王 勇 ,梁雷超 ,湯運啟 ,黃靈燕 ,伍 勰 ,劉 宇 *
騎行是一種典型的多關節閉鏈運動,其動力直接來自人體對踏板的作用力,依賴于下肢肌群的協調性收縮(Bini et al.,2009;Fregly et al.,1996)。肌肉協調指的是產生給定的關節合力矩所需的各肌肉活動的配比關系(Zajac,2002)。在騎行中表現為某些肌群產生功率時,另一些肌群則以有序的協調方式工作來確保能量在環節間的傳遞,并最終有效地傳遞至踏板(Raymond et al.,2005)。人體對騎行動作的控制是協調下肢肌群活動的強度(Turpin et al.,2017)、時序(Baum et al.,2003)以及拮抗肌間的共激活(Buddhadev et al.,2018),以確保能量由肌肉傳遞至踏板。
肌肉協調模式受踩踏頻率、負荷、輸出功率等因素的影響(Hug et al.,2013),其中鞍座高度不僅是實際騎行的一個重要設置參數,也是研究騎行中下肢肌肉協調的一個關鍵要素(Bini et al.,2009)。根據希爾模型,肌肉力學性能主要受到收縮長度與速度的影響。研究發現,鞍座高度可影響下肢肌肉的長度(Gregor et al.,1987),一定范圍內,肌肉收縮長度隨鞍座高度的增加而伸長,超過一定范圍后,肌肉可能被過度拉伸而導致收縮力下降,此時若要保持恒定的功率輸出則需要募集更多的肌纖維參與工作,因此可能會導致肌肉活動增強(Sanderson et al.,2009)。在騎行速度恒定的條件下,有研究顯示,鞍座高度的改變因影響下肢的關節活動范圍而改變關節角速度(Bini et al.,2014),進而影響肌肉的收縮速度。根據Neptune等(1999)的研究,騎行速度的改變可以影響肌肉活動時序,因此,鞍座高度也能夠影響肌肉活動的時序。單關節肌與其雙關節拮抗肌共激活的增加,對于保證能量在環節間的傳遞以及保持力的傳導方向起著至關重要的作用(Zajac,2002),對于理解肌肉協調對踏板力的影響具有重要作用,但鞍座高度對下肢哪些肌群會產生影響以及會產生怎樣的影響,特別是對肌群之間的協調會產生怎樣的影響,目前尚不明確。
通常在恒速騎行時,人體需克服恒定的阻力。以往的研究較多關注的是鞍座高度對局部關節或肌群活動的影響,較少有研究關注下肢肌群是如何克服恒定阻力的。騎行表現直接取決于踩踏的有效力(垂直于曲柄的力)(Bini et al.,2014)。Ericson等(1988)研究發現,恒定功率騎行時,升高鞍座高度可以降低踏板力,然而,Bini等(2014)的研究則認為,鞍座高度對于踏板力沒有影響,只有在最高座高與最低之間的有效力上有差異。因此,目前關于鞍座高度對踏板力或有效力的影響還存在爭議。
鞍座高度調整不合理會影響騎行效率(Peveler et al.,2011),鞍座過高或者過低可能導致過度使用損傷(Johnston,2007)。目前,鞍座高度的設計都是模塊化生產,尚未實現個性化定制,雖然鞍座高度可以調整,然而普通休閑人群沒有專業的騎行知識,對于如何科學設置鞍座高度并不清楚。本研究團隊前期調查發現,采用共享單車出行的人群多數沒有調整鞍座高度,存在較多潛在的損傷風險。因此,本研究旨在通過設置不同鞍座高度下的騎行,以了解鞍座高度變化對騎行時下肢肌肉活動、肌群間協調關系以及踏板輸出力的影響。
選取10名上海體育學院體育教育訓練學專業學生(女,年齡25.2±1.3歲,身高162.0±2.8 cm,體質量56.1±3.8 kg,無騎行訓練背景,每天騎行時間不小于1 h)作為研究對象。所有受試者實驗前24 h內未從事劇烈運動,下肢三關節半年內無明顯損傷,解剖結構和機能正常,身體狀況以及運動能力良好,右腿為優勢腿(王勇等,2018)。所有受試者均理解本實驗意圖并簽署同意書。
