仰臥起坐運(yùn)動(dòng)中上腹部肌肉肌電變化特點(diǎn)分析

陳玉婷

(福建師范大學(xué)體育科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350007)

腹肌力量的強(qiáng)弱對(duì)于一個(gè)運(yùn)動(dòng)員在激烈的對(duì)抗中保持自己身體平衡和背部不受傷起到了十分關(guān)鍵的作用。提高腹肌力量有助于增強(qiáng)身體穩(wěn)定性，提高速度、耐力和關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。本實(shí)驗(yàn)采用按腳曲腿仰臥起坐，是在一名同伴的幫助按腳的情況下，被測(cè)者以身體平躺仰臥在墊子上，兩腿屈膝，兩手曲臂，十指交叉放于耳朵后側(cè)再向內(nèi)側(cè)一點(diǎn)(大約后腦正中間再向外一點(diǎn))的位置，利用腹肌收縮，腰部發(fā)力，上體徑直起來(lái)，慢慢后仰復(fù)原。仰臥起坐是一項(xiàng)強(qiáng)壯腹部肌肉力量的體能鍛煉，適當(dāng)?shù)难雠P起坐練習(xí)能增強(qiáng)肌肉靈活性，有助于背部肌肉的伸展，韌帶和脊椎均可同時(shí)得到拉伸，調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)，提高機(jī)體免疫功能，從而提高身體對(duì)疾病的抵抗力。在日常生活中，很多人都盲目地認(rèn)為仰臥起坐是一項(xiàng)很好的減腹部肌肉的運(yùn)動(dòng)，但其實(shí)它只是一項(xiàng)腹肌訓(xùn)練的方法。腹直肌在仰臥起坐中起著重要的作用，腹直肌是核心區(qū)力量訓(xùn)練中的主要核心肌群[1]，它不僅能提高技術(shù)水平，而且提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)，發(fā)揮了重要的作用。腹直肌鍛煉效果的評(píng)價(jià)，可以用表面肌電儀來(lái)測(cè)試。采用引導(dǎo)電極將肌肉興奮時(shí)的電變化經(jīng)過(guò)引導(dǎo)、放大和記錄所得到的電壓變化，可記錄單個(gè)運(yùn)動(dòng)單位甚至單個(gè)肌纖維的電活動(dòng)。表面肌電(sEMG) 是從人體皮膚表面通過(guò)肌電記錄下來(lái)的神經(jīng)肌肉活動(dòng)時(shí)發(fā)放的生物電信號(hào)，它與肌肉的活動(dòng)狀態(tài)和功能狀態(tài)之間存在著不同程度的關(guān)聯(lián)性，因而，能在一定的程度上反映神經(jīng)肌肉的活動(dòng)[2-3]。在研究前，查閱關(guān)于這方面的資料，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前人對(duì)仰臥起坐運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉肌電的研究比較少。本文中，通過(guò)檢測(cè)仰臥起坐運(yùn)動(dòng)時(shí)腹直肌的sEMG的多種信號(hào)活動(dòng)情況反映出肌肉的積分肌電值、均方根振幅進(jìn)行研究分析，有助于進(jìn)一步解釋在仰臥起坐運(yùn)動(dòng)中上腹肌(腹直肌)肌肉肌電的變化特點(diǎn)，旨在試圖找出肌電變化的一般規(guī)律，減少訓(xùn)練調(diào)控過(guò)程中的盲目性，提高身體素質(zhì)訓(xùn)練的實(shí)效性，為有效的鍛煉腹直肌提供技術(shù)參考，為提高訓(xùn)練效率，建立科學(xué)的訓(xùn)練方法提供參考依據(jù)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

隨機(jī)抽取13名體科院大三，健康狀況良好的男生作為研究對(duì)象，所有被試者無(wú)重大運(yùn)動(dòng)損傷，自愿參與本次測(cè)試項(xiàng)目，進(jìn)行30秒的按腳曲腿仰臥起坐練習(xí)，基本情況見(jiàn)表1。

