張 延 申晉波.武漢生物工程學(xué)院，湖北 武漢 43045；.運(yùn)城學(xué)院，山西 運(yùn)城 044000

電機(jī)械延遲推算法在運(yùn)動(dòng)中的實(shí)證研究

張 延1申晉波2
1.武漢生物工程學(xué)院，湖北 武漢 430415；
2.運(yùn)城學(xué)院，山西 運(yùn)城 044000

電機(jī)械延遲（EMD）是動(dòng)作反應(yīng)時(shí)的組成部分，常被用來評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)員神經(jīng)肌肉功能狀態(tài)。通常情況下測(cè)定EMD值需要復(fù)雜昂貴的裝置，LiLi等人設(shè)計(jì)了一種新方法來測(cè)定EMD，此方法對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的需求較低。本文通過對(duì)這種方法的分析指出了其中的問題和不足，并提出了改進(jìn)措施。

電機(jī)械延遲 反應(yīng)時(shí) 肌電圖

20世紀(jì)60年代，學(xué)者Alfred Weiss應(yīng)用肌電圖方法分析人體動(dòng)作，將動(dòng)作的反應(yīng)發(fā)生時(shí)間分為2個(gè)部分，即人體接受刺激（聲、光等）到肌肉興奮開始放電時(shí)間和從肌肉興奮到產(chǎn)生機(jī)械收縮的時(shí)間，兩者又被稱為動(dòng)作前時(shí)（pre-motor time，PMT）和電機(jī)械延遲（electromechanical delay，EMD）。從EMD發(fā)生的生理學(xué)機(jī)制看，EMD反映了電化學(xué)過程（即突觸傳遞、動(dòng)作電位傳播和興奮收縮偶聯(lián)）和機(jī)械過程（即主動(dòng)被動(dòng)狀態(tài)下的串聯(lián)彈性元件的收縮）。據(jù)研究，EMD數(shù)值的長(zhǎng)短受年齡、性別、遺傳以及纖維類型等因素的影響[1]，此外，它還與運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練[2]以及肌肉疲勞[3]等密切相關(guān)。

目前，EMD已成為評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)員神經(jīng)肌肉功能狀態(tài)非常重要的指標(biāo)。尤其是EMD與肌纖維類型相關(guān)關(guān)系，已引起運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域的高度重視[4]，今后有望用EMD的測(cè)試取代對(duì)人體有損的肌肉活檢判斷肌纖維百分比的測(cè)量方法，為早期選材提供依據(jù)。

通常EMD值的測(cè)量需要精確的力量測(cè)定裝置和肌電圖檢測(cè)技術(shù)，而且需要兩種裝置的同步連接以及相應(yīng)的刺激裝置，設(shè)備昂貴、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)復(fù)雜，不宜廣泛應(yīng)用。LiLi等人[5]在2004年提出了一種測(cè)定EMD的新方法，此方法無需昂貴復(fù)雜的力學(xué)測(cè)試儀器及實(shí)驗(yàn)，只需進(jìn)行不同頻率的功率車蹬踏并配合肌電圖即可推算出EMD，作者的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有特殊性，本文特此介紹并加以評(píng)述。

1 理論依據(jù)

1.1 EMD在運(yùn)動(dòng)中相對(duì)恒定

EMD與許多因素有關(guān)，比如肌纖維類型(與快肌纖維百分比呈負(fù)相關(guān))，年齡（兒童和老人EMD長(zhǎng)于成人），遺傳，疲勞（疲勞后EMD延長(zhǎng)），肌肉本身狀態(tài)，病理原因（如腦癱病人的EMD相對(duì)較短）等[4,8]，但是某塊特定肌肉的EMD值只受兩個(gè)因素影響：（1）、肌肉收縮拉長(zhǎng)串聯(lián)彈性成分（SEC）的時(shí)間。（2）、興奮-收縮偶聯(lián)的時(shí)間。能影響以上兩點(diǎn)的因素才能影響到EMD。從此，我們可以推論出，某快肌肉在固定模式的運(yùn)動(dòng)中，假定其沒有疲勞的情況下，其EMD值是相對(duì)恒定的[6,7]。