騎行實驗在本團隊自主研發的騎行平臺上完成(改裝自MONARK,828E)(王勇等,2018)。肌電測試采用16通道信號的Delsys無線表面肌電測試系統,采樣頻率為2 000 Hz。動力學數據采用定制的腳蹬測力臺采集(Kistler,9016B)。統一采集右側下肢(優勢腿)的動力學數據,采樣頻率1 000 Hz,測力臺安裝在右腳踏板上,左腳踏板進行了配重。使用Vicon紅外高速運動捕捉系統和T40型號攝像機進行運動學采集,采樣頻率200 Hz。
本研究中表面肌電電極所放置的肌肉有:臀大肌(gluteus maximus,GMax)、股直肌(rectus femoris,RF)、股外側肌(vatsus lateralis,VL)、股內側肌(vatsus medialis,VM)、股二頭肌長頭腱(long head of biceps tendinitis,BF)、半腱肌(semitendinosus,ST)、脛骨前肌(tibialis anterior,TA)、腓腸肌外側頭(gastrocnemius lateralis,GL)、腓腸肌內側頭(gastrocnemius medialis,GM)和比目魚肌(soleus,SOL)。將電極置于受試者右側腿,沿各肌纖維的走向貼于肌腹最隆起處。
運動學、動力學以及肌電數據采集采用外部觸發的同步采集器實現三者的同步采集。
信息采集與熱身:正式實驗前采集受試者的身高、體重等信息。受試者到實驗室后進行較低負荷自選高度的騎行,熱身15 min。
粘貼肌電塊:按照實驗要求處理皮膚,粘貼電極,最后用醫用敷料進行固定。
鞍座高度設置:本研究采用膝關節角度法設置了3種鞍座高度(Bini et al.,2014),分別為:1)自選高度座高(preferred,P),受試者自己選擇的座高;2)較低高度座高(low,L),自選高度時的膝關節角度增加15°;3)較高高度座高(high,H),自選高度時的膝關節角度減小15°。3種座高的采集順序是隨機的。采用角度器測量踏板位于下死點時,大轉子、膝關節外側髁、外踝三點連線的角度,此角度為膝關節角度(Tamborindeguy et al.,2011)。
正式實驗:正式實驗為固定踩踏頻率(60 rpm)、負荷(1 kg)、3種座高的騎行。每種座高受試者騎行3 min,當受試者進入穩定狀態后[踩踏頻率固定在60 rpm(Lowe et al.,2004)],采集穩定狀態下10個連續踩踏周期的數據。
1.4.1 下肢各肌肉活動強度、持續時間
肌電信號按照該肌肉在所有測試條件下肌電均方根振幅(root mean square,RMS)的最大值進行標準化處理(Ryan et al.,1992)。本研究中各肌肉激活開始和結束時刻的截取標準是測試條件下肌肉激活達到該條件下激活最大值的10%,如10%不適用時,則調整為20%(Baum et al.,2003),并以此計算得到各肌肉活動持續時間。
1.4.2 下肢單關節與其雙關節拮抗肌共激活
選取股直肌/臀大肌、股二頭肌/股內側肌、腓腸肌內側/股內側肌和腓腸肌內側/脛骨前肌分別代表跨過髖、膝和踝關節的四對拮抗肌(O’Bryan et al.,2014),拮抗肌共激活計算方法(Silva et al.,2015):

1.4.3 踏板力和有效力
本研究中對踏板力(pedal force,PF)、有效力(effective force,EF)、踩踏期與提拉期定義如圖1所示,有效力為踏板力在垂直于踏板軸方向的分力,TDC(top dead center)為上死點,BDC(bottom dead center)為下死點,從 TDC到BDC這段騎行周期定義為踩踏期,從BDC到TDC這段騎行周期定義為提拉期。

圖1 踏板力和有效力以及騎行周期定義圖Figure 1.Diagram of One Complete Cycle and Definition of Pedal Force and Effective Force
