騎行肌肉生理的研究

李 聰，王燕珍，趙華峰

(上海工程技術(shù)大學(xué) 服裝學(xué)院，上海 201620)

近幾年來(lái)，隨著共享單車的流行，自行車騎行作為一種便捷、經(jīng)濟(jì)的出行方式，受到大多數(shù)人們的喜愛(ài)。騎行作為一種大眾的休閑活動(dòng)，重新進(jìn)入了人們的視野，有著廣闊的市場(chǎng)和光明的前景【1-2】。在騎行過(guò)程中，隨著騎行時(shí)間的持續(xù)，肌肉會(huì)逐漸感到疲勞，人們會(huì)感到不適甚至不舒服，肌肉疲勞直接體現(xiàn)在肌肉的肌電信號(hào)上，而人們對(duì)騎行褲的肌電的生理研究相對(duì)較少，對(duì)著騎行褲的肌肉疲勞的衰減過(guò)程與肌肉肌電的相關(guān)關(guān)系還沒(méi)有深入的研究【3】。

1. 肌電實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/h3>

通過(guò)勻速騎行狀態(tài)下對(duì)腿部肌肉的肌電信號(hào)的測(cè)試，主要是對(duì)腿部體積較大的肌肉組，如股直肌、股二頭肌，股內(nèi)側(cè)肌，股外側(cè)肌，半腱肌等腿部肌群，研究他們?cè)隍T行過(guò)程中的肌電變化過(guò)程，并對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行分析，找出各時(shí)間段肌電信號(hào)狀態(tài)，對(duì)騎行過(guò)程的肌肉狀態(tài)進(jìn)行理論分析，探究肌肉的肌電信號(hào)是否是肌肉疲勞的影響因子，對(duì)騎行機(jī)理進(jìn)行理論研究【4-5】。

1.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.2.1 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：上海工程技術(shù)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室溫度為30±2℃，濕度為50±5%。

圖1 表面肌電測(cè)試系統(tǒng)

1.2.2 實(shí)驗(yàn)人員：實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員一名，壓力測(cè)試者4名。標(biāo)準(zhǔn)體型的成年人四名，身高為169-175，體重為57.5-62.5kg，所有測(cè)試者身體和心理狀況良好，下肢狀況良好(無(wú)損傷)，且經(jīng)常進(jìn)行騎行運(yùn)動(dòng)。測(cè)試前一周需要保持健康的生活規(guī)律，且不要做劇烈運(yùn)動(dòng)，并對(duì)受試者關(guān)于實(shí)驗(yàn)的目的、方法、動(dòng)作規(guī)范做詳細(xì)的講解。待受試者進(jìn)入試驗(yàn)室后，先靜坐 10 min，待其狀態(tài)穩(wěn)定后再開(kāi)始正式試驗(yàn)。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)儀器和軟件

delsys無(wú)線表面肌電儀、Delsys表面肌電EMGworks?采集和分析系統(tǒng)，delsys無(wú)線表面肌電儀是具有16通道的表面肌電加上48通道加速度采集分析系統(tǒng)。帶運(yùn)動(dòng)偽影抑制的傳感器，可以自由運(yùn)動(dòng)，傳感器端直接無(wú)線發(fā)射數(shù)據(jù)。接收器可通過(guò)USB接口與電腦連接傳輸數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖1。

表1 delsys無(wú)線表面肌電儀參數(shù)

數(shù)據(jù)采集軟件：Delsys表面肌電EMGworks?采集和分析系統(tǒng)，肌電測(cè)量?jī)x一般只具有在示波器上顯示波形和記錄波形的功能。EMGworks?是一款強(qiáng)大的肌電采集和分析軟件系統(tǒng)。具有人性化的圖表界面，快速瀏覽工具以及批量處理功能使肌電信號(hào)處理和生物力學(xué)傳感器信號(hào)變得簡(jiǎn)單高效。