表1 研究對(duì)象基本情況

1.2 研究方法

1)文獻(xiàn)資料法。根據(jù)研究需要，通過(guò)在期刊網(wǎng)和圖書(shū)館查閱了大量關(guān)于肌電方面的相關(guān)文獻(xiàn)資料，并進(jìn)行分析和閱讀，了解前人對(duì)該方向的研究現(xiàn)狀，未發(fā)現(xiàn)有關(guān)仰臥起坐上腹部肌肉肌電方面的研究，設(shè)計(jì)本研究實(shí)驗(yàn)方案。還查閱了關(guān)于儀器使用說(shuō)明、參數(shù)指標(biāo)使用說(shuō)明等資料，掌握儀器操作技術(shù)，正確粘貼電極方法。同時(shí)向?qū)I(yè)的教師咨詢、請(qǐng)教關(guān)于肌電技術(shù)方面的相關(guān)知識(shí)、尋找肌肉的方法、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)以及肌電圖的分析方法。

2)實(shí)驗(yàn)法。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：福建師范大學(xué)生理實(shí)驗(yàn)室。

主要實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備及用品。利用美國(guó)BIOPAC公司生產(chǎn)的MP150型多導(dǎo)電生理記錄儀(16通道)1臺(tái)，該儀器是目前世界上應(yīng)用廣泛，功能強(qiáng)大的電腦化多導(dǎo)生理記錄。采樣率可以自由設(shè)定，最大達(dá)到400 000點(diǎn)/秒。在線或離線數(shù)字濾波功能可對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行抗干擾處理。刺激器輸出可以由軟件設(shè)計(jì)輸出波形大小，形狀，間隔。電腦一臺(tái)，一次性電極，75 %酒精，脫脂棉，剃須刀，固定導(dǎo)線醫(yī)用膠布，橡皮膏，紙巾等若干。

3)實(shí)驗(yàn)步驟。 準(zhǔn)備工作：為了確保正式實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性高，在正式實(shí)驗(yàn)之前進(jìn)行過(guò)多次預(yù)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)可以從中選擇出最好的實(shí)驗(yàn)材料，可以準(zhǔn)確的控制實(shí)驗(yàn)變量，這樣可以為正式實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)、鋪平道路，也可在預(yù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的可行性和科學(xué)性，避免由于先期考慮不周和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)缺陷，而造成人力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)。預(yù)實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中也必須像正式實(shí)驗(yàn)一樣才有意義[4]。預(yù)實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題，立即與專(zhuān)業(yè)教師溝通交流，掌握正確的實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)，盡可能將對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾的因素排除。

在測(cè)試前半小時(shí)應(yīng)先開(kāi)機(jī)預(yù)熱機(jī)器，保證機(jī)器在一個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài)下運(yùn)行。設(shè)定肌電儀的采樣標(biāo)準(zhǔn)：采樣頻率設(shè)定為1 000 Hz，采樣時(shí)間為30 s，靈敏度為500 LV，掃描速度為40 ms/div，肌電信號(hào)放大倍數(shù)為1 000倍，高通濾波頻率為60 Hz，低通濾波頻率為500 Hz。正式實(shí)驗(yàn)前，先向被試者演示一遍實(shí)驗(yàn)過(guò)程，每一步均向被試者詳細(xì)講解測(cè)試注意事項(xiàng)并熟悉動(dòng)作要領(lǐng)。

測(cè)試時(shí)間安排在上午進(jìn)行，被試者在進(jìn)行測(cè)試前應(yīng)做好適度的準(zhǔn)備熱身活動(dòng)，減少肌肉的粘滯性，充分調(diào)整肌肉到興奮狀態(tài)，不處于疲勞狀態(tài)，使機(jī)體保持在運(yùn)動(dòng)興奮情況下進(jìn)行測(cè)試，確保測(cè)試數(shù)據(jù)的真實(shí)準(zhǔn)確。

正式測(cè)試：

第一部分 講解仰臥起坐動(dòng)作要領(lǐng)

平躺仰臥在墊上，兩腿屈膝，雙肩胛骨著墊，腹部與大腿呈90度，大腿與小腿呈90度，兩手指交叉貼于腦后，臀部不能離墊面，另一同伴壓住腳面。動(dòng)作開(kāi)始時(shí)，上身離墊，收腹屈背，上身靠低頭、含胸的力量起坐，雙肘需觸到膝蓋，動(dòng)作協(xié)調(diào)一致，然后后仰至雙肩著墊子繼續(xù)做下一個(gè)動(dòng)作。

