李月， 趙欲曉， 李鑫

(北京服裝學(xué)院 服裝藝術(shù)與工程學(xué)院，北京 100029)

騎行運(yùn)動中女性腿部表面肌電反應(yīng)

李月， 趙欲曉*， 李鑫

(北京服裝學(xué)院 服裝藝術(shù)與工程學(xué)院，北京 100029)

表面肌電指標(biāo)定量可以反映女性腿部騎行過程對肌肉活動狀態(tài)和功能狀態(tài)的影響程度。選取10名年齡在18～25歲之間，專業(yè)或體育訓(xùn)練不低于兩年的女性為實驗對象，完成靜止、熱身運(yùn)動、正常運(yùn)動(負(fù)荷為40，60，80，100，120和140 W的6個階段)、放松運(yùn)動、靜止共計10個階段的測試，同時采集臀大肌、股直肌、股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、股二頭肌、脛骨前肌、腓腸肌、比目魚肌等8塊肌肉群的肌電信號；通過時域法和頻域法探討女性腿部在整個騎行運(yùn)動過程肌肉的發(fā)力程度和疲勞程度，為女性騎行褲在運(yùn)動實踐的設(shè)計應(yīng)用提供理論依據(jù)。

女性腿部表面肌電；疲勞度；騎行褲

騎行作為健康、時尚、綠色的戶外健身運(yùn)動已得到越來越多女性騎行愛好者的青睞。在騎行運(yùn)動過程中下肢為主要運(yùn)動部分，上肢起到支撐身體的作用。長時間運(yùn)動會使腰臀部、腿部疼痛產(chǎn)生不適，因此在騎行服設(shè)計中騎行褲的設(shè)計尤其重要[1-2]。人體的運(yùn)動系統(tǒng)是由肌肉收縮帶動骨骼關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，因此在一定程度上可以認(rèn)為，肌肉收縮是人體活動的動力來源[3]。表面肌電信號是神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的生物電信號變化在皮膚表面加以引導(dǎo)、放大，記錄和顯示所得到的一維時間序列信號，它能在非損傷狀態(tài)下實時、準(zhǔn)確反映肌肉活動和功能的規(guī)律狀態(tài)。騎行時肌肉的規(guī)律狀態(tài)很重要，可以使車手們以最小的肌力維持運(yùn)動[4-5]。目前，國內(nèi)關(guān)于騎行褲的研究主要集中在騎行服的結(jié)構(gòu)設(shè)計和美觀性等方面，并未從人體騎行運(yùn)動時的肌肉勞損符合人體工學(xué)的角度出發(fā)探討如何設(shè)計騎行褲。文中旨在運(yùn)用表面肌電圖(sEMG)技術(shù)，探索女性腿部在整個騎行運(yùn)動過程肌肉的發(fā)力程度和疲勞程度，進(jìn)而為女性騎行褲能夠在固定肌肉、舒緩疲勞、降低肌肉損傷、提高運(yùn)動表現(xiàn)等方面提供設(shè)計參考依據(jù)。

1 實驗方法

通常業(yè)余騎行運(yùn)動時間都比較長，而實驗?zāi)M很難操作，所以文中選擇功率車的加阻騎行，使測試在較短的運(yùn)動時間內(nèi)，生理表征指數(shù)達(dá)到長時間的騎行效果。

文中對騎行運(yùn)動中人體下肢肌肉表面肌電信號進(jìn)行采集，通過數(shù)據(jù)分析得出女性在騎行運(yùn)動中腿部表面肌電反應(yīng)，了解女性腿部各肌肉的發(fā)力程度和疲勞程度。

1.1 測試對象

選取10名身體健康的女性，年齡在18～25歲之間，身高165±5 cm，體質(zhì)量55±5 kg，騎行專業(yè)優(yōu)先(或距今體育訓(xùn)練不低于兩年)。