1.2.4 如圖3是腿部肌肉肌電信號(hào)采集點(diǎn)：肌電實(shí)驗(yàn)主要選取了大腿部主要的5組肌肉肌肉，分別是股直肌，股內(nèi)側(cè)肌，股外側(cè)肌，股二頭肌，半腱肌等等，如表2。

表2 表面肌電的肌肉介紹

1.2.5 實(shí)驗(yàn)樣褲：實(shí)驗(yàn)樣衣選擇了受眾比較好的騎行服裝迪卡儂騎行愛(ài)好者專用騎行短褲，見(jiàn)圖3。

1.2.6 實(shí)驗(yàn)原理：當(dāng)進(jìn)行騎行運(yùn)動(dòng)時(shí)，肌肉會(huì)產(chǎn)生肌電信號(hào)，表面肌電儀對(duì)肌電信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臑V波和放大，電位變化的振幅、頻率和波形可在記錄儀上顯示，也可以用Excel表格將其圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。

圖2 肌肉及其所在位置

圖3 騎行樣褲

品牌面料成分氣墊材料迪卡儂80%錦綸 20%氨綸高密度海棉

1.3 肌電實(shí)驗(yàn)步驟

在進(jìn)行肌電實(shí)驗(yàn)前,先讓實(shí)驗(yàn)者到實(shí)驗(yàn)室中休10分鐘,適應(yīng)新的實(shí)驗(yàn)環(huán)境.

第一步：制定好實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)每位實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行編號(hào)，把實(shí)驗(yàn)過(guò)程告知實(shí)驗(yàn)者。每位受試者都按照排好的順序依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)后間隔 24 小時(shí)后進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。

第二步：下身需要穿著指定實(shí)驗(yàn)用的騎行褲，著運(yùn)動(dòng)鞋，實(shí)驗(yàn)對(duì)象身上不得佩戴任何飾品。

第三步：根據(jù)肌肉的結(jié)構(gòu)特征，對(duì)需要貼電極傳感器的皮膚表面進(jìn)行定位并用記號(hào)筆進(jìn)行標(biāo)記，這樣有利于傳感器的貼放，為了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性(防干擾)，需將受試者體表的毛發(fā)剃掉，使用醫(yī)用酒精將測(cè)試體表的皮膚進(jìn)行擦拭，防止皮膚電阻對(duì)肌電信號(hào)采集過(guò)程中的干擾。在傳感器的放置過(guò)程中，傳感器的放置方向需要與肌肉纖維的方向(基本上是豎向分布)保持一致。

第四步，使實(shí)驗(yàn)對(duì)象在功率自行車上按照每分鐘35rmp的加速度騎行2min，加速到70rmp,然后保持這樣的轉(zhuǎn)速13分鐘。

圖4 肌電傳感器貼點(diǎn)示意圖

第五步： 騎行運(yùn)動(dòng)開(kāi)始后，點(diǎn)擊肌電采集軟件的start按鈕，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)點(diǎn)肌電的記錄，觀察各個(gè)肌電的波動(dòng)圖像。

第六步：4名騎行者依次進(jìn)行試驗(yàn)，騎行者分別著裝進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集完成后拷貝試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

第七步：換#2、#3、#4測(cè)試者進(jìn)行試驗(yàn)， 直到把所有的騎行褲測(cè)試完。

圖5 表面肌電原始數(shù)據(jù)

2. 電信號(hào)均方根

將測(cè)試的機(jī)電信號(hào)通過(guò)EMG軟件把肌電原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析。由于測(cè)試的時(shí)間較長(zhǎng)，因此將肌電信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度分為9段，每段100s，總共900s.通過(guò)分段分析每一段的均方根值來(lái)分析肌電信號(hào)。

