電機械延遲推算法在運動中的實證研究

張 延 申晉波.武漢生物工程學院，湖北 武漢 43045；.運城學院，山西 運城 044000

電機械延遲推算法在運動中的實證研究

張 延1申晉波2
1.武漢生物工程學院，湖北 武漢 430415；
2.運城學院，山西 運城 044000

電機械延遲（EMD）是動作反應時的組成部分，常被用來評價運動員神經(jīng)肌肉功能狀態(tài)。通常情況下測定EMD值需要復雜昂貴的裝置，LiLi等人設計了一種新方法來測定EMD，此方法對實驗設備的需求較低。本文通過對這種方法的分析指出了其中的問題和不足，并提出了改進措施。

電機械延遲 反應時 肌電圖

20世紀60年代，學者Alfred Weiss應用肌電圖方法分析人體動作，將動作的反應發(fā)生時間分為2個部分，即人體接受刺激（聲、光等）到肌肉興奮開始放電時間和從肌肉興奮到產生機械收縮的時間，兩者又被稱為動作前時（pre-motor time，PMT）和電機械延遲（electromechanical delay，EMD）。從EMD發(fā)生的生理學機制看，EMD反映了電化學過程（即突觸傳遞、動作電位傳播和興奮收縮偶聯(lián)）和機械過程（即主動被動狀態(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，它還與運動訓練[2]以及肌肉疲勞[3]等密切相關。

目前，EMD已成為評價運動員神經(jīng)肌肉功能狀態(tài)非常重要的指標。尤其是EMD與肌纖維類型相關關系，已引起運動訓練領域的高度重視[4]，今后有望用EMD的測試取代對人體有損的肌肉活檢判斷肌纖維百分比的測量方法，為早期選材提供依據(jù)。

通常EMD值的測量需要精確的力量測定裝置和肌電圖檢測技術，而且需要兩種裝置的同步連接以及相應的刺激裝置，設備昂貴、實驗設計復雜，不宜廣泛應用。LiLi等人[5]在2004年提出了一種測定EMD的新方法，此方法無需昂貴復雜的力學測試儀器及實驗，只需進行不同頻率的功率車蹬踏并配合肌電圖即可推算出EMD，作者的實驗設計具有特殊性，本文特此介紹并加以評述。

1 理論依據(jù)

1.1 EMD在運動中相對恒定

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

1.2 動力激活假說（activation dynamics hypothesis）

介紹這一假說之前，先來看一下一些關于自行車的知識。如圖片所示，此圖片為車座及車蹬簡化圖，將自行車曲柄運動的區(qū)域分成不同的相功能區(qū)，上死點（TDC，top-dead-center）被定為圓周最高點，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，而實際運動中，上、下死點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°。

動力激活假說是Neptune等[9]在研究自行車在不同頻率蹬踏運動時提出的，該假說認為：以不同頻率蹬車時，肌肉活動的變化主要是由于動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一步解釋為，無論蹬踏頻率大小，機械輸出（即力的結果）都應該在相同的曲柄角度出現(xiàn)，而與之相應的肌電活動隨著蹬踏頻率的遞增應該發(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°（相對于上死點）時產生力矩，此時若蹬踏頻率為每分鐘60轉（即角速度ω為360°/s），可推斷出產生肌電時曲柄角度應該比產生力矩的角度提前21.6°（60ms×360°/1000ms＝21.6°），應該在68.4°時產生。若此時蹬踏頻率提升至每分120轉，角速度ω變?yōu)?30°/s，從假說推論，臀肌產生力矩的曲柄角度不變，仍為90°，同時EMD也不變，仍為60ms，而此時肌電起始的角度則提前了43.2°（60ms×720°/1000ms＝43.2°），在46.8°時產生。

2 公式推導

LiLi等人的實驗把EMD恒定假說和動力激活假說結合起來，提出了一個無需測力的EMD新測算方法。將蹬車過程中肌肉收縮活動的各個環(huán)節(jié)（開始、結束和峰值）可用與之相關的曲柄角度θF來代表，θEMG是與之相關的肌電信號出現(xiàn)時的曲柄角度，EMD是電機械延遲，ω是角速度，根據(jù)Neptune等人[9]和Marsh等人[10]的研究，可以提出一個基本公式：

進一步可變形為：

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是相對恒定的，而根據(jù)動力激活假說，θF1和θF2是一致的，所以可推導出：

通過公式（3），進行兩種不同頻率的蹬踏，并記錄下各自肌電活動發(fā)生時的曲柄角度，便可以計算出EMD。

3 實驗數(shù)據(jù)采集與分析

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

實驗選取16名大學生受試者，選擇左腿脛骨前肌和比目魚肌為測試對象，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整。坐高設定為受試者（站姿）100%大轉子高度。

選取60、80、100rpm代表低中高頻率。受試者的測試順序都隨機化以減少可能發(fā)生疲勞和學習效應等影響。每次測試，受試者要先蹬一分鐘左右來達到穩(wěn)定狀態(tài)，然后采集10s數(shù)據(jù)。每個頻率測試五次。通過運動學數(shù)據(jù)計算每次測試的平均頻率。受試者每次測試后至少休息1分鐘，每三次測試后額外多休息5分鐘以避免疲勞。