1.2 動(dòng)力激活假說（activation dynamics hypothesis）

介紹這一假說之前，先來看一下一些關(guān)于自行車的知識(shí)。如圖片所示，此圖片為車座及車蹬簡(jiǎn)化圖，將自行車曲柄運(yùn)動(dòng)的區(qū)域分成不同的相功能區(qū)，上死點(diǎn)（TDC，top-dead-center）被定為圓周最高點(diǎn)，圓周按功能可分為E伸區(qū)，F(xiàn)屈區(qū)；又或分為T上區(qū)，B下區(qū)。為了定位方便將TDC固定為圓周最高點(diǎn)，而實(shí)際運(yùn)動(dòng)中，上、下死點(diǎn)位置并非固定不變的。腳踏連接的部位是稱為曲柄，曲柄與TDC之間的角度稱為曲柄角。圖中所示右曲柄在超過TDC90°的位置，即曲柄角度為90°。

動(dòng)力激活假說是Neptune等[9]在研究自行車在不同頻率蹬踏運(yùn)動(dòng)時(shí)提出的，該假說認(rèn)為：以不同頻率蹬車時(shí)，肌肉活動(dòng)的變化主要是由于動(dòng)力激活的相位提前造成的，并非肌肉功能發(fā)生改變?？梢赃M(jìn)一步解釋為，無論蹬踏頻率大小，機(jī)械輸出（即力的結(jié)果）都應(yīng)該在相同的曲柄角度出現(xiàn)，而與之相應(yīng)的肌電活動(dòng)隨著蹬踏頻率的遞增應(yīng)該發(fā)生于更早的曲柄角度，即曲柄出現(xiàn)相位的提前。

舉例說明，假定EMD為60ms，臀肌在曲柄處于90°（相對(duì)于上死點(diǎn)）時(shí)產(chǎn)生力矩，此時(shí)若蹬踏頻率為每分鐘60轉(zhuǎn)（即角速度ω為360°/s），可推斷出產(chǎn)生肌電時(shí)曲柄角度應(yīng)該比產(chǎn)生力矩的角度提前21.6°（60ms×360°/1000ms＝21.6°），應(yīng)該在68.4°時(shí)產(chǎn)生。若此時(shí)蹬踏頻率提升至每分120轉(zhuǎn)，角速度ω變?yōu)?30°/s，從假說推論，臀肌產(chǎn)生力矩的曲柄角度不變，仍為90°，同時(shí)EMD也不變，仍為60ms，而此時(shí)肌電起始的角度則提前了43.2°（60ms×720°/1000ms＝43.2°），在46.8°時(shí)產(chǎn)生。

2 公式推導(dǎo)

LiLi等人的實(shí)驗(yàn)把EMD恒定假說和動(dòng)力激活假說結(jié)合起來，提出了一個(gè)無需測(cè)力的EMD新測(cè)算方法。將蹬車過程中肌肉收縮活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)（開始、結(jié)束和峰值）可用與之相關(guān)的曲柄角度θF來代表，θEMG是與之相關(guān)的肌電信號(hào)出現(xiàn)時(shí)的曲柄角度，EMD是電機(jī)械延遲，ω是角速度，根據(jù)Neptune等人[9]和Marsh等人[10]的研究，可以提出一個(gè)基本公式：

進(jìn)一步可變形為：

根據(jù)公式2，代入不同踏速ω1和ω2 ，可得：

EMD×ω1＝ θF1 － θEMG1

EMD×ω2＝ θF2 － θEMG2

EMD是相對(duì)恒定的，而根據(jù)動(dòng)力激活假說，θF1和θF2是一致的，所以可推導(dǎo)出：

通過公式（3），進(jìn)行兩種不同頻率的蹬踏，并記錄下各自肌電活動(dòng)發(fā)生時(shí)的曲柄角度，便可以計(jì)算出EMD。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析

為了方便之后的討論，有必要將該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)控制和數(shù)據(jù)采集方法簡(jiǎn)單敘述一下。

實(shí)驗(yàn)選取16名大學(xué)生受試者，選擇左腿脛骨前肌和比目魚肌為測(cè)試對(duì)象，在兩塊肌肉上貼上兩塊間距2cm的銀/氯化銀電極以記錄肌電數(shù)據(jù)。功率自行車恒定功率為250W，阻力隨蹬踏頻率變化而調(diào)整。坐高設(shè)定為受試者（站姿）100%大轉(zhuǎn)子高度。

選取60、80、100rpm代表低中高頻率。受試者的測(cè)試順序都隨機(jī)化以減少可能發(fā)生疲勞和學(xué)習(xí)效應(yīng)等影響。每次測(cè)試，受試者要先蹬一分鐘左右來達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后采集10s數(shù)據(jù)。每個(gè)頻率測(cè)試五次。通過運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算每次測(cè)試的平均頻率。受試者每次測(cè)試后至少休息1分鐘，每三次測(cè)試后額外多休息5分鐘以避免疲勞。