1.2 實驗設(shè)備

Mini Wave Plus型表面肌電測試儀，意大利Cometa公司制造；XC1000型下肢功率車，德國Firma Erosana制造。

1.3 實驗設(shè)計

1.3.1實驗測量點的設(shè)置 通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，分析女性的臀部及腿部的肌肉分布情況。選取主要參與騎行運(yùn)動且易于監(jiān)測的8塊肌肉，即：臀大肌、股直肌、股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、股二頭肌、脛骨前肌、腓腸肌和比目魚肌，且所有點均在右下肢，測試點位置如圖1所示。

圖1 測試點位置Fig.1 Location of test points

1.3.2實驗注意事項 由于sEMG是一種非常復(fù)雜的信號，信號本身非常微弱,穩(wěn)定性較差，隨機(jī)性很強(qiáng)[6]。因此，信號采集時要注意以下事項：①電極位置，檢測電極應(yīng)置于肌腹的中間，盡量遠(yuǎn)離其他肌肉，電極對的方向應(yīng)與肌梭方向平行；②電極對的距離，監(jiān)測電極對之間的距離應(yīng)在2～3 cm；③皮膚阻抗，人體皮膚阻抗高達(dá)10～100 cm2變化范圍很大，皮膚-電極界面的阻抗越大，sEMG的基線就越不穩(wěn)定，運(yùn)動時測得的sEMG就越不精確,因此測量時應(yīng)預(yù)先對皮膚進(jìn)行處理，如去死皮和油脂[7]；④電磁干擾，注意避開手機(jī)電腦充電器及日光燈所產(chǎn)生的交流電信號的干擾。

1.3.3實驗步驟 受試者進(jìn)入氣候控制室，控制室的溫度控制在20±2 ℃，濕度保持(50±2)%。此后受試者在實驗員的幫助下上功率車調(diào)整功率車座位高度，實驗共計10個階段，用時37 min。先靜止2 min；再進(jìn)入適應(yīng)階段(熱身運(yùn)動)，以0負(fù)荷、70 r/min踏頻適應(yīng)2 min；接著進(jìn)入正常運(yùn)動以80 r/min踏頻，分別以40,60,80,100,120和140 W負(fù)荷的順序進(jìn)行騎行，每個階段騎行4 min；然后進(jìn)入放松運(yùn)動，以踏頻70 r/min、功率60 W，騎行4 min；最后靜止5 min。在騎行過程中一人進(jìn)行視頻拍攝和數(shù)據(jù)保存，一人監(jiān)控功率車，直到實驗結(jié)束，具體實驗步驟見表1。

表1 實驗步驟

2 結(jié)果與討論

文中實驗主要是為了獲取騎行運(yùn)動中主要參與運(yùn)動的肌肉部位及肌肉的激活順序、肌肉在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的疲勞度，因此選擇表面肌電信號(sEMG)特征值的提取方法，包括時域法和頻域法。在反映肌肉疲勞度方面，頻域指標(biāo)要優(yōu)于時域指標(biāo)，而時域指標(biāo)在反映肌肉功能活動上更為理想[8-9]。時域法主要包括積分肌電值(iEMG)和均方根值(RMS)，頻域法主要包括平均功率頻率(Mean Power Frequency，MPF) 和中位頻率 (Median Frequency，MF)。實驗前2 min的靜止階段是受試者平復(fù)心情為騎行運(yùn)動做準(zhǔn)備的階段，數(shù)值為0，因此實驗數(shù)據(jù)采集從適應(yīng)階段到靜止共為9個階段。

2.1 sEMG采集

由于采集過程中有交流電的干擾，并且人體肌肉神經(jīng)信號集中在40～400 Hz之間，所以對表面肌電信號進(jìn)行降噪和濾波處理，高通濾波選擇40 Hz值，低通濾波選400 Hz。同時去掉50 Hz及其整數(shù)倍數(shù)的交流電信號。騎行過程是腿部不斷踏蹬的周期性運(yùn)動，得到sEMG信號雖然復(fù)雜但具有周期性，因此選取適應(yīng)階段的前5 s和余下各階段的前30 s表面肌電信號進(jìn)行分析，具體測試結(jié)果如圖2～圖10所示。