第二部分 測(cè)試步驟

第一步 測(cè)試前，根據(jù)身體姿勢(shì)動(dòng)作，確定腹直肌的電極貼放部位，把被試者的腹直肌人為的分為左右兩側(cè)。用剃須刀清理電極安放位置的體毛，然后用去脂酒精棉球?qū)﹄姌O片貼放位置的皮膚進(jìn)行去脂消毒處理，減少肌電信號(hào)在傳輸過(guò)程中的干擾及實(shí)驗(yàn)誤差。

第二步 貼電極片時(shí)，將無(wú)電極的干擾電極片貼在手腕處，以排除身體靜電的干擾。用橡皮膏固定肌電信號(hào)采集引導(dǎo)電極片后再用醫(yī)用膠帶固定電極及導(dǎo)線，采集信號(hào)電極粘貼應(yīng)在肌肉隆起處，走向應(yīng)和腹直肌肌纖維走向一致。

第三步 檢查電極粘貼是否正常，隨后調(diào)試測(cè)試儀器，觀察肌電圖譜，若波動(dòng)平穩(wěn)則說(shuō)明電極粘貼正常，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集；若為波動(dòng)較大的折線則說(shuō)明電極粘貼異常，此時(shí)應(yīng)停止測(cè)試，檢查電極粘貼的位置是否出現(xiàn)異常。

第四步 被試者練習(xí)測(cè)試動(dòng)作，必須預(yù)先完成一次完整動(dòng)作。測(cè)試員喊“開(kāi)始”后，被試者即可進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)啟動(dòng)肌電儀，進(jìn)行30s的數(shù)據(jù)的采集。采集期間，注意觀察屏幕顯示的電波和被試者的動(dòng)作頻率幅度，30s后儀器自動(dòng)停止，此時(shí)，及時(shí)要處理并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，保存并重置數(shù)據(jù)進(jìn)行下一次測(cè)試。

第五步 肌電信號(hào)的分析處理，由于被試者之間存在個(gè)體差異性，不同被試者完成同一個(gè)完整動(dòng)作時(shí)間的不精確性，為了方便定量分析和指標(biāo)參數(shù)之間的比較，將sEMG信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化和指標(biāo)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。

實(shí)驗(yàn)要求：實(shí)驗(yàn)前，要求測(cè)試者熟練掌握操作規(guī)程。要注意測(cè)量外界環(huán)境的溫度，由于外界溫度對(duì)信號(hào)采集有干擾，確保溫度在儀器使用范圍內(nèi)保持適宜的狀態(tài)，關(guān)閉手機(jī)，盡量避免周?chē)h(huán)境的磁場(chǎng)、電波干擾，為了減少噪聲干擾須保持測(cè)試環(huán)境安靜。其中對(duì)于運(yùn)動(dòng)造成體表電極與皮膚之間細(xì)微的滑動(dòng)和硬件電子元件熱效應(yīng)而造成參數(shù)的變化,采用非線性高通濾波的方法抑制基線漂移。[5]具體方法是把左右腹直肌的電信號(hào)通過(guò)中值濾波得到基線信號(hào),與原左右腹直肌的肌電信號(hào)相減，最終得到濾波后的肌電圖。試驗(yàn)成功最重要的是找準(zhǔn)電極片的貼放位置，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中若電極粘貼位置錯(cuò)誤，則無(wú)法正確測(cè)試出腹直肌的肌電圖，電波圖的形狀十分混亂，得到的數(shù)據(jù)均為無(wú)效數(shù)據(jù)。最大限度地消除人為誤差，保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提高結(jié)果分析的有效性。

4)數(shù)理統(tǒng)計(jì)法。把所有MP150型多導(dǎo)電生理記錄儀采集到的原始信號(hào)，通過(guò)acpkonwledge3.9系統(tǒng)軟件進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，肌電信號(hào)圖譜顯示在電腦屏幕上，并進(jìn)行專(zhuān)業(yè)處理分析得到濾波后的電波圖譜。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析前先對(duì)肌電圖譜的圖譜成像，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠性進(jìn)行篩選，去除誤差較大的肌電圖譜，再?gòu)牡玫降乃斜辉囌叩母怪奔〖‰妶D譜中獲取肌電最大值(Max)、最小值(Min)、標(biāo)準(zhǔn)偏差(Standard Deviation)、積分肌電(Integral)、均方根振幅(RMS)等數(shù)據(jù)，利用WPS office-Microsoft Excel專(zhuān)業(yè)版及SPSS17.0軟件對(duì)得到的所有肌電數(shù)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理。處理后的數(shù)據(jù)均用平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，左右腹直肌的肌電值的差異性檢驗(yàn)采用均數(shù)的顯著性檢驗(yàn)，進(jìn)行單側(cè)t檢驗(yàn)是否具有差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 仰臥起坐運(yùn)動(dòng)中腹直肌的肌電進(jìn)行時(shí)域分析

