潜在参与者在入组前需完成一份健康状况与伤病史问卷。符合以下条件者方可纳入：（1）为男性大学生；（2）接受过正规排球训练；（3）排球扣球技术掌握稳定且熟练；（4）具备过往比赛或系统性排球运动经历；（5）能够安全完成测试流程。若参与者存在影响扣球表现的当前肌肉骨骼疼痛或损伤、近期接受过上肢、下肢或躯干手术、患有神经系统或心血管系统疾病，或存在神经肌肉电刺激（NMES）的任何禁忌证，则予以排除。参与者的平均年龄、身高和体重分别为20.2 ± 1.15岁、182.1 ± 3.17 cm和70.6 ± 8.34 kg。本研究所用设备与材料的详细信息，包括制造商名称及型号或目录号，见于 材料表.
随机化、分配隐藏与盲法
基线评估完成后，符合条件的参与者通过简单的抽签方式以1:1的比例随机分配至NMES干预组或对照组。将30张完全相同的折叠卡片（其中15张标注为“NMES”，15张标注为“Control”）放入不透明容器中，由参与者逐一抽取。由于卡片抽出后组别标签立即可见，因此未采用正式的分配隐藏方案。由于NMES干预措施易于识别，参与者及实施干预的工作人员均无法对分组情况设盲。负责动作捕捉、标记点追踪和结局评估的评估人员同样未对干预条件设盲。研究已承认缺乏分配隐藏和评估者盲法是一项方法学上的局限性。最终，参与者被分配至NMES干预组（n = 15）或对照组（n = 15）。独立样本t检验显示，两组在基线时的年龄、身高、体重和体重指数方面均无显著差异（所有p > 0.05）。
实验设计
本研究采用随机、平行组、两次评估的对照设计。所有参与者均完成了一次基线冲刺评估和72小时后的第二次评估。在72小时的间隔期间，要求参与者避免参加有组织的训练、剧烈运动及其他高强度体力活动。在第二次评估开始前，NMES干预组的参与者接受了30分钟的NMES干预。对照组参与者未接受任何NMES干预，并在相同的时间点完成了第二次评估。报告的表1中的数值均在第二次评估期间获得。因此，NMES组的数值代表NMES干预后立即测得的结果，而对照组的数值则代表未接受NMES干预的第二次评估结果。表1未展示基线数值或前后变化值。
实验设置与设备
测试在室内排球场地进行。设备包括同步LED信号灯、三维运动分析系统、尺寸为2.0 m × 1.5 m × 2.0 m的三维校准框架（图1A）、四台高速摄像机、五台调频脉冲治疗仪（图1B）以及标准排球。四台摄像机布置在4号位进攻区域附近的已校准捕捉范围周围。视频采集分辨率为1920 × 1080像素，采样频率为180 Hz，快门速度为1/1000 s。全局x轴表示内外侧方向，y轴表示扣球助跑方向，z轴表示垂直方向。测试前，受试者完成标准化的20分钟热身，包括慢跑、动态上下肢拉伸、两人传球、传球组织、防守动作以及次最大强度的扣球练习。
图1：排球扣球测试的实验装置。（A）三维校准框架（2.0 m × 1.5 m × 2.0 m）。（B）用于三维运动捕捉的四摄像机布局。请点击此处查看该图的放大版本。
标准化加标试验
在位置4的起跳区域后方3米处设定了明显的起始位置。两次评估过程中均由同一位经验丰富的二传手在位置3进行传球。要求二传手将球传至网口上方高度和位置一致的点，以便每位参与者能够采用相同的助跑和扣球技术。在对方场地内标记出一个3米×3米的目标区域。有效试验的定义为满足以下所有条件的尝试：（1）参与者从标记的起始位置开始；（2）完成规定的助跑、双脚起跳和空中击球动作序列；（3）球被干净地击中，无持球或连击；（4）球落在预设的目标区域内；（5）在相关分析时段内，解剖学标记点和球的标记点均保持可见。每位参与者先完成两次适应性尝试，随后进行正式记录的尝试，直至获得三次有效试验为止。每次尝试之间提供60秒的被动休息间隔。
如果设置不合适、参与者改变了规定的击球方式、未能干净地击中球、球落在预设目标区域之外，或标记点可见性不足，则该次试验被视为无效。无效试验将被排除，并重复进行，直至记录到三次有效试验为止。在三次有效试验中，选择表现最佳的一次用于运动学和表现分析。相同的试验选择程序应用于两组受试者，并在两次评估中均保持一致。
NMES干预及刺激的肌群
采用五台频率调制脉冲治疗设备进行为期30分钟的神经肌肉电刺激（NMES）干预。NMES应用于上肢、核心区域及下肢肌肉。刺激的上肢肌肉包括三角肌、肱二头肌和肱三头肌；刺激的核心肌群为腹外斜肌；刺激的下肢肌肉为股外侧肌。根据解剖标志和设备制造商的说明，将自粘电极放置于相应肌肉的肌腹部位。逐步增加刺激强度，直至产生明显可见的肌肉收缩，同时避免引起疼痛或难以忍受的不适。记录到的平均输出值分别为：三角肌35.73 W，肱二头肌35.21 W，肱三头肌34.36 W，腹外斜肌33.85 W，股外侧肌37.09 W。NMES干预结束后，受试者立即开始第二次 spike 评估。对照组受试者完成相同的测试流程，但不接受电刺激。