運(yùn)動(dòng)學(xué)及肌電圖數(shù)據(jù)都將被一個(gè)同步的運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)采集下來，該系統(tǒng)通過一個(gè)2D、60Hz的攝像頭拍攝反射標(biāo)記來獲得運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，并通過Run Technologies EMG系統(tǒng)獲得肌電信號(hào)數(shù)據(jù)。反射標(biāo)記被放置在曲柄中心和車腳蹬軸來表示出曲柄臂，以便識(shí)別曲柄位置及計(jì)算平均蹬踏頻率。這些標(biāo)記的坐標(biāo)被攝像頭記錄下來并通過運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)。

肌電數(shù)據(jù)采樣率為960Hz，采用7Hz的低通無延遲濾波器將肌電信號(hào)平滑為線狀。所有受試者的肌電信號(hào)都要跟各自最大值對(duì)比定標(biāo)。這時(shí)可測(cè)得三個(gè)獨(dú)立參數(shù)：開始、結(jié)束及峰值肌電。肌電開始和結(jié)束的閾值定為最大值的20%，當(dāng)達(dá)到指定閾值時(shí)，肌肉就被認(rèn)為處于活動(dòng)狀態(tài)。[11]

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

從三種不同踏速中計(jì)算出的EMD值經(jīng)方差檢驗(yàn)無明顯差異。所得脛骨前肌和比目魚肌EMD均值分別為68.1和88.7ms，EMD值在之前文獻(xiàn)提出的正常范圍內(nèi)（30-100ms）[12]，T檢驗(yàn)揭示兩者之間有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，且比目魚肌EMD相對(duì)較長(zhǎng)，與前人文獻(xiàn)[13]中提出的比目魚肌比脛骨前肌擁有更高的慢肌纖維百分比相一致。故作者認(rèn)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果是合理的。

5 關(guān)于此研究的一些疑問

5.1 關(guān)于動(dòng)力激活假說

動(dòng)力激活假說是Neptune等[9]在1997年研究自行車在不同頻率蹬踏運(yùn)動(dòng)時(shí)提出的。David McGhie, Gertjan Ettema兩人在2011年做了驗(yàn)證該假說的實(shí)驗(yàn)[14]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨蹬踏頻率的增加，力輸出的相位（即曲柄角度）始終存在著積極的、有特點(diǎn)的變化，但沒有探討這一變化出現(xiàn)的原因。其結(jié)果是與假說相矛盾的。筆者對(duì)比了兩者的實(shí)驗(yàn)方法，發(fā)現(xiàn)兩者在實(shí)驗(yàn)控制上有不同之處：（1）前者的實(shí)驗(yàn)采用了自鎖腳蹬，該裝備可將鞋與腳蹬連在一起，使受試者在一側(cè)下肢蹬踏時(shí)另一側(cè)下肢可進(jìn)行提拉，從而在踏蹬周期中任何一點(diǎn)都有做功力的存在，包括上下死點(diǎn)[15]。而后者的實(shí)驗(yàn)沒有采用這一裝備。（2）兩者的實(shí)驗(yàn)對(duì)受試者騎車姿勢(shì)均未做要求，受試者按自己喜好調(diào)節(jié)座高、姿勢(shì)等。在騎行過程中，人和車有五處接觸—車座、兩個(gè)車把和兩個(gè)踏板，這五個(gè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置關(guān)系決定了騎行姿勢(shì)，產(chǎn)生了座高、座管角、上體角度、曲柄長(zhǎng)度以及足在踏板上的位置等諸多參數(shù)。這些參數(shù)都或多或少會(huì)引起一些人體解剖姿勢(shì)和生理機(jī)能上的變化。一般的關(guān)于自行車的研究都是研究其中一個(gè)或幾個(gè)因素，其余的作為常量。兩者對(duì)此都沒有足夠重視，這很可能是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同的原因。