時(shí)域分析是將肌電信號(hào)看作時(shí)間的函數(shù)，從而用來(lái)刻畫(huà)時(shí)間序列信號(hào)的振幅特征，主要包括積分肌電值(IEMG)、平均振幅(MA)、均方根值(RMS)等；積分肌電是指把所得肌電信號(hào)經(jīng)整流濾波后單位時(shí)間內(nèi)曲線下面積的總和，它能夠反映肌電信號(hào)隨時(shí)間進(jìn)行的強(qiáng)弱變化[6]。肌電積分常被用于分析肌肉在單位時(shí)間內(nèi)的收縮特性[7]。

均方根值(RMS)和iEMG一樣也可在時(shí)間維度上反映sEMG信號(hào)振幅的變化特征，它直接與EMG信號(hào)的電功率相關(guān)，具有更加直接的物理意義。平均振幅(MA)反映肌肉電信號(hào)的強(qiáng)度與參與的運(yùn)動(dòng)單位數(shù)目。

2.2 仰臥起坐運(yùn)動(dòng)中腹直肌的肌電特征

本研究要求被試者仰臥在墊子上，進(jìn)行30 s的仰臥起坐，平均每2 s完成一次動(dòng)作。通過(guò)MP150型多導(dǎo)電生理記錄儀采集的30 s肌電信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波處理后，截取每位被試者18～20 s之間的肌電電波圖譜進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)分析。

2.2.1 對(duì)13位被試者的左右腹直肌的肌電圖譜的振幅對(duì)比分析

表2 左右腹直肌肌電振幅(MA)分析(mv)

由表2可知,左腹直肌最大振幅>右腹直肌最大振幅；右腹直肌最小振幅>左腹直肌最小振幅；右腹直肌振幅平均值>左腹直肌振幅平均值。通過(guò)對(duì)左右腹直肌平均振幅進(jìn)行置信度為95%的t檢驗(yàn)，左腹直肌平均振幅與右腹直肌平均振幅是否具有顯著性差異，統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算統(tǒng)計(jì)量的值為t= 0.0134,查分布表得t0.05(12)=1.782，故P>0.05,所以，左右腹直肌平均振幅的方差相比無(wú)顯著性差異。從振幅來(lái)看，表明左右腹直肌參與活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)單位數(shù)目、參與收縮的肌纖維數(shù)量、放電頻率同步化程度具有相似性。

2.2.2 對(duì)13位被試者的左右腹直肌的肌電圖譜的積分肌電對(duì)比分析

表3 左右腹直肌積分肌電(IEMG)分析(mv/sec)

由表3可知,左腹直肌最大積分肌電>右腹直肌最大積分肌電；左腹直肌最小積分肌電<右腹直肌最小積分肌電；左腹直肌積分肌電平均值>右腹直肌積分肌電平均值。通過(guò)對(duì)左右腹直肌積分肌電進(jìn)行置信度為95 %的t檢驗(yàn)左腹直肌積分肌電平均值與右腹直肌積分肌電平均值是否具有顯著性差異，統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算統(tǒng)計(jì)量的值為t= -11.0416,查分布表得t0.05(12)=1.782, 故P<0.05,所以，左右腹直肌的積分肌電相比存在顯著性差異，且差異較大。

