下肢表面肌電特征分析及其在運動服中的應用

曹丹

摘要：得到下肢表面肌電特征以及在運動服設計中的應用。采集8名青年男性一個完整單步周期的腹外斜肌、長收肌等16塊下肢體表肌肉的肌電信號和同步視頻，將單步周期分為著地緩沖、垂直支撐、后蹬、折疊前擺、下放擺落、下壓著地六個階段，分析積分肌電值、放電耗時和肌肉活動狀態三個指標。得到基礎理論和滿足下肢肌肉功能需求的運動服產品。為運動類服裝技術和產品開發提供了設計依據，同時也為肌肉工作的工效學分析、疲勞判定、技術動作合理陸分析等方面提供理論參考。

關鍵詞：表面肌電技術 單步周期 肌肉功能 運動服

中圖分類號：TS941.17文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2019）11-0026-04

引言

骨骼肌是人體運動的動力源，沒有它的收縮就不能引起任何運動。在跑的過程中，上肢擺動的主要作用是保持身體平衡，下肢則要承受大于體重3-5倍的力，了解跑步過程中單步周期的肌肉活動特點，對于下肢的肌肉力量訓練、運動技術的合理性、防止運動損傷和肌肉疲勞具有重要意義。肌電是神經、肌肉興奮發放生物電的結果。是產生肌力的電信號根源，是表示肌肉收縮信息最直接、最簡單的途徑，表面肌電在分析單塊肌肉工作特性中具有明顯的優勢，并且還能輔助分析肌群之間的相互協作方式，能在一定程度上反映肌肉的活動狀態，且對人體無創傷、操作簡便。運用表面肌電和攝像同步測試方法，深入分析跑步單步周期的肌肉活動特征，以進一步了解跑步運動項目單步周期肌肉活動規律和技術動作特點，并輔助得到運動服設計方法。

一、研究對象與方法

（一）實驗對象

從體校招募了8名男性受試者，受試者基本情況如表1。所有受試者身體狀況較好，實驗前48h內未從事劇烈運動以保持肌肉的良好狀態，所有受試者實驗前均知曉實驗流程并同意自愿參與。

（二）實驗方法

1.著裝狀態。受試者在實驗過程中僅穿著運動短褲和運動鞋。

2.測試內容。選取下肢右側腿作為測試對象，以6km/h的速度使受試者在跑步機上勻速跑步10秒，記錄下原始肌電數據。

3.測試部位。選取以下與跑步運動密切相關的下肢16塊體表肌肉作為測試對象：（1）腹外斜肌;（2）長收肌;（3）闊筋膜張肌;（4）股直肌;（5）股外側肌;（6）股內側肌;（7）臀中肌;（8）臀大肌;（9）半腱肌;（10）半膜肌;（11）股二頭肌長頭;（12）腓骨長肌;（13）脛骨前肌;（14）腓腸肌內側;（15）腓腸肌外側;（16）比目魚肌。測試肌肉的點位置如圖1。

4.實驗設備。意大利Cometa公司制造的Mini Wave Plus型無線遙測表面肌電分析儀，測試電極和電極片。實驗電腦（自帶攝像頭），Load跑步機。

5.測試環境。單獨的恒溫、恒濕氣候控制室，室溫20℃±2℃，相對濕度50%±2%，風速≤1m/s。

6.測試過程。首先，實驗開始之前要求所有實驗相關人員關閉手機等通訊設施，避免噪聲、電磁場輻射等對其產生干擾;其次，粘貼電極之前要對目標肌肉體表皮膚用75%濃度酒精擦拭以達到清潔的目的，每塊肌肉貼兩個電極片，連接一個參考電極。粘貼電極片時要注意：（1）電極片貼于肌腹處;（2）兩個測試電極片中心間距不超過2Cm.方向平行于被測肌肉長軸，參考電極靠近測試電極不超過10CM;（3）參考電極與測試電極的導聯線要保持平整;（4）所有電極應牢牢固定于體表，盡量避免松動和脫落;再次，實驗以手動操作電腦的方式使肌電儀與跑步機保持同步，采集肌電數據的同時也采集跑步同步視頻。