采用Visua3D TM(Visual3D v5)對Vicon運動學數據、Kislter測力腳蹬三維力學數據進行處理,實現腳蹬測力臺坐標系轉換,獲取踏板力,并通過三角函數獲取有效力。原始的運動學與動力學信號采用Butter-worth四階數字低通濾波器濾波,運動學截止頻率為6 Hz,動力學截止頻率為50 Hz(Bini et al.,2010)。
各樣本數據的正態分布用Shapiroe-Wilk進行檢驗,采用Levene’s檢驗各樣本方差齊性。采用單因素重復測量多元方差分析(One-way repeated measues of ANOVA)觀察座高對關節角度、踏板力以及肌電活動各因變量的影響,若Wilks’Lambda多重檢驗具有顯著性,則采用ANOVA(One-way repeated measues of ANOVA)進行事后比較,并采用LSD post-hoc檢驗進行事后兩兩比較,以此確定差異具體來自哪兩種水平。統計顯著性水平設為P<0.05,本研究數據全部采用統計軟件SPSS 21.0(IBMS,NY,USA)進行處理。各指標均采用均值±標準差(M±SD)表示。
多元方差分析檢驗顯示,Wilks’Lambda<0.001,F(36,2)=70.36,P<0.001,表示鞍座高度變化對下肢運動學及各肌肉肌電RMS等參數的影響具有顯著性。從圖2 EMG曲線隨座高變化看,座高對肌肉活動具有影響,尤其是采用較高高度座高騎行時,肌肉活動明顯區別于其他兩種座高,部分肌肉肌電振幅明顯增加,脛骨前肌的活動模式發生了改變,在騎行的踩踏期出現了激活。

圖2 3種座高騎行時下肢肌肉肌電振幅曲線Figure 2.EMGAmplitude Curves in the Three Saddle Heights during Cycling
單因素重復測量方差分析顯示,鞍座高度變化影響了 臀 大 肌[F(1.24,11.23)=11.68,P=0.004]、半 腱 肌[F(2,18)=6.29,P=0.009]、股二頭肌長頭腱[F(2,18)=5.76,P=0.012]、股內側肌[F(2,18)=4.36,P=0.029]、腓腸肌外側頭[F(2,18)=9.11,P=0.002]、腓腸肌內側頭[F(2,18)=8.87,P=0.002]、比目 魚 肌[F(1.25,18)=4.296,P=0.034]和 脛 骨 前 肌[F(2,18)=7.36,P=0.005]的RMS。鞍座高度變化沒有影響股直肌[F(2,18)=0.93,P=0.411]與股外側肌[F(2,18)=0.77,P=0.475]的RMS(表1)。

表1 3種座高騎行時下肢肌肉肌電均方根振幅Table 1 RMS of Lower Extremity EMG in the Three Saddle Heights during Cycling %Max
LSD post-hoc檢驗顯示,較低高度座高與自選高度座高間股內側肌、比目魚肌的RMS差異均具有顯著性(P<0.05),其他肌肉的RMS差異不具有顯著性(P>0.05);較低高度座高與較高高度座高間的臀大肌、半腱肌、股二頭肌長頭腱、股內側肌、腓腸肌外側頭、腓腸肌內側頭和脛骨前肌差異均具有顯著性(P<0.05),其他肌肉的RMS差異不具有顯著性(P>0.05);自選高度座高與較高高度座高間的臀大肌、股二頭肌長頭腱、股內側肌、腓腸肌外側頭、腓腸肌內側頭和脛骨前肌差異均具有顯著性(P<0.05),其他肌肉的RMS差異不具有顯著性(P>0.05)。
單因素重復測量方差分析顯示,鞍座高度對臀大肌[F(2,18)=6.35,P=0.008]、半腱肌[F(2,18)=6.18,P=0.010]、股直肌[F(2,18)=5.10,P=0.018]、股內側肌[F(2,18)=4.19,P=0.031]、腓腸肌內側頭[F(1.53,13.73)=5.80,P=0.011]、腓腸肌外 側 頭[F(2,18)=4.21,P=0.031]和 比 目 魚 肌[F(1.53,13.73)=7.25,P=0.005]的激活時刻產生了影響。但對股二頭肌長頭腱[F(2,18)=0.58,P=0.570]、股外側肌[F(2,18)=0.37,P=0.692]和脛骨前肌[F(2,18)=0.51,P=0.613]沒有影響。LSD post-hoc檢驗顯示,較低高度座高與自選高度座高間的肌肉激活時刻無顯著性差異(P>0.05),較高高度座高與其他兩種座高間的臀大肌、半腱肌、腓腸肌內側頭、腓腸肌外側頭、比目魚肌的激活時刻具有顯著性差異(P<0.05,圖3)。

