李 聰，王燕珍，趙華峰

(上海工程技術大學 服裝學院，上海 201620)

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

1. 肌電實驗設計

1.1 實驗目的：

通過勻速騎行狀態(tài)下對腿部肌肉的肌電信號的測試，主要是對腿部體積較大的肌肉組，如股直肌、股二頭肌，股內(nèi)側肌，股外側肌，半腱肌等腿部肌群，研究他們在騎行過程中的肌電變化過程，并對肌電信號進行分析，找出各時間段肌電信號狀態(tài)，對騎行過程的肌肉狀態(tài)進行理論分析，探究肌肉的肌電信號是否是肌肉疲勞的影響因子，對騎行機理進行理論研究【4-5】。

1.2 實驗準備

1.2.1 實驗地點：上海工程技術大學實驗室溫度為30±2℃，濕度為50±5%。

圖1 表面肌電測試系統(tǒng)

1.2.2 實驗人員：實驗技術人員一名，壓力測試者4名。標準體型的成年人四名，身高為169-175，體重為57.5-62.5kg，所有測試者身體和心理狀況良好，下肢狀況良好(無損傷)，且經(jīng)常進行騎行運動。測試前一周需要保持健康的生活規(guī)律，且不要做劇烈運動，并對受試者關于實驗的目的、方法、動作規(guī)范做詳細的講解。待受試者進入試驗室后，先靜坐 10 min，待其狀態(tài)穩(wěn)定后再開始正式試驗。

1.2.3 實驗儀器和軟件

delsys無線表面肌電儀、Delsys表面肌電EMGworks?采集和分析系統(tǒng)，delsys無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)。帶運動偽影抑制的傳感器，可以自由運動，傳感器端直接無線發(fā)射數(shù)據(jù)。接收器可通過USB接口與電腦連接傳輸數(shù)據(jù)，見圖1。

表1 delsys無線表面肌電儀參數(shù)

數(shù)據(jù)采集軟件：Delsys表面肌電EMGworks?采集和分析系統(tǒng)，肌電測量儀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處理和生物力學傳感器信號變得簡單高效。

1.2.4 如圖3是腿部肌肉肌電信號采集點：肌電實驗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)側肌，股外側肌，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 實驗樣褲：實驗樣衣選擇了受眾比較好的騎行服裝迪卡儂騎行愛好者專用騎行短褲，見圖3。

1.2.6 實驗原理：當進行騎行運動時，肌肉會產(chǎn)生肌電信號，表面肌電儀對肌電信號進行采集，經(jīng)過適當?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表格將其圖像信號轉變?yōu)閿?shù)字信號。

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 肌電實驗步驟

在進行肌電實驗前,先讓實驗者到實驗室中休10分鐘,適應新的實驗環(huán)境.

第一步：制定好實驗方案，對每位實驗者進行編號，把實驗過程告知實驗者。每位受試者都按照排好的順序依次進行實驗，試驗后間隔 24 小時后進行下一次實驗。

第二步：下身需要穿著指定實驗用的騎行褲，著運動鞋，實驗對象身上不得佩戴任何飾品。

第三步：根據(jù)肌肉的結構特征，對需要貼電極傳感器的皮膚表面進行定位并用記號筆進行標記，這樣有利于傳感器的貼放，為了實驗數(shù)據(jù)的準確性(防干擾)，需將受試者體表的毛發(fā)剃掉，使用醫(yī)用酒精將測試體表的皮膚進行擦拭，防止皮膚電阻對肌電信號采集過程中的干擾。在傳感器的放置過程中，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，使實驗對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,然后保持這樣的轉速13分鐘。

圖4 肌電傳感器貼點示意圖

第五步： 騎行運動開始后，點擊肌電采集軟件的start按鈕，開始實驗點肌電的記錄，觀察各個肌電的波動圖像。

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

第七步：換#2、#3、#4測試者進行試驗， 直到把所有的騎行褲測試完。

圖5 表面肌電原始數(shù)據(jù)

2. 電信號均方根

將測試的機電信號通過EMG軟件把肌電原始數(shù)據(jù)導入分析。由于測試的時間較長，因此將肌電信號的時間長度分為9段，每段100s，總共900s.通過分段分析每一段的均方根值來分析肌電信號。