由于左右腹直肌的積分肌電存在較大的差異，最大積分及肌電平均值左腹直肌都大于右腹直肌，而最小積分左腹直肌只是略微較弱與右腹直肌，但總的來(lái)說(shuō)，左腹直肌積分肌電大于右腹直肌積分肌電，也就是說(shuō)，左腹直肌的收縮強(qiáng)度較大。通過(guò)積分肌電反映出左右腹直肌在仰臥起坐運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的用力大小，從生理學(xué)角度來(lái)看左腹直肌在18～20 s的仰臥起坐運(yùn)動(dòng)中肌電信號(hào)活動(dòng)強(qiáng)，左腹直肌在活動(dòng)時(shí)比右腹直肌用力大；從積分肌電情況來(lái)看，主要的發(fā)力集中在左腹直肌，但并不能就此直接說(shuō)明左腹直肌重要作用，還需要分析左右腹直肌的發(fā)力順序。因?yàn)樵隗w育運(yùn)動(dòng)中，肌肉的激活順序是非常重要的考慮指標(biāo)，肌電圖可以很好的評(píng)定某一個(gè)動(dòng)作的肌肉放電現(xiàn)象，從而可以認(rèn)定整個(gè)技術(shù)動(dòng)作過(guò)程中的肌力特征，并判定出運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練程度的高低[8]。根據(jù)對(duì)13位被試者腹直肌機(jī)電圖譜的觀察分析發(fā)現(xiàn)，在仰臥起坐運(yùn)動(dòng)中，腹肌中的左腹直肌先放電，隨后右腹直肌放電。通過(guò)調(diào)查，這13位被試者均是右手為優(yōu)勢(shì)手(比較左手更有力)，在仰臥起坐運(yùn)動(dòng)中，兩手分別放于兩耳再向內(nèi)側(cè)一點(diǎn)(大約后腦正中間再向外一點(diǎn))的位置，利用腹肌收縮，腰部發(fā)力上身徑直起來(lái)，在這個(gè)過(guò)程中，兩手的發(fā)力在一定程度上影響了腹直肌的用力大小，在起來(lái)時(shí)，雙臂前擺時(shí)與身體協(xié)調(diào)用力，可以借助身體的擺動(dòng)用力，這樣做更省力，右邊的手臂是優(yōu)勢(shì)手，手臂發(fā)力比較大，對(duì)身體的擺動(dòng)用力較大，使右邊的腹直肌在起來(lái)時(shí)更省力，因此，左邊的腹直肌較先發(fā)力，放電。據(jù)此推理，在仰臥起坐運(yùn)動(dòng)中，開(kāi)始階段以左側(cè)腹直肌發(fā)力為主，然后是右側(cè)腹直肌，這同時(shí)也表明左腹直肌的重要作用，左腹直肌的收縮強(qiáng)度大于右腹直肌。

2.2.3 對(duì)13位被試者的左右腹直肌的肌電圖譜的肌電均方根對(duì)比分析

表4 左右腹直肌肌電均方根(RMS)分析

由表4可知,左腹直肌最大肌電均方根>右腹直肌最大肌電均方根；左腹直肌最小肌電均方根>右腹直肌最小肌電均方根；左腹直肌肌電均方根平均值>右腹直肌肌電均方根平均值。通過(guò)對(duì)左右腹直肌肌電均方根進(jìn)行置信度為95%的t檢驗(yàn)，左腹直肌肌電均方根平均值與右腹直肌肌電均方根平均值是否存在顯著性差異，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算統(tǒng)計(jì)量的值為t=-0.289 2,查分布表得t0.05(12)=1.782，故P>0.05，所以，左右腹直肌的肌電均方根相比無(wú)顯著性差異。但左腹直肌的最大均方根振幅(RMS)略大于右腹直肌的最大均方根振幅，在一定程度上說(shuō)明了左腹直肌比右腹直肌先進(jìn)入疲勞，肌電信號(hào)的振幅越大，說(shuō)明疲勞程度越大。

3 結(jié)論

1) 仰臥起坐運(yùn)動(dòng)中，左右腹直肌的積分肌電值存在明顯的差異，左腹直肌積分肌電大于右腹直肌積分肌電，左腹直肌的收縮強(qiáng)度較大。

2) 在仰臥起坐運(yùn)動(dòng)中，左右腹直肌的振幅、肌電均方根均無(wú)顯著性差異。左右腹直肌參與活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)單位數(shù)目、參與收縮的肌纖維數(shù)量、放電頻率同步化程度具有相似性。在一定程度上說(shuō)明了左腹直肌比右腹直肌先進(jìn)入疲勞，肌電信號(hào)的振幅越大，說(shuō)明疲勞程度越大。

3) 如果在實(shí)驗(yàn)前被試者先進(jìn)行等長(zhǎng)和等動(dòng)肌力測(cè)試，就能結(jié)合積分肌電與肌力指標(biāo)之間的關(guān)系，更有助于解釋肌肉疲勞的現(xiàn)象，進(jìn)一步指導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)腹肌訓(xùn)練。還可以在不同負(fù)重狀態(tài)下進(jìn)行仰臥起坐表面肌電采集實(shí)驗(yàn)，觀察是否同樣存在類(lèi)似的肌電變化特征。

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