圖3 3種鞍座高度騎行時下肢肌肉激活、去激活以及活動持續時間Figure 3.Mean Onset,Offset,and Duration of Lower Extremity EMG in the Three Saddle Height during Cycling
在肌肉活動去激活時刻 ,臀大肌[F(2,18)=5.71,P=0.012]、半腱肌[F(2,18)=16.25,P<0.001]、股二頭肌長頭腱[F(2,18)=14.87,P<0.001]、股直肌[F(2,18)=3.96,P=0.038]、比目魚肌[F(2,18)=5.06,P=0.018]受到座高影響,但股內側肌[F(2,18)=1.55,P=0.240]、股 外 側 肌[F(2,18)=0.67,P=0.52]、腓腸肌內側頭[F(2,18)=0.74,P=0.49]、腓腸肌外側頭[F(2,18)=0.69,P=0.51]、脛骨前肌[F(2,18)=2.66,P=0.10]沒有受到影響。較低高度座高與自選高度座高間的臀大肌、半腱肌、股二頭肌長頭腱、股直肌、股內側肌的活動去激活時刻具有顯著性差異(P<0.05),較高高度座高與其他兩種座高間的臀大肌、半腱肌、比目魚肌的活動去激活時刻具有顯著性差異(P<0.05)。
臀大肌[F(2,18)=7.94,P=0.003]、半腱肌[F(2,18)=11.91,P=0.001]、股二頭肌長頭腱[F(2,18)=10.67,P=0.001]、股直肌[F(2,18)=3.73,P=0.043]、腓腸肌內側頭[F(2,18)=6.60,P=0.007]和比目魚肌[F(2,18)=3.80,P=0.042]的活動持續時間受到座高影響,但股內側肌[F(2,18)=1.40,P=0.272]、股外側肌[F(2,18)=1.83,P=0.182]、腓腸肌外側頭[F(2,18)=2.66,P=0.091]和脛骨前肌[F(2,18)=0.55,P=0.593]的活動時間沒有受到座高的影響。較低高度座高與自選高度座高間的臀大肌、半腱肌、股二頭肌長頭腱、股直肌、比目魚肌的活動持續時間具有顯著性差異(P<0.05),較高高度座高與其他兩種座高間的臀大肌、半腱肌、腓腸肌內側頭、比目魚肌等肌肉的活動持續時間具有顯著性差異(P<0.05)。
研究結果顯示,股二頭肌長頭腱/股內側肌[F(2,18)=12.93,P=0.001]和腓腸肌內側頭/股內側肌[F(2,18)=18.13,P<0.001]的共激活水平隨座高的增加而增加(圖4)。較高高度鞍座騎行時,股直肌/臀大肌具有最小的共激活(P<0.05)。鞍座高度變化沒有影響腓腸肌內側頭/脛骨前肌的共激活(P>0.05)。

圖4 3種鞍座高度騎行時下肢拮抗肌共激活情況Figure 4.Coactivation of Lower Extremity in the Three Saddle Heights during Cycling
研究結果顯示,鞍座高度變化影響了踏板力最大值[F(2,18)=6.66,P=0.007]。3種座高間的踏板力極值差異均具有顯著性(P<0.05)。鞍座高度變化對有效力沒有影響[F(2,18)=2.46,P=0.113](圖 5)。

圖5 3種鞍座高度騎行時的踏板力和有效力Figure 5.Pedal Force and Effective Force in the Three Saddle Heights during Cycling