圖2 適應(yīng)階段Fig.2 Adaptation phase

圖3 騎行負(fù)荷40 W階段Fig.3 Riding phase with 40 W load

圖4 騎行負(fù)荷60 W階段 Fig.4 Riding phase with 60 W load

圖5 騎行負(fù)荷80 W階段Fig.5 Riding phase with 80 W load

圖6 騎行負(fù)荷100 W階段Fig.6 Riding phase with 100 W load

圖7 騎行負(fù)荷120 W階段Fig.7 Riding phase with 120 W load

圖9 騎行降到60 W階段Fig.9 Riding stage down to 60 W

圖10 靜止階段Fig.10 Stationary phase

由圖2可以看出，在騎行運(yùn)動中肌肉的激活順序依次是臀大肌，股直側(cè)肌，比目魚肌，股外側(cè)肌，股內(nèi)側(cè)肌，腓腸肌，股二頭肌，脛骨前肌。由圖3～圖10可以看出，整個運(yùn)動過程中大腿部分主要肌肉是股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌和股直肌，小腿部分主要是腓腸肌和比目魚肌。

表面肌電信號只能總體了解肌肉的活動狀態(tài)，以下從sEMG的特征值出發(fā)，通過時域分析法和頻域分析法進(jìn)一步了解騎行過程中肌肉的活動狀態(tài)和疲勞程度。由于表面肌電的數(shù)據(jù)采集是連續(xù)性的，所以利用軟件每120 s提取一次數(shù)據(jù)，得到整個騎行過程中10位受試者的iEMG,RMS,MPF,MF值。因為在騎行過程中采集設(shè)備有掉落的情況，所以會出現(xiàn)因個別設(shè)備脫落導(dǎo)致數(shù)據(jù)的突然變化，通過軟件采集的實驗全過程視頻找出這些數(shù)據(jù)并剔除。

2.2 時域分析

積分肌電是指單位時間內(nèi)肌肉放電量的總和，可以反映肌電信號隨時間進(jìn)行的強(qiáng)弱變化。積分肌電值與肌肉活動強(qiáng)度成正相關(guān)[9]，故積分肌電值能說明在運(yùn)動過程中哪塊肌肉為主要發(fā)力肌肉。

均方根振幅用以描述一段時間內(nèi)肌電的平均變化特征,為此段時間內(nèi)所有振幅的均方根值。一般認(rèn)為與運(yùn)動單位募集和興奮節(jié)律的同步化有關(guān)。由于受試者的全過程積分肌電、均方根振幅值變化趨勢相似，故取平均值得到騎行過程中的平均積分肌電變化趨勢和平均均方根值變化趨勢，具體如圖11和圖12所示。

由圖11和圖12可以看出，隨著騎行負(fù)荷逐漸增加，各肌肉的積分肌電值(iEMG)和均方根振幅(RMS)都不斷增加;隨著負(fù)荷的下降，iEMG和RMS值也都下降;靜止時，各肌肉iEMG和RMS值基本相同。

股外側(cè)肌和股直肌的iEMG和RMS值在各階段均明顯高于其他肌肉，其中股外側(cè)肌的iEMG和RMS值最高。股內(nèi)側(cè)肌的iEMG和RMS值在熱身階段及靜止階段偏低，而在正常運(yùn)動階段則都高于除股外側(cè)肌的其他肌肉。腓腸肌、比目魚肌在騎行的熱身階段的iEMG值都高于除股外側(cè)肌之外的其他肌肉，說明在騎行的熱身階段腓腸肌和比目魚肌也是主要發(fā)力肌肉。