刺激参数
对所有参与者，调频脉冲治疗仪均以固定的1000 Hz脉冲频率运行。刺激强度是唯一的个体化输出参数，逐渐增加直至产生清晰可见的肌肉收缩，同时不引起疼痛或难以忍受的不适。现有的研究记录中未包含脉冲波形、脉冲宽度、占空比、收缩/休息周期或上升/下降时间的独立设置。这些参数无法通过回溯获取，因此报告为不可用，而非估算值。
NMES 禁忌证与安全监测
在入组前，研究人员通过健康史问卷调查及口头确认的方式，对受试者是否具备神经肌肉电刺激（NMES）的禁忌证进行筛查。若受试者体内植入电子设备或心脏起搏器、患有癫痫、临床诊断的心血管疾病、皮肤感觉受损、电极放置部位存在开放性伤口、皮肤感染或刺激、急性肌肉骨骼损伤，或既往对电刺激有不良反应，则被排除。在放置电极前，需检查每个目标肌肉区域的皮肤是否存在伤口、刺激、感染或其他异常情况。刺激过程中，持续对受试者进行监测，并要求其报告疼痛、头晕、过度肌肉痉挛、皮肤刺激、异常肌肉收缩或其他意外症状。若出现明显不适，将降低刺激强度。若受试者出现难以忍受的疼痛、头晕、持续性皮肤刺激、异常肌肉收缩或其他潜在不安全反应，则立即终止干预措施。所有不良反应及研究人员采取的应对措施均需记录在案。
运动捕捉与校准
每次测试前，使用一个尺寸为 2.0 m × 1.5 m × 2.0 m 的三维校准框架对测量空间进行校准。所有校准点在至少两个摄像机视图中可见。四台摄像机通过一个在所有摄像机记录中均可看见的 LED 信号进行同步。采用三维运动分析软件和直接线性变换方法重建三维坐标。通过将校准框架控制点的已知坐标与其重建坐标进行比较，评估校准质量。均方根重建误差为 0.138 cm。当所有必需的控制点不清晰可见，或重建误差超过实验室可接受标准时，需重新进行校准。
标记物放置与追踪
在每位受试者的解剖标志点上粘贴了21个反光标记。标记位置包括头顶、左右耳、左右肩峰、左右髂前上棘、左右桡骨头、左右桡骨茎突、第三指的远端指骨、左右胫骨上端、左右外踝、左右跟骨，以及左右足的远端趾骨。另有一个轻质反光标记牢固地粘附于排球表面。每次试跑前均检查标记的固定情况，以确保其在扣球过程中保持稳定。使用三维运动分析软件对标记进行逐帧手动数字化和追踪。自动生成的轨迹经视觉检查，并在必要时进行手动修正。连续不超过五帧的标记缺失数据采用三次样条插值法重建。若试验中出现更长的缺失片段，或关键事件时刻缺少标记数据，则该次试验被排除并重新进行。
事件检测与技术阶段划分
通过逐帧分析同步摄像记录，确定了四个关键事件：（1）左脚首次触地，定义为左脚明显接触地面的第一帧（图2A）；（2）双脚同时触地，定义为两脚同时接触地面的第一帧（图2B）；（3）双脚同时起跳，定义为两脚完全离开地面的第一帧（图2C）；（4）击球接触，定义为击球手明显接触并使球发生位移的第一帧（图2D）。助跑阶段从左脚首次触地开始，至双脚同时触地结束。起跳阶段从双脚同时触地开始，至双脚同时起跳结束。空中击球阶段从双脚同时起跳开始，至击球接触结束11,12。所有事件均由同一名评估者判定，以确保一致性。
图2：排球扣球的关键事件。（A）左脚初始触地。（B）双脚同时触地。（C）双脚起跳。（D）击球瞬间。请点击此处查看该图的放大版本。
数据处理
本研究分析的排球扣球技术运动学参数包括：肩髋分离角（图3A）［躯干坐标系的x轴定义为左侧髂前上棘与右侧髂前上棘之间的连线，y轴定义为髂前上棘的前向方向，z轴定义为两侧髂前上棘中点与两侧肩峰中点在纵轴上的连线；肩髋分离角为左侧髂前上棘相对于右侧髂前上棘的局部矢量与左侧肩峰相对于右侧肩峰的局部矢量在坐标系xy平面旋转所形成的夹角］；肩关节角（图3B）［由肘关节、肩关节和髋关节构成的夹角］；肘关节角（图3B）［由肩关节、肘关节和腕关节构成的夹角］；腕关节角（图3B）［由肘关节、腕关节和手指关节构成的夹角］；髋关节角（图3C）［由肩关节、髋关节和膝关节构成的夹角］；膝关节角（图3C）［由髋关节、膝关节和踝关节构成的夹角］；踝关节角（图3C）［由膝关节、踝关节和脚趾构成的夹角］13,14,15,16,17,18,19。大腿、小腿和足部节段的速度通过连续帧之间相应节段中心的三维位移计算得出。线速度采用中心差分数值微分法获得，单位为米每秒（m/s）。球速通过球标记点的合三维位移除以1/180秒的采样间隔计算得出。最高球速定义为手与球接触后前三帧内记录到的最大合速度，单位为米每秒（m/s）。
图3：排球扣球的运动学参数。（A）肩-髋分离角。（B）肩、肘和腕关节角度。（C）髋、膝和踝关节角度。请点击此处查看此图的放大版本。