表4 九個(gè)不同時(shí)段均方根大小

根據(jù)上表作圖6 RMS的變化圖。

從圖6可以看出股內(nèi)側(cè)肌的RMS值最大，在7-15之間，在騎行過(guò)程中其RMS值呈現(xiàn)先增大，后減少的趨勢(shì)，也說(shuō)明了股內(nèi)側(cè)肌放電有效值最大。其余四組肌電RMS變化相對(duì)比較小，大約在1-6之間。股直肌，股外側(cè)肌，股二頭肌的RMS值分別先增大后減小的趨勢(shì)，其中股外側(cè)肌的均方根大于股直肌均方根，股直肌的均方根又整體大于股二頭肌。而半腱肌比較特殊，其肌電RMS變化有點(diǎn)大，RMS值先增加后降低，中間再增加后又降低。從整體上看，股直肌，股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、股二頭肌、半腱肌都遵循先增大后減小的規(guī)律，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肌肉放電有效值整體上是減小的，肌肉疲勞程度逐漸增加，人體的不舒適性也不斷地增加。股內(nèi)側(cè)肌和半腱肌的RMS值變化比較大，說(shuō)明肌肉放電的有效值變化也比較大。股直肌、股外側(cè)肌、股二頭肌RMS值變化比較小【6】。

從下圖不同時(shí)間段的肌肉RMS值也可以看出，股內(nèi)側(cè)肌的散點(diǎn)分布數(shù)值最大，即機(jī)電信號(hào)的有效值也是最大，但其點(diǎn)分散比較大，數(shù)據(jù)不集中。股直肌、股外側(cè)肌、半腱肌的RMS值比較一致，RMS值比較大，肌肉放電有效值較股內(nèi)側(cè)肌小，另外，股直肌和半腱肌的散點(diǎn)分布比較零散，說(shuō)明騎行過(guò)程肌電信號(hào)的有效值不穩(wěn)定，而股外側(cè)肌的散點(diǎn)分布比較集中，說(shuō)明股外側(cè)肌的肌電分布比較穩(wěn)定。股二頭肌的RMS值最小，也即是肌肉放電有效值最小，其散點(diǎn)分布也比較集中。從結(jié)合下圖，可以看出五組肌肉有效值的大小依次為：股內(nèi)側(cè)肌>股外側(cè)肌>股直肌>半腱肌>股二頭肌。

在0-900中，將股直肌的RMS值依次相加，得到900秒內(nèi)股直肌的總的均方根值為41，同理可以算出股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、股二頭肌、半腱肌的總的肌電的RMS值分別為：89.5、41.3、22.4、34.3。則五組肌肉總的RMS值為228.2.再用各自的肌電值除以總的肌電值可以得出股直肌、股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、股二頭肌、半腱肌的RMS值的貢獻(xiàn)率分別為18%、39%、18%、10%、15%。由此可見(jiàn)，在騎行過(guò)程中，股內(nèi)側(cè)肌的有效放電量最大，大約占到四成，其次是股直肌和股外側(cè)肌均為18%。股二頭肌有效肌電值最小。因此，騎行過(guò)程中最重要的肌肉為股內(nèi)側(cè)肌、股直肌和股外側(cè)肌。股二頭肌對(duì)騎行過(guò)程影響較小。

圖6 隨時(shí)間的推移各部位均方根的變化

3. 騎行褲肌電前、中、后三個(gè)時(shí)段肌電信號(hào)分析

3.1 運(yùn)動(dòng)前期

表4 騎行運(yùn)動(dòng)前期的起止時(shí)間

將肌電信號(hào)絕對(duì)值化后，在前三分之一的時(shí)間里取出相間的兩段時(shí)間，記為前段一，前段二(如表4)，經(jīng)過(guò)分析，得出五塊肌肉所對(duì)應(yīng)的肌電的起始時(shí)間，終止時(shí)間，并計(jì)算出其相應(yīng)的肌電持續(xù)時(shí)間，在用同樣的方法算出前段二的起始時(shí)間，持續(xù)時(shí)間，平均開(kāi)始時(shí)間和終止時(shí)間，平均持續(xù)時(shí)間。放電時(shí)間先后表明在騎行運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉的作用順序。