（三）數據處理與分析

在數據處理上，原始表面肌電信號信號幅值范圍100-5000uv.信號頻率在0-500Hz.主頻在50-150Hz之間。由于信號采集過程中的干擾信號介于0-60HZ的低頻部分，人體肌肉神經信號集中在40-400Hz之間，所以需要對原始表面肌電信號進行降噪和濾波處理，選擇介于高通濾波40Hz.低通濾波400Hz之間的表面肌電信號作為目標分析范圍。在數據分析上，主要采用時域分析法中的積分肌電值（IEMG）反映單塊肌肉放電有效值，結合放電耗時，將一個跑步單步周期劃分為支撐期和騰空期兩大塊，并將支撐期、騰空期細分為著地緩沖、垂直支撐、后蹬、折疊前擺、下放擺落、下壓著地六個階段，更細致化、有目的性地去探索肌肉放電量、肌肉放電時間、肌肉活動狀態。

二、結果與分析

（一）跑步單步周期參與肌群及動作分析

與人體運動有關且形成人體外形的肌肉群分為背肌群、頸前肌群、腹肌群、外骨盆肌群、內骨盆肌群、大腿屈肌群、大腿伸肌群、小腿屈肌群、小腿伸肌群9個肌群。其中，參與跑步的下肢主要肌群有（1）外骨盆肌群，包括臀大肌、臀中肌和臀小肌;（2）大腿伸肌群，包括半腱肌、半膜肌、股二頭肌、股薄肌等;（3）大腿屈肌群，包括髂腰肌、股四頭肌、闊筋膜張肌、縫匠肌等;（4）小腿伸肌群，包括脛骨前肌、趾長、拇長伸肌等;（5）小腿屈肌群，包括腓腸肌和比目魚肌。

跑步動作技術的一個單腿運動周期可劃分為著地緩沖、后蹬、折疊前擺和下壓準備著地四個階段。這四個階段由支撐期和騰空期組成，支撐期可分為著地緩沖、垂直支撐和后蹬，騰空期可分為折疊前擺、下放擺落和下壓著地。著地緩沖階段劃分點為擺動腿的腳掌著地瞬間，垂直支撐階段劃分點為身體重心達到最低點時，后蹬階段劃分點為支撐腳蹬離地面時，折疊前擺劃分點為擺動腿折疊前擺擺至最高點時，下壓著地階段劃分點為該腿的腳掌著地瞬間。

1.支撐期。在著地緩沖階段，此刻騰空期正好結束，擺動腿的大腿積極向下壓并帶動小腿積極前伸并下扒，隨后腳掌著地。著地瞬間，為了緩沖前制動，身體隨慣性迅速推動踝、膝、髖關節的屈曲前移進入垂直支撐期。身體重心前移至支撐點垂直面，避免造成著地對三關節的沖擊過大，使身體重心下降過多。同時，擺動腿的小腿因為慣性向支撐腿的大腿靠攏，同時擺動腿的膝關節折疊角度慢慢減小。隨后身體總重心超過垂直支撐面，即進入了后蹬階段。此時，擺動腿同側骨盆送髖，迅速有力地屈膝向前上方擺出。支撐腿在擺動腿的拉動下，快速有力地伸展髖、膝、踝關節，推動身體重心向前運動。

2.騰空期。大腿隨著蹬地后的慣性加速前擺，膝關節被動地折疊彎曲形成隨勢動作，然后大腿邊折疊邊前擺。大腿擺至最高點后，大腿積極下壓，小腿隨著大腿“鞭打式”著地，脛骨前肌向心收縮使踝關節背屈以加速腳著地。在下壓著地時，伸髖（臀大肌、股二頭肌）、屈膝（腓腸肌、比目魚肌）關節幫助完成“鞭打”著地動作。

（二）數據采集

以6km/h的速度使受試者在跑步機上勻速跑步10秒，記錄下原始肌電數據和同步跑步視頻。圖2為一個單步周期的原始表面肌電信號，將采集到的每個樣本10秒肌電信號截取第5.7秒比較穩定的信號，從中選出一個單步周期。一個單步周期是指右腿開始著地緩沖狀態到完成一周的運動再次回到著地緩沖，準備下壓著地的狀態，具體動作及一個單步周期中的單腿（圖3中所示右側腿）支撐期、騰空期運動階段劃分如圖3。