统计学分析
统计分析使用 SPSS 软件进行。连续变量以均值和标准差表示。采用独立样本 t 检验比较两组在基线时的年龄、身高、体重和体重指数。主要分析使用 Mann–Whitney U 检验，比较 NMES 刺激组与时间匹配对照组在第二次评估时的运动学和表现变量。Mann–Whitney U 检验的结果报告标准化的 Z 统计量。效应量计算公式为 r = |Z|/√N，其中 N 为每次比较的总样本量（N = 30）；效应量 0.10、0.30 和 0.50 分别解释为小、中和大效应。均值差异（NMES − 对照组）的 95% 置信区间使用报告的均值、标准差和样本量，通过 Welch 法估算。使用 NMES 刺激组第二次评估的数据计算 Pearson 积差相关系数，以考察运动学变量与表现变量之间的关系。相关系数的 95% 置信区间采用 Fisher z 转换法计算。Benjamini–Hochberg 错误发现率校正分别在每个事件家族内独立应用。每个助跑事件家族包含三项比较，而双侧起跳和触球事件家族各包含 55 项比较。统计学显著性水平设定为 α = 0.05（表 2 和 表 3）。
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结果
组间在击球表现与运动学参数上的差异
表1展示了第二次评估时排球扣球表现及各阶段特定运动学参数的组间差异。每组包含15名受试者。在空中击球阶段，NMES预处理组在击球瞬间的球速显著高于对照组（11.69 ± 2.14 vs. 9.95 ± 1.48 m/s；Z = −2.344，p = 0.019）。
在助跑阶段初始左脚触地时，两组间髋关节角度（139.31 ± 13.30° vs. 144.30 ± 14.28°；Z = −0.850，p = 0.395）、膝关节角度（128.30 ± 20.94° vs. 141.40 ± 16.34°；Z = −1.846，p = 0.065）或踝关节角度（83.20 ± 14.67° vs. 85.00 ± 20.52°；Z = −0.436，p = 0.663）均未观察到显著差异。
在助跑阶段...
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讨论
该研究探讨了一次即时神经肌肉电刺激（NMES）干预对排球运动员扣球表现的急性影响，重点关注助跑、起跳和空中击球阶段的运动学变化。结果显示，当对下肢及核心关键肌群立即施加NMES后，受试者的关节角度、动作速度和球速均显著提高。这表明NMES能够即时改善神经肌肉协调性和动作输出效率，显著辅助需要爆发力的技术性运动动作（如扣球）。
结果还表明，当双脚着地瞬间，实验组的膝关节和踝关节角度显著小于对照组。这意味着他们的下肢处于更大程度的屈曲状态，有利于在离地前储存弹性势能，这是牵张-缩短循环（SSC）的关键机制20,21。既往研究表明，神经肌肉电刺激（NMES）可提高脊髓运动神经元的兴奋性，并募集更多的快肌纤维，这进一步支持了本研究中观察到的运动准备姿势改善现象22,23,24。此外，本研究...
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披露
作者声明不存在利益冲突。在稿件修改过程中，使用了生成式人工智能工具 ChatGPT（OpenAI），以协助进行英文语言编辑、语法校正以及提升文字的清晰度和可读性。该人工智能工具未用于生成、操纵或解释研究数据，未用于执行统计分析，未用于产生研究结果，也未用于准备或修改图表。所有经人工智能辅助生成的文本均已被作者严格审阅、核实和修改，作者对最终稿件的准确性、完整性和内容承担全部责任。
致谢
本研究得到福建省中青年教师教育科研项目（科技类）重点项目（编号：JZ240034）、福建省社会科学规划项目（编号：FJ2025T011）、集美大学博士科研启动基金（编号：Q202440）以及教育部产学合作协同育人项目（编号：231104575130151）的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 调频脉冲治疗仪 | 研究记录中未注明制造商 | 中国广州 | ZN-566 |
| 高速摄像机 | Sony Corporation | 日本东京 | PXW-FS7 |
| SPSS | IBM | 美国纽约州阿蒙克 | Windows 版本 27 |
| 三维运动分析系统 | Visol Inc. | 韩国光明市 | Kwon3D |
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