圖11 積分肌電平均變化趨勢Fig.11 Average variation of integrated EMG

圖12 均方根振幅值平均變化趨勢Fig.12 Average variation of RMS amplitude

通過以上分析可以了解到，騎行熱身階段股外側(cè)肌、腓腸肌和比目魚肌為主要發(fā)力肌肉；隨著騎行負(fù)荷的不斷增加，股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌和股直肌上升成為主要的發(fā)力肌肉。

2.3 頻域分析

對受試者在騎行過程中每2 min取一個平均功率頻率的值，得到10位受試者的騎行全過程平均功率頻率及平均功率頻率變化率。由于10位受試者在實驗過程中平均功率頻率變化趨勢及變化率基本一致，故取平均值，得到受試者的平均的MPF的變化曲線和MPF變化率曲線，具體如圖13和圖14所示。

由圖13可以看出，在階段2到階段4，各個肌肉的MPF值均有一個下降又有短暫上升的過程，說明在剛開始騎行時肌肉會有一個短暫的疲勞階段，隨著騎行的進(jìn)行，肌肉的疲勞感消失。

由圖14可以看出，臀大肌、腓腸肌、比目魚肌、股內(nèi)側(cè)肌和股直肌在整個騎行過程中的變化率均為負(fù)值，且臀大肌、股內(nèi)側(cè)肌和股直肌在階段8達(dá)到變化率絕對值最大，說明在騎行時這些肌肉容易感到疲勞。其中，臀大肌變化率絕對值最大為26.86%。結(jié)合iEMG和RMS值可以推測應(yīng)該與騎行姿勢有關(guān)，長時間的坐姿會使臀部感到疲勞。其次，股內(nèi)側(cè)肌和股直肌是疲勞度較大的肌肉，應(yīng)該在設(shè)計騎行服時對這兩處肌肉增加壓感以得到保護(hù)，減緩疲勞的感覺。腓腸肌、比目魚肌在階段4時便達(dá)到了負(fù)變化率絕對值的最大值。結(jié)合前面sEMG的分析，得出在騎行剛開始的階段3，腓腸肌和比目魚肌是主要的用力肌肉，隨著騎行負(fù)荷的不斷增加，主要用力肌肉變化，腓腸肌和比目魚肌的疲勞度有所緩解，但在騎行的最后階段，其余肌肉的疲勞度均得到減輕，但是腓腸肌和比目魚肌依舊處于疲勞的狀態(tài)，說明這兩處肌肉的疲勞比較難以恢復(fù)。

圖13 平均功率頻率Fig.13 Average power frequency

圖14 平均功率頻率變化率Fig.14 Average power frequency change rate

股外側(cè)肌在整個騎行過程中都是最主要的用力肌肉，由圖13和圖14可以發(fā)現(xiàn)，股外側(cè)肌肉的MPF值在騎行過程中(不包括靜止階段)的變化并不大，均在10%以內(nèi)，但這并不能說明股外側(cè)肌不會疲勞，應(yīng)該是因為股外側(cè)肌在腿部肌肉中比較發(fā)達(dá)，實驗制定的騎行負(fù)荷還沒有使股外側(cè)肌感受到明顯的疲勞。從最后的靜止階段10，股外側(cè)肌的MPF值明顯增大，也可說明此處肌肉比較發(fā)達(dá)，疲勞感比較容易恢復(fù)。從另一個角度分析，股內(nèi)側(cè)肌的變化規(guī)律和股外側(cè)肌基本相同，說明在騎行過程中股內(nèi)側(cè)肌和股外側(cè)肌每個階段的用力方式相同，只是由于股內(nèi)側(cè)肌并不如股外側(cè)肌發(fā)達(dá)，更容易疲勞。