本研究發現,在較高的鞍座高度下騎行才會導致下肢主要肌群,如臀大肌的活動增大,較少的鞍座高度改變則不會影響肌肉活動。肌肉活動沒有隨鞍座高度的增加而線性增強,這可能與鞍座高度僅影響部分肌肉長度有關。當從較低的鞍座高度開始升高時,部分肌肉逐漸被拉長,通過肌肉力-長度曲線可知,部分肌肉力先增大后減小,表現在本研究中由較低高度座高升高到自選高度座高時,部分肌肉活動沒有受到影響,但當繼續升高時,部分肌肉活動強度增加,可能意味著更多肌纖維的募集。
本研究發現,股內側肌活動隨著座高的增加而減小,股外側肌與股直肌沒有變化。Zajac(2002)的研究發現,臀大肌與股四頭肌活動是騎行能量的主要來源,因此,為完成給定任務(恒定功率),座高增加引起的股四頭肌活動的下降可能通過臀大肌活動的加強來代償。此外,有研究發現,股四頭肌活動的減弱與膝關節屈肌活動的加強有關(Takaishi et al.,1998)。雙關節半腱肌和股二頭肌長頭腱的肌電活動受到座高的影響,研究發現在騎行中,膝關節在最大伸展轉為屈曲階段,股二頭肌活動最劇烈,因此,股二頭肌在被拉長時活動更加劇烈(Verma et al.,2016)。單關節比目魚肌與脛骨前肌肌肉活動也受到座高的影響,但這兩塊肌肉活動并不隨著座高的增加而線性增加,而是先下降后增加。Sanderson等(2006)指出,腓腸肌在肌肉長度較短情況下較少的招募,因此,比目魚肌會被招募用以平衡維持踝關節力矩所需的肌肉力,這可以解釋為何比目魚肌在較低高度座高時活動要強于自選高度座高。
股外側肌沒有受到座高變化的影響,這可能是由于騎行中股外側肌的主要功能是作為協同肌協助股直肌固定關節,維持力的傳遞方向(Watanabe et al.,2009)。
結果顯示,升高鞍座高度臀大肌、半腱肌以及股二頭肌長頭腱等肌肉活動持續時間增加。Neptune等(1999)研究發現,騎行速度的增加可以引起部分肌肉激活時間提前,其目的是保障在騎行的特定區域產生力。Bennett等(1992)研究發現,技能動作越熟練,肌肉活動的幅度與持續時間會降低。因此,本研究中鞍座高度由較低高度座高升高到自選高度座高時,下肢部分肌肉的激活、去激活以及持續時間變化較小,應與采用自選高度座高騎行時動作最熟練有關,但繼續升高鞍座高度后,由于動作不熟練,導致大部分下肢肌肉的激活時間提前,去激活時間延后,肌肉活動的持續時間變長。
本研究發現,鞍座高度對跨過髖關節肌肉活動時序的影響較大,尤其是采用較高高度座高騎行時肌肉活動時序變化最大。通常臀大肌活動范圍從上死點附近開始到大約130°結束(Dorel et al.,2008),這與本研究一致。采用較高高度座高騎行時,髖關節活動范圍增大,臀大肌作為伸髖的主要肌肉必然會延長收縮時間,以保證髖關節伸展到所需要的范圍,因此其去激活以及持續時間增加。
本研究中鞍座高度對股四頭肌活動時序的影響僅見于股直肌,且僅改變了股直肌活動的開始時間。Dorel等(2008)發現,股直肌活動從270°開始到120°~130°結束,與本研究一致。股直肌在提拉期激活與其雙關節肌可以屈髖功能有關(Da Silva et al.,2016)。股內側肌與股外側肌活動時序沒有受到座高的影響,這可能與其僅跨過膝關節,座高變化對這兩塊肌肉長度的影響被髖關節與踝關節活動所代償有關。鞍座高度對跨過踝關節的肌肉活動時序的影響也較大。座高升高后,腓腸肌內側頭、腓腸肌外側頭和比目魚肌活動的開始時間都提前,這與座高的增加引起踝關節活動范圍增加,三塊肌肉積極跖屈有關(Sanderson et al.,2009)。此外,本研究發現,采用較高高度座高騎行時,部分受試者脛骨前肌在騎行的踩踏期出現激活。袁鵬等(2008)的研究發現,隨著踩踏頻率的增加,腓腸肌活動的持續時間顯著增加主要目的是保證高效的能量傳遞。而脛骨前肌在踩踏期出現激活主要是協調腓腸肌的傳遞機制,同時與防止膝關節過伸有關(Suzukia et al.,1982)。