運動學及肌電圖數(shù)據(jù)都將被一個同步的運動分析系統(tǒng)采集下來，該系統(tǒng)通過一個2D、60Hz的攝像頭拍攝反射標記來獲得運動學數(shù)據(jù)，并通過Run Technologies EMG系統(tǒng)獲得肌電信號數(shù)據(jù)。反射標記被放置在曲柄中心和車腳蹬軸來表示出曲柄臂，以便識別曲柄位置及計算平均蹬踏頻率。這些標記的坐標被攝像頭記錄下來并通過運動分析系統(tǒng)自動轉化為數(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平滑為線狀。所有受試者的肌電信號都要跟各自最大值對比定標。這時可測得三個獨立參數(shù)：開始、結束及峰值肌電。肌電開始和結束的閾值定為最大值的20%，當達到指定閾值時，肌肉就被認為處于活動狀態(tài)。[11]

4 實驗結果和討論

從三種不同踏速中計算出的EMD值經(jīng)方差檢驗無明顯差異。所得脛骨前肌和比目魚肌EMD均值分別為68.1和88.7ms，EMD值在之前文獻提出的正常范圍內（30-100ms）[12]，T檢驗揭示兩者之間有統(tǒng)計學差異，且比目魚肌EMD相對較長，與前人文獻[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。故作者認定實驗結果是合理的。

5 關于此研究的一些疑問

5.1 關于動力激活假說

動力激活假說是Neptune等[9]在1997年研究自行車在不同頻率蹬踏運動時提出的。David McGhie, Gertjan Ettema兩人在2011年做了驗證該假說的實驗[14]，實驗結果顯示，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、有特點的變化，但沒有探討這一變化出現(xiàn)的原因。其結果是與假說相矛盾的。筆者對比了兩者的實驗方法，發(fā)現(xiàn)兩者在實驗控制上有不同之處：（1）前者的實驗采用了自鎖腳蹬，該裝備可將鞋與腳蹬連在一起，使受試者在一側下肢蹬踏時另一側下肢可進行提拉，從而在踏蹬周期中任何一點都有做功力的存在，包括上下死點[15]。而后者的實驗沒有采用這一裝備。（2）兩者的實驗對受試者騎車姿勢均未做要求，受試者按自己喜好調節(jié)座高、姿勢等。在騎行過程中，人和車有五處接觸—車座、兩個車把和兩個踏板，這五個點之間的相對位置關系決定了騎行姿勢，產生了座高、座管角、上體角度、曲柄長度以及足在踏板上的位置等諸多參數(shù)。這些參數(shù)都或多或少會引起一些人體解剖姿勢和生理機能上的變化。一般的關于自行車的研究都是研究其中一個或幾個因素，其余的作為常量。兩者對此都沒有足夠重視，這很可能是導致實驗結果不同的原因。

G. Sarre和R. Lepers兩人也在2007年做了一個驗證EMD蹬踏測定法的實驗，其實驗結果顯示，隨蹬踏頻率的遞增，峰值力矩的曲柄角度提前，并提出應考慮這一峰值力矩變化原因以改進EMD蹬踏測定法。在對比了其實驗方法后發(fā)現(xiàn)，其實驗同樣沒有控制蹬車的各姿勢參數(shù)，而Li等人的實驗則采用了100%大轉子站姿長作為座高。不同座高對自行車運動員下肢工作狀態(tài)必然有影響[15]，很可能就是這一因素導致了兩者的不同。

總之，動力激活假說是該方法的理論基礎，希望今后的研究能在嚴格控制實驗條件的基礎上對該假說進行驗證。

5.2 蹬踏自行車時的圓滑度

前蘇聯(lián)自行車運動訓練專家B.B.吉莫申科夫通過長期研究發(fā)現(xiàn)，自行車運動員在圓周踏蹬過程中，牙盤各點瞬間角速度越趨向恒定，越有利于運動員體能的發(fā)揮，并首先提出“圓滑度”概念，應用“圓滑度”來評定運動員踏蹬技術的優(yōu)劣。從“圓滑度”可以得知，自行車蹬踏時并非是勻速圓周運動，曲柄在不同位置時由于下肢關節(jié)角度不同和蹬踏角度不同導致“有效力”不同，在曲柄旋轉一周的過程中，其角速度是不均勻的。鄭曉鴻[16]等研究了我國女子優(yōu)秀場地自行車運動員的踏蹬狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)圓滑度與訓練水平有很大關系，且受蹬踏頻率

影響，在100~130rpm時圓滑度較好，低于此頻率則逐漸變差，在85rpm以下時圓滑度極差。Li等人的實驗采用60、80和100rpm的頻率，且受試者非專業(yè)運動員，可推知其蹬踏圓滑度應該不高。

Li等人的EMD蹬踏測試法假定蹬踏是勻速圓周運動，公式中的參數(shù)角速度ω是通過蹬踏頻率計算出的，是曲柄旋轉一周的平均角速度。由于圓滑度低，蹬踏時實際角瞬時速度ω'必然與計算出的平均角速度ω不同，也就是說，從產生肌電至產生力矩這一時段的平均角速度與通過蹬踏頻率計算出的平均角速度之間是有差異的。這一差異必然會導致計算結果產生誤差。建議測試方法加以改進，采用更高的蹬踏頻率以提高圓滑度，減少誤差。

6 結語

希望今后的研究能在嚴格控制實驗條件的基礎上對動力激活假說及EMD蹬踏測定法進行驗證。需要控制的實驗條件有座高、座管角、上體角度、曲柄長度以及足在踏板上的位置等諸多可能影響下肢關節(jié)角度和生理機能變化的參數(shù)。

雖然文獻提出的EMD蹬踏測定法存在一些問題，但仍不失為一個很好的思路，就如同作者LiLi在文獻中所述，此方法無需昂貴復雜的力學測試實驗，提供了一個研究神經(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:運動人體科學。