從表4 可以看出在前期運(yùn)動(dòng)中肌肉一(股直肌)在0.7s時(shí)最先放電的，其次是肌肉二(股內(nèi)側(cè)肌)和肌肉三(股外側(cè)肌)，肌肉四(股二頭肌)和肌肉五(半腱肌)最后放電。終止時(shí)間都在1.25-1.35之間，相差比較小。股直肌在前面運(yùn)動(dòng)時(shí)間中其肌電信號(hào)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，達(dá)到0.55秒，說(shuō)明其肌肉運(yùn)動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)，然后是股外側(cè)肌，股內(nèi)側(cè)肌，半腱肌，放電時(shí)間也比較大，而股二頭肌放電時(shí)間非常短，說(shuō)明其肌肉運(yùn)動(dòng)時(shí)間較短。根據(jù)放電時(shí)間可以發(fā)現(xiàn)，股直肌最先發(fā)力，其次股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌分別發(fā)力，股二頭肌不和半腱肌發(fā)力較晚。

3.2 運(yùn)動(dòng)中期

表5 騎行運(yùn)動(dòng)中期的起止時(shí)間

表6 騎行運(yùn)動(dòng)中期的起始時(shí)間

從表6可以看出，肌肉一(股直肌)仍然最先運(yùn)動(dòng)，與前期保持一致，其后肌肉二(股內(nèi)側(cè)肌)、肌肉三(股外側(cè)肌)、肌肉四(股二頭肌)、肌肉五(半腱肌)基本上同時(shí)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)間在0.85-0.9之間，和前段時(shí)間有一定的差別。因此，持續(xù)不斷的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致肌電信號(hào)的變化，肌肉也逐漸疲勞。股直肌最先結(jié)束放電，股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、半腱肌、股二頭肌結(jié)束時(shí)間也比較一致，也和前段時(shí)間有一定的區(qū)別。放電時(shí)間差別比較大，股直肌放電時(shí)間為0.35s，放電時(shí)間最長(zhǎng),其次是股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌。股二頭肌和半鍵肌放電時(shí)間最短，均為0.15s.其次，運(yùn)動(dòng)中期放電時(shí)間相比于運(yùn)動(dòng)前期的放電時(shí)間大幅度下降，約為前期的60%，整體下降了大約40%。這是由于騎行一段時(shí)間后肌肉有一定的疲勞，放電時(shí)間減少造成的【4】。因此，肌電信號(hào)與人體肌肉疲勞具有一定的關(guān)系。

3.3 運(yùn)動(dòng)后期

圖8 IEMG值變化圖

用同樣的方法可以得到表6，可以得到，肌肉一(股直肌)依然是最先放電，與前期、中期完全一致，股內(nèi)側(cè)肌，股外側(cè)肌，股二頭肌，半腱肌放電時(shí)間高度一致，都是0.45s放電，與中期放電比較一致。放電結(jié)束時(shí)間為股直肌、半腱肌和股二頭肌。股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌結(jié)束時(shí)間最遲。放電持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的依然是股直肌，為0.25s，與前期的放電時(shí)間減少了一半以上。其次是股直肌和股外側(cè)肌，都為0.2s。最后是股二頭肌和半腱肌，放電時(shí)間很短，約0.1秒。整體來(lái)說(shuō)放電持續(xù)時(shí)間為前期放電時(shí)間的47%。可以發(fā)現(xiàn)，隨著騎行時(shí)間的延長(zhǎng)，機(jī)體進(jìn)一步疲勞，肌電信號(hào)進(jìn)一步變?nèi)酢＜‰娦盘?hào)與騎行運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間相關(guān)，且呈負(fù)相關(guān)。