在騎行過程中，女性腿部肌肉疲勞度規(guī)律：在實驗中設(shè)定的騎行強(qiáng)度下，整個騎行階段肌肉會有一個短暫的疲勞階段，隨著騎行的進(jìn)行，肌肉的疲勞感消失。其中，表現(xiàn)最明顯的是臀大肌；股內(nèi)側(cè)肌和股直肌在騎行過程中疲勞度較明顯，騎行結(jié)束后恢復(fù)比較快；腓腸肌和比目魚肌在騎行過程中不容易感到疲勞，但是在騎行后期疲勞度會增加且在騎行結(jié)束后疲勞感依舊無法恢復(fù)；股外側(cè)肌在騎行的全過程中疲勞度的變化不大，主要是實驗強(qiáng)度較小以及股外側(cè)肌在腿部肌肉中比較發(fā)達(dá)兩方面原因造成的。

3 結(jié)語

騎行褲一般為流線型的緊身服，這樣可減少風(fēng)阻還可以對身體產(chǎn)生一定的壓力。設(shè)計緊身運(yùn)動服裝壓力對處于運(yùn)動狀態(tài)的人體有積極的作用[10-11]，所以在騎行褲的設(shè)計中一般會做一些壓力處理。

1)在騎行過程中，女性下肢肌肉的激活順序是臀大肌、股直側(cè)肌、比目魚肌、股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌、腓腸肌、股二頭肌、脛骨前肌。按此激活順序，在騎行褲設(shè)計時重點給臀大肌、股直側(cè)肌、比目魚肌、股外側(cè)肌等部位按照肌肉走勢加入壓力帶設(shè)計。這樣在運(yùn)動的初始階段，可以喚醒肌肉潛能，從而刺激肌肉爆發(fā)力，提高運(yùn)動的表現(xiàn)。

2)根據(jù)女性腿部肌肉疲勞度規(guī)律以及車手的運(yùn)動強(qiáng)度和運(yùn)動時間，設(shè)計適合車手不同需求的騎行褲。在騎行運(yùn)動中臀部肌肉、股內(nèi)側(cè)肌和股直肌最容易感到疲勞，對于中強(qiáng)度的騎行褲的分割設(shè)計上需要對肌肉施加壓力，起到固定的作用，減少肌肉損傷延緩疲勞。腓腸肌和比目魚肌在運(yùn)動的初期和后期會產(chǎn)生明顯的疲勞，雖然不是主要的發(fā)力肌肉依需在高強(qiáng)度的騎行服設(shè)計上進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訅禾幚?，輔助車手恢復(fù)體能。雖然實驗結(jié)果顯示股外側(cè)肌疲勞度變化較少，由于它是騎行過程中最主要的發(fā)力肌肉，還需在高性能騎行褲的設(shè)計上給予大強(qiáng)度的壓力支撐。

3)通過分析騎行女性腿部的表面肌電信號，可以看出女性腿部各肌肉的發(fā)力程度和疲勞程度，為騎行褲的功能設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。在結(jié)構(gòu)、面料上進(jìn)行壓力設(shè)計，外觀設(shè)計則依據(jù)人體肌肉走勢分割等綜合設(shè)計使騎行褲起到固定肌肉、舒緩疲勞、降低肌肉損傷等作用。只有使運(yùn)動服裝符合人體工學(xué)，才能提高運(yùn)動表現(xiàn)，達(dá)到健康舒適的運(yùn)動效果。

[1] 趙錦. 功能性騎行服設(shè)計研究[J]. 輕紡工業(yè)與技術(shù), 2011, 40(2): 31- 42.

ZHAO Jin.Design research of functional cycling suit[J]. Light and Textile Industry and Technology,2011,40(2):31- 42.(in Chinese)

[2] 劉娜, 王永進(jìn), 史麗敏,等. 騎行褲發(fā)展現(xiàn)狀分析[J]. 紡織科技進(jìn)展. 2016(3): 32-34.

LIU Na, WANG Yongjin, SHI Limin, et al. Analysis of development status of riding pants[J]. Progress in Textile Science and Technology, 2016(3): 32-34.(in Chinese)

[3] 諾伊曼.骨骼肌肉功能解剖學(xué)[M]. 劉穎, 師玉濤, 閆琪,譯.北京: 人民軍醫(yī)出版社, 2014: 4.