G. Sarre和R. Lepers兩人也在2007年做了一個(gè)驗(yàn)證EMD蹬踏測(cè)定法的實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨蹬踏頻率的遞增，峰值力矩的曲柄角度提前，并提出應(yīng)考慮這一峰值力矩變化原因以改進(jìn)EMD蹬踏測(cè)定法。在對(duì)比了其實(shí)驗(yàn)方法后發(fā)現(xiàn)，其實(shí)驗(yàn)同樣沒有控制蹬車的各姿勢(shì)參數(shù)，而Li等人的實(shí)驗(yàn)則采用了100%大轉(zhuǎn)子站姿長(zhǎng)作為座高。不同座高對(duì)自行車運(yùn)動(dòng)員下肢工作狀態(tài)必然有影響[15]，很可能就是這一因素導(dǎo)致了兩者的不同。

總之，動(dòng)力激活假說是該方法的理論基礎(chǔ)，希望今后的研究能在嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上對(duì)該假說進(jìn)行驗(yàn)證。

5.2 蹬踏自行車時(shí)的圓滑度

前蘇聯(lián)自行車運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練專家B.B.吉莫申科夫通過長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)，自行車運(yùn)動(dòng)員在圓周踏蹬過程中，牙盤各點(diǎn)瞬間角速度越趨向恒定，越有利于運(yùn)動(dòng)員體能的發(fā)揮，并首先提出“圓滑度”概念，應(yīng)用“圓滑度”來評(píng)定運(yùn)動(dòng)員踏蹬技術(shù)的優(yōu)劣。從“圓滑度”可以得知，自行車蹬踏時(shí)并非是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，曲柄在不同位置時(shí)由于下肢關(guān)節(jié)角度不同和蹬踏角度不同導(dǎo)致“有效力”不同，在曲柄旋轉(zhuǎn)一周的過程中，其角速度是不均勻的。鄭曉鴻[16]等研究了我國(guó)女子優(yōu)秀場(chǎng)地自行車運(yùn)動(dòng)員的踏蹬狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)圓滑度與訓(xùn)練水平有很大關(guān)系，且受蹬踏頻率

影響，在100~130rpm時(shí)圓滑度較好，低于此頻率則逐漸變差，在85rpm以下時(shí)圓滑度極差。Li等人的實(shí)驗(yàn)采用60、80和100rpm的頻率，且受試者非專業(yè)運(yùn)動(dòng)員，可推知其蹬踏圓滑度應(yīng)該不高。

Li等人的EMD蹬踏測(cè)試法假定蹬踏是勻速圓周運(yùn)動(dòng)，公式中的參數(shù)角速度ω是通過蹬踏頻率計(jì)算出的，是曲柄旋轉(zhuǎn)一周的平均角速度。由于圓滑度低，蹬踏時(shí)實(shí)際角瞬時(shí)速度ω'必然與計(jì)算出的平均角速度ω不同，也就是說，從產(chǎn)生肌電至產(chǎn)生力矩這一時(shí)段的平均角速度與通過蹬踏頻率計(jì)算出的平均角速度之間是有差異的。這一差異必然會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生誤差。建議測(cè)試方法加以改進(jìn)，采用更高的蹬踏頻率以提高圓滑度，減少誤差。

6 結(jié)語(yǔ)

希望今后的研究能在嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上對(duì)動(dòng)力激活假說及EMD蹬踏測(cè)定法進(jìn)行驗(yàn)證。需要控制的實(shí)驗(yàn)條件有座高、座管角、上體角度、曲柄長(zhǎng)度以及足在踏板上的位置等諸多可能影響下肢關(guān)節(jié)角度和生理機(jī)能變化的參數(shù)。

雖然文獻(xiàn)提出的EMD蹬踏測(cè)定法存在一些問題，但仍不失為一個(gè)很好的思路，就如同作者LiLi在文獻(xiàn)中所述，此方法無需昂貴復(fù)雜的力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，提供了一個(gè)研究神經(jīng)肌肉特性的新途徑。

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A Empirical Research of Electrical Machinery Delay Calculation Methods in Sport Evaluation

Zhang Yan1Shen Jinbo2
(1.Wuhan Institute of Bioengineering, Wuhan Hubei 430415, China; 2. Yuncheng University, Yuncheng Shanxi 044000, China)

Electromechanical delay (EMD) is a part of the reaction time, is often used to calculate athletes neuromuscular functional status. Though testing the value of EMD needing complex device, Li Li and his fellows proposed a new method that can be used to calculate electromechanical delay (EMD) with less complex device. The paper analyzes the problems and shots of Li’s method, and puts forward suggestions and solutions for the method.

Electromechanical delay Reaction time electromyography

G812

A

2096—1839（2016）08—0131—04

1.張 延(1986~),男,碩士,助教。研究方向:運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)。