（三）數據分析

1.肌肉放電量。積分肌電值（IEMG）是指在一定時間內肌肉參與活動的運動單位總放電量，放電量越大，參與肌肉收縮的肌纖維數量越多，被測肌肉活動貢獻度越大。圖4是以支撐期和騰空期為界看一個單步周期中各肌肉的放電情況。如圖4所示，在一個單步周期中，髖肌前群和長收肌、腓骨長肌、小腿后群在騰空期的肌肉活動貢獻率比支撐期的要大，且小腿后群的放電主要集中在騰空期;脛骨前肌、大腿后群、髖肌后群在支撐期的肌肉活動貢獻率比騰空期的要大;腹外斜肌、大腿前群支撐期、騰空期的肌肉活動貢獻率較均勻。

圖5顯示了16塊肌肉在一個單步周期各階段的肌肉活動貢獻率。如圖5所示，小腿后群、腓骨長肌在折疊前擺下放擺落階段出現大的肌肉爆發;大腿前群、闊筋膜張肌、髖肌后群在后蹬，準備折疊前擺階段出現較大的肌肉爆發;大腿后群、脛骨前肌在垂直支撐，后蹬階段出現較大的肌肉爆發;腹外斜肌和長收肌的肌肉表現較平穩無明顯放電爆發現象。這些結果可為了解肌肉的活動狀態，包括放電的先后順序和各肌肉之間的相互協調關系，為各肌肉之間在跑步狀態下的運作關系及運動服的設計提供參考。

圖6為一個單步周期各肌肉放電量平均值，由圖6可知：（1）16塊下肢體表肌肉的總放電量排序依次是腓腸肌內側、脛骨前肌、比目魚肌、腓骨長肌、腓腸肌外側、闊筋膜張肌、長收肌、臀中肌、股內側肌、股外側肌、股二頭肌長頭、半腱肌、半膜肌、股直肌、臀大肌、腹外斜肌;（2）在一個單步跑步周期中，小腿后側、小腿前側肌肉貢獻率最大，大腿外側闊筋膜張肌、大腿內側長收肌次之，其次是后腰部臀中肌和大腿前側股四頭肌群較大，再次是大腿后側肌群，腹部肌群的肌肉貢獻率最低;（3）在合體類運動服裝設計上，合理的服裝壓對提高運動員運動能力、抗疲勞以及內在肌肉功能都起到積極的作用。小腿后側、大腿前側、膝蓋是跑步動力的主要來源且非常容易產生疲勞，故需要采用萊卡纖維與氨綸、滌綸、錦綸等高彈纖維混紡的高壓、高彈面料，或采用羅紋和緯平針組織結構的緯編彈力面料來固定和減少肌肉振動從而避免不必要的能量消耗，另外可在這些部位增加壓力帶的設計來刺激肌肉反應增加爆發力。后腰臀部、大腿內側、大腿后側的疲勞度較高，可采用高彈、吸濕排汗、中壓面料，如CoolMax纖維、Dri FIT和swift等排汗快干面料。小腿前側為需低壓區域不需要特別保護。

2.肌肉放電時間。由于每個人的跑步頻率不同，每位受試者完成一個單步周期所需的總時間會有所區別，平均時間為1.08s.故采用百分比的方式來表示不同階段所需的時間。圖7為一個單步周期所有樣本的支撐期、騰空期所需的時間百分比，可知受試者在跑步過程中支撐期比騰空期花的時間更多。

圖8更為詳細地顯示了六個不同階段所花時間的平均百分比，由圖可知各階段所花時間由大到小的排序依次為折疊前擺以-下放擺落、垂直支撐-后蹬、著地緩沖-垂直支撐、下放擺落-下壓著地、后蹬-準備折疊前擺。