[4] 王敏, 錢競光, 王斌, 等.不同頻率下場地自行車運(yùn)動員肌電指標(biāo)與輸出功率的對比研究[J]. 南京體育學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，11 (5): 5-10.

WANG Min, QIAN Jingguang, WANG Bin,et al. Under different frequency bikes athletes muscle electric index and output power of the comparative study[J]. Journal of Nanjing Institute of Physical Education(Natural Science), 2012，11(5): 5-10. (in Chinese)

[5] 趙曉瑞.自行車踏蹬頻率對下肢肌肉機(jī)能狀態(tài)和能量消耗的影響[D]. 北京：北京體育大學(xué)，2016.

[6] 邱青菊. 表面肌電信號的特征提取與模式分類研究[D].上海: 上海交通大學(xué)，2009.

[7] Disselhorst-Klug C，Schmitz-Rode T，Rau G.Surface electromyography and muscle force：limits in sEMG force relationship and new approaches[J].Clinical Biome- chanics，2009，24(3)：225-235.

[8] 吳洪, 冉春風(fēng). 表面肌電圖在運(yùn)動訓(xùn)練中的應(yīng)用[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù),2008, 12(39): 7739-7743.

WU Hong, RAN Chunfeng. Application of surface electromyography during muscle trainings[J]. Journal of Clinical Rehabilitative Tissue Engineering Research，2008,12(39): 7739-7743. (in Chinese)

[9] 王國祥, 黃何平. 等速運(yùn)動過程中肌放電量與肌氧含量的變化特征[J].體育學(xué)刊, 2005, 12(1): 53-55.

WANG Guoxiang, HUANG Heping. Varying characteristics of myoelectric discharge and muscle oxygen content during constant speed movement[J]. Journal of Physical Education, 2005,12(1):53-55. (in Chinese)

[10] Faulkner J A,Gleadon D,McLaren J,et al.Effect of lower-limb compression clothing on 400 m sprint performance[J].Journal of Strength and Conditioning Research, 2013,27(3)：669- 676.

[11] Samuel Beliard, Michel Chauveau, Timothée Moscatiello,et al.Compression garments and exercise:no influence of pressure applied[J].Journal of Sports Sciences and Medicine,2015,14(1):75-83.

ElectromyographicResponseofFemaleLegsMusclesDuringCycling

LI Yue， ZHAO Yuxiao*， LIXin

(School of Fashion Art and Engineering,Beijing Institute of Fashion Technology,Beijing 100029，China)

The surface electromyographic (EMG) quanty reflects the influence of riding process of female leg to muscle activity and functional status. Based on the 10 females whose age are between 18 to 25 years and are professional sports trained or experimental objected not less than two years,ten stages of testing including complete stillness, warm-up exercise, the normal exercise (load for 40,60,80,100,120,140 W six stages), relaxation exercise, stillness were carried out. EMG of eight muscle groups including gluteus maximus, rectus femoris, vastus medialis, vastus lateralis, unit two biceps and anterior tibial muscle and gastrocnemius were collected. The time domain method and frequency domain method were adopted to explore the muscle force and fatigue degree of female leg during the riding processto provide a theoretical basis for the design and application of female riding pants for sports practice.

sEMG of female leg,fatigue degree,riding pants

2017-05-24；

2017-08-10。

北京市教委科技計劃項目(AJ2016-13);北京服裝學(xué)院研究生科研創(chuàng)新項目(X2017-030)。

李月(1991—)，女，碩士研究生。

*通信作者介： 趙欲曉(1971—)，女，副教授，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向為服裝設(shè)計與工程。Email:fzyzyx@bift.edu.cn

TS 941.17

A

2096-1928(2017)05-0377-06

(責(zé)任編輯：邢寶妹)