結果顯示,升高鞍座高度股二頭肌長頭腱/股內側肌和腓腸肌內側頭/股內側肌的共激活線性增加,股直肌/臀大肌的共激活在較高高度座高騎行時最小,腓腸肌內側頭/脛骨前肌的共激活沒有受到座高的影響。
O’Bryan等(2014)對10名非專業騎行者騎行中的肌肉共激活研究發現,股直肌/臀大肌、股二頭肌長頭腱/股內側肌、腓腸肌內側頭/股內側肌以及腓腸肌內側頭/脛骨前肌的共激活水平經過力竭性沖刺后都不同程度地下降,雖然其研究目的與本研究不同,但其對拮抗肌共激活在力竭前的水平與本研究結果基本一致。本研究發現,股直肌/臀大肌的共激活在較高高度座高騎行時最小,這與座高增加后臀大肌活動加強而股直肌沒有變化有關。Hug等(2009)認為,共激活水平的降低不能說明騎行效率的增加,相反本研究認為,采用較高高度座高騎行,股直肌/臀大肌共激活的降低會導致髖關節能量傳遞下降。
Li(2004)發現,膝關節伸肌與屈肌的共激活主要作用是保證力的傳遞。Aagaard等(2000)指出,膝關節拮抗肌間的共激活對于固定膝關節具有重要作用。王勇等(2018)的研究發現,隨著鞍座高度的增加膝關節間壓力減小。這說明本研究中股二頭肌長頭腱/股內側肌、腓腸肌內側頭/股內側肌共激活隨座高的增加而增加有助于穩定關節、減小關節壓力,同時為了代償由于股內側肌活動減弱、股直肌/臀大肌的共激活降低導致傳遞能量能力的下降,對于維持恒定功率輸出起到重要作用。
踝關節的作用是將髖、膝關節產生的力傳遞到踏板,在這種情況下,踝關節在通過上死點后由于受到踏板反作用力的作用,必須要保持一定的剛度或者積極的跖屈確保力的傳遞(Sanderson et al.,2009)。腓腸肌內側頭/脛骨前肌的共激活能夠在必要時增加對膝關節屈曲的控制,使其能夠在提拉期將踏板控制在水平位置,這是保持踝關節剛度的一種策略,目的通常是控制力的傳導方向(Sanderson et al.,2009;Zajac,2002)。因此,本研究中腓腸肌內側頭/脛骨前肌的共激活沒有受到座高的影響,應與其保持一定剛度控制力的傳導方向有關。
本研究發現,升高鞍座高度踏板力線性減小,但沒有影響有效力。這一發現與Ericson等(1988)和Bini等(2014)的研究相似。
有研究認為,踏板力的變化與肌肉(肌肉力)和非肌肉成分(慣性力)變化有關(Fregly et al.,1996),但在本研究中騎行頻率固定,因此,這種變化主要來自于肌肉(Bini et al.,2014)。Zajac(2002)發現,股四頭肌活動與踏板力變化有直接關系,而臀大肌活動主要是加速腿部活動,對踏板力影響很小(Kautz et al.,2002)。據此,鞍座高度升高時,踏板力的降低應與股四頭肌活動減弱有關。
本研究發現,固定功率騎行時,有效力沒有受到座高的影響。Zajac(2002)的研究發現,對有效力貢獻最大的肌肉為比目魚肌與腓腸肌,比目魚肌與腓腸肌的協同收縮保證了臀大肌與股肌產生的能量能夠順利地傳遞到曲柄上。有效力方向是垂直于曲柄軸的,座高改變后下肢關節角度的變化對踏板力的方向影響很大(Kautz et al.,2002)。因此,腓腸肌內側頭與脛骨前肌的共激活更多的是保證力的傳導方向,以維持恒定功率。
恒定功率騎行時,鞍座高度影響了下肢肌肉活動,踏板力隨著座高增加而減小,與股四頭肌活動隨著座高的增加而減小有關,腓腸肌內側與脛骨前肌的共激活對于保證力的傳導方向、維持恒定功率騎行起著重要作用。采用過高的座高騎行可能增加下肢部分肌肉活動的持續時間。因此,不建議采用過高的座高進行長距離騎行。
盡管本研究探討了肌肉協調與踏板力之間的關系,但是采用的某些判定肌肉協調的指標與踏板力抑或是有效力之間的關系并不是完全的因果關系,因此,踏板力變化的原因還有待進一步探討。此外,本研究采用的表面肌電測量的肌肉肌電活動,對于深層肌肉的活動無法得到。針對上述兩個問題,今后應使用更加先進的肌電測試儀器或者利用人體仿真學的知識更加系統地分析肌肉協調對踏板力的影響。