3.肌肉活動狀態。圖9以各肌肉爆發點的爆發時間和爆發順序為依據，歸納了肌肉在跑步過程中的肌肉活動狀態。如圖9所示，腹外斜肌、長收肌呈持續性放電且無明顯的放電爆發點，在跑步起始階段放電較大;闊筋膜張肌呈持續性放電，在后蹬，左腿支撐階段肌肉放電最活躍，之后在下放擺落-下壓著地階段放電較活躍;腓骨長肌在跑步開始階段放電較活躍，在足尖離地下放擺落階段肌肉達到爆發點，之后無明顯放電;脛骨前肌在跑步開始至足尖離地階段肌肉就開始爆發，之后無明顯放電;臀部和大腿前側股四頭肌、大腿后側肌群、小腿三頭肌呈規律性放電，都有各自的肌肉爆發點。

從分階段肌肉爆發點來看，著地緩沖-垂直支撐階段，腹外斜肌、長收肌、腓骨長肌放電較活躍，脛骨前肌此時放電爆發，并積極參與小腿的下壓著地動作。

垂直支撐-足尖離地階段，大腿伸肌群（半腱肌、半膜肌、股二頭肌）處于放電爆發點，它們積極幫助伸髖屈膝，參與支撐腿的后蹬動作，此時小腿前外側肌群（脛骨前肌、腓骨長肌）仍持續放電。

后蹬-左腿支撐階段，臀大肌和臀中肌放電爆發，積極后擺大腿及伸髖并參與后蹬動作，大腿屈肌群中的股四頭肌和闊筋膜張肌也達到最活躍期，先參與后蹬時的伸膝動作，再使髖關節屈帶動小腿前擺。小腿屈肌群（腓腸肌內側、腓腸肌外側、比目魚肌）開始出現放電爆發，此時使膝關節屈，參與擺動腿的折疊前擺至最高點的動作。腓骨長肌也開始出現肌肉放電爆發。

腳尖離地下放擺落階段，腓骨長肌和小腿屈肌群處于肌肉爆發階段，放電量處在一個單步周期中的最高點。

下放擺落下壓著地階段，腹外斜肌、長收肌和闊筋膜張肌較活躍。

三、下肢表面肌電特征在運動服中的設計應用

根據實驗所得的下肢肌肉單步周期放電量、放電時間、肌肉活動規律和技術動作特點等結果，得知了下肢各部位的功能需求，結合文獻檢索得到的舒適性需求，提出了如表2所示的運動服設計創新的方法，此方法基于下肢表面肌電特征，對下肢不同人體部位在促進肌肉爆發力、穩定核心肌群、減少肌肉拉傷和吸濕排汗方面提出了不同的功能需求，也為本文后期的運動服設計提供了理論依據。

圖10-12為基于下肢表面肌電特征的運動服設計實例。此款運動服裝的分割線設計依據為實驗所得的功能需求及設計創新方法，同時滿足人體肌肉走向和活動規律。褲裝分片設計共6片，結構分割較少、縫份兒較少可減少服裝面料與皮膚的摩擦，注重服裝的舒適性。大腿前部、小腿為一整片高壓高彈面料，大腿后側和內側為一整片彈力較大的四面彈面料，前檔部、后腰部為排汗網眼面料，在褲腰內側特別縫綴了一塊硬質網眼以起到固定腰部核心肌群的作用，大腿前外側、小腿后側增加了壓力帶的設計以減少肌肉震動。

結論

以上實驗數據分析與結果表明，運用表面肌電技術能很好地反映與跑步有關的下肢肌群各肌肉貢獻率、放電先后順序、肌肉活動狀態和肌肉之間的相互協調關系;對于把一個跑步單步周期支撐期、騰空期劃分為著地緩沖、垂直支撐、后蹬、折疊前擺、下放擺落和下壓準備著地六個階段，通過積分肌電值（IEMG）、放電耗時百分比、肌肉爆發階段的活動狀態去分析單步周期肌肉協作的研究方法具有準確性和實用性。可以幫助了解跑步運動項目單步周期肌肉活動規律和技術動作特點的同時，更重要的是能為運動類服裝技術和產品開發提供設計依據，同時也為肌肉工作的工效學分析、疲勞判定和技術動作合理性分析等方面提供一定的參考價值。