表4 九個不同時段均方根大小

根據(jù)上表作圖6 RMS的變化圖。

從圖6可以看出股內(nèi)側肌的RMS值最大，在7-15之間，在騎行過程中其RMS值呈現(xiàn)先增大，后減少的趨勢，也說明了股內(nèi)側肌放電有效值最大。其余四組肌電RMS變化相對比較小，大約在1-6之間。股直肌，股外側肌，股二頭肌的RMS值分別先增大后減小的趨勢，其中股外側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)側肌、股外側肌、股二頭肌、半腱肌都遵循先增大后減小的規(guī)律，說明運動過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)側肌和半腱肌的RMS值變化比較大，說明肌肉放電的有效值變化也比較大。股直肌、股外側肌、股二頭肌RMS值變化比較小【6】。

從下圖不同時間段的肌肉RMS值也可以看出，股內(nèi)側肌的散點分布數(shù)值最大，即機電信號的有效值也是最大，但其點分散比較大，數(shù)據(jù)不集中。股直肌、股外側肌、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)側肌小，另外，股直肌和半腱肌的散點分布比較零散，說明騎行過程肌電信號的有效值不穩(wěn)定，而股外側肌的散點分布比較集中，說明股外側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，其散點分布也比較集中。從結合下圖，可以看出五組肌肉有效值的大小依次為：股內(nèi)側肌>股外側肌>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)側肌、股外側肌、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)側肌、股外側肌、股二頭肌、半腱肌的RMS值的貢獻率分別為18%、39%、18%、10%、15%。由此可見，在騎行過程中，股內(nèi)側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肌均為18%。股二頭肌有效肌電值最小。因此，騎行過程中最重要的肌肉為股內(nèi)側肌、股直肌和股外側肌。股二頭肌對騎行過程影響較小。

圖6 隨時間的推移各部位均方根的變化

3. 騎行褲肌電前、中、后三個時段肌電信號分析

3.1 運動前期

表4 騎行運動前期的起止時間

將肌電信號絕對值化后，在前三分之一的時間里取出相間的兩段時間，記為前段一，前段二(如表4)，經(jīng)過分析，得出五塊肌肉所對應的肌電的起始時間，終止時間，并計算出其相應的肌電持續(xù)時間，在用同樣的方法算出前段二的起始時間，持續(xù)時間，平均開始時間和終止時間，平均持續(xù)時間。放電時間先后表明在騎行運動時肌肉的作用順序。

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

3.2 運動中期

表5 騎行運動中期的起止時間

表6 騎行運動中期的起始時間

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

3.3 運動后期

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)側肌，股外側肌，股二頭肌，半腱肌放電時間高度一致，都是0.45s放電，與中期放電比較一致。放電結束時間為股直肌、半腱肌和股二頭肌。股內(nèi)側肌和股外側肌結束時間最遲。放電持續(xù)時間最長的依然是股直肌，為0.25s，與前期的放電時間減少了一半以上。其次是股直肌和股外側肌，都為0.2s。最后是股二頭肌和半腱肌，放電時間很短，約0.1秒。整體來說放電持續(xù)時間為前期放電時間的47%?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著騎行時間的延長，機體進一步疲勞，肌電信號進一步變?nèi)?。肌電信號與騎行運動的持續(xù)時間相關，且呈負相關。

4. 行時表面肌電圖分析

肌電積分值：肌肉疲勞的重要指標，表示單位時間內(nèi)的放電總量，是根據(jù)參加運動的肌肉數(shù)量和每個肌肉放電的電量來確定的。將肌電信號通過EMGworks Analysis 把肌電原始數(shù)據(jù)導入，通過絕對平均值法把原始的肌電信號絕對值化。將肌電信號的時間長度分為9段，每段100s，總共900s.通過分段分析每一段的iEMG值來分析肌電信號。將肌電信號分段，對每段肌電信號的肌電積分值進行采集。每階段的肌電積分值如圖8所示。

從圖8可以看出，表面肌電積分信號在騎行運動的900s時間中，股內(nèi)側肌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，其總體趨勢表現(xiàn)為先上升后下降。肌電積分值最小的是股二頭肌，說明騎行運動過程中放電量是最小的。各部位肌電積分值的排列大?。汗芍奔?股直肌>股外側肌>半腱肌>股二頭肌。從IEMG值和RMS值上可以看出，當IEMG值較大的時候，RMS值也比較大，兩者之間有一定的相關關系，且呈現(xiàn)正相關。

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)側肌、股外側肌、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?？梢灾浪麄兊目偟募‰姺e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)側肌、股外側肌、股二頭肌、半腱肌在騎行過程中各自的肌電活動的貢獻率，通過分析發(fā)現(xiàn)：總的放電量較大的為股內(nèi)側肌，其次是股直肌和股外側肌，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. 結論

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