4. 行時(shí)表面肌電圖分析

肌電積分值：肌肉疲勞的重要指標(biāo)，表示單位時(shí)間內(nèi)的放電總量，是根據(jù)參加運(yùn)動(dòng)的肌肉數(shù)量和每個(gè)肌肉放電的電量來(lái)確定的。將肌電信號(hào)通過(guò)EMGworks Analysis 把肌電原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入，通過(guò)絕對(duì)平均值法把原始的肌電信號(hào)絕對(duì)值化。將肌電信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度分為9段，每段100s，總共900s.通過(guò)分段分析每一段的iEMG值來(lái)分析肌電信號(hào)。將肌電信號(hào)分段，對(duì)每段肌電信號(hào)的肌電積分值進(jìn)行采集。每階段的肌電積分值如圖8所示。

從圖8可以看出，表面肌電積分信號(hào)在騎行運(yùn)動(dòng)的900s時(shí)間中，股內(nèi)側(cè)肌IEMG值最大，變化也較為明顯，肌肉放電量最大。與前面肌電RMS值比較一致。股直肌的肌電積分值略大于股外側(cè)肌的肌電積分值，這與他們的RMS值恰好相反，但相差不大。其次是半鍵肌的肌電積分值，和RMS值一樣，其總體趨勢(shì)表現(xiàn)為先上升后下降。肌電積分值最小的是股二頭肌，說(shuō)明騎行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中放電量是最小的。各部位肌電積分值的排列大小：股直肌>股直肌>股外側(cè)肌>半腱肌>股二頭肌。從IEMG值和RMS值上可以看出，當(dāng)IEMG值較大的時(shí)候，RMS值也比較大，兩者之間有一定的相關(guān)關(guān)系，且呈現(xiàn)正相關(guān)。

將股直肌0-900s的肌電積分值相加，得到總的肌電積分值27.5，同樣的方法可以得到股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、股二頭肌、半腱肌的總的肌電積分值分別為：27.5、37.8、23.1、11.9、15.1。可以知道他們的總的肌電積分值為115.4.用每組肌肉的總肌電積分值除以115.1就可以得到股直肌、股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、股二頭肌、半腱肌在騎行過(guò)程中各自的肌電活動(dòng)的貢獻(xiàn)率，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：總的放電量較大的為股內(nèi)側(cè)肌，其次是股直肌和股外側(cè)肌，半腱肌和股二頭肌的總放電量較小。與RMS值的分布完全一致。

5. 結(jié)論

從肌電信號(hào)中可以看出，五組肌肉的IEMG值、RMS值得大小是股內(nèi)側(cè)肌>股直肌>股外側(cè)肌>半腱肌>股二頭肌，股內(nèi)側(cè)肌是騎行運(yùn)動(dòng)的最大發(fā)力肌肉，前部肌肉放電總量遠(yuǎn)大于后部肌肉。騎行過(guò)程中最重要的肌肉為股內(nèi)側(cè)肌、股直肌和股外側(cè)肌。股二頭肌對(duì)騎行過(guò)程影響較小。隨著運(yùn)動(dòng)時(shí)間的繼續(xù)，肌電信號(hào)IEMG值、RMS值、單次放電脈沖的放電時(shí)間逐漸減弱，就放電時(shí)間而言，300s-600s相較于1-300s放電時(shí)間減少了40%，600s-900s相較于0-300s的放電時(shí)間減少了53%，可以發(fā)現(xiàn)，騎行時(shí)間的持續(xù)，機(jī)體逐漸疲勞，肌電信號(hào)逐漸減弱，肌電信號(hào)也受到影響。平均RMS值、IEMG值的大小與運(yùn)動(dòng)舒適性在0-900s中呈現(xiàn)呈負(fù)相關(guān)，隨著時(shí)間的繼續(xù)增長(zhǎng)，平均RMS值、平均IEMG值與運(yùn)動(dòng)舒適性成正相關(guān)。而單個(gè)脈沖的放電時(shí)間與服裝舒適性一直成正相關(guān)，他們隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而降低。