下肢表面肌電特征分析及其在運(yùn)動服中的應(yīng)用

曹丹

摘要：得到下肢表面肌電特征以及在運(yùn)動服設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。采集8名青年男性一個完整單步周期的腹外斜肌、長收肌等16塊下肢體表肌肉的肌電信號和同步視頻，將單步周期分為著地緩沖、垂直支撐、后蹬、折疊前擺、下放擺落、下壓著地六個階段，分析積分肌電值、放電耗時和肌肉活動狀態(tài)三個指標(biāo)。得到基礎(chǔ)理論和滿足下肢肌肉功能需求的運(yùn)動服產(chǎn)品。為運(yùn)動類服裝技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)，同時也為肌肉工作的工效學(xué)分析、疲勞判定、技術(shù)動作合理陸分析等方面提供理論參考。

關(guān)鍵詞：表面肌電技術(shù) 單步周期 肌肉功能 運(yùn)動服

中圖分類號：TS941.17文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2019）11-0026-04

引言

骨骼肌是人體運(yùn)動的動力源，沒有它的收縮就不能引起任何運(yùn)動。在跑的過程中，上肢擺動的主要作用是保持身體平衡，下肢則要承受大于體重3-5倍的力，了解跑步過程中單步周期的肌肉活動特點(diǎn)，對于下肢的肌肉力量訓(xùn)練、運(yùn)動技術(shù)的合理性、防止運(yùn)動損傷和肌肉疲勞具有重要意義。肌電是神經(jīng)、肌肉興奮發(fā)放生物電的結(jié)果。是產(chǎn)生肌力的電信號根源，是表示肌肉收縮信息最直接、最簡單的途徑，表面肌電在分析單塊肌肉工作特性中具有明顯的優(yōu)勢，并且還能輔助分析肌群之間的相互協(xié)作方式，能在一定程度上反映肌肉的活動狀態(tài)，且對人體無創(chuàng)傷、操作簡便。運(yùn)用表面肌電和攝像同步測試方法，深入分析跑步單步周期的肌肉活動特征，以進(jìn)一步了解跑步運(yùn)動項(xiàng)目單步周期肌肉活動規(guī)律和技術(shù)動作特點(diǎn)，并輔助得到運(yùn)動服設(shè)計(jì)方法。

一、研究對象與方法

（一）實(shí)驗(yàn)對象

從體校招募了8名男性受試者，受試者基本情況如表1。所有受試者身體狀況較好，實(shí)驗(yàn)前48h內(nèi)未從事劇烈運(yùn)動以保持肌肉的良好狀態(tài)，所有受試者實(shí)驗(yàn)前均知曉實(shí)驗(yàn)流程并同意自愿參與。

（二）實(shí)驗(yàn)方法

1.著裝狀態(tài)。受試者在實(shí)驗(yàn)過程中僅穿著運(yùn)動短褲和運(yùn)動鞋。

2.測試內(nèi)容。選取下肢右側(cè)腿作為測試對象，以6km/h的速度使受試者在跑步機(jī)上勻速跑步10秒，記錄下原始肌電數(shù)據(jù)。

3.測試部位。選取以下與跑步運(yùn)動密切相關(guān)的下肢16塊體表肌肉作為測試對象：（1）腹外斜肌;（2）長收肌;（3）闊筋膜張肌;（4）股直肌;（5）股外側(cè)肌;（6）股內(nèi)側(cè)肌;（7）臀中肌;（8）臀大肌;（9）半腱肌;（10）半膜肌;（11）股二頭肌長頭;（12）腓骨長肌;（13）脛骨前肌;（14）腓腸肌內(nèi)側(cè);（15）腓腸肌外側(cè);（16）比目魚肌。測試肌肉的點(diǎn)位置如圖1。

4.實(shí)驗(yàn)設(shè)備。意大利Cometa公司制造的Mini Wave Plus型無線遙測表面肌電分析儀，測試電極和電極片。實(shí)驗(yàn)電腦（自帶攝像頭），Load跑步機(jī)。

5.測試環(huán)境。單獨(dú)的恒溫、恒濕氣候控制室，室溫20℃±2℃，相對濕度50%±2%，風(fēng)速≤1m/s。

6.測試過程。首先，實(shí)驗(yàn)開始之前要求所有實(shí)驗(yàn)相關(guān)人員關(guān)閉手機(jī)等通訊設(shè)施，避免噪聲、電磁場輻射等對其產(chǎn)生干擾;其次，粘貼電極之前要對目標(biāo)肌肉體表皮膚用75%濃度酒精擦拭以達(dá)到清潔的目的，每塊肌肉貼兩個電極片，連接一個參考電極。粘貼電極片時要注意：（1）電極片貼于肌腹處;（2）兩個測試電極片中心間距不超過2Cm.方向平行于被測肌肉長軸，參考電極靠近測試電極不超過10CM;（3）參考電極與測試電極的導(dǎo)聯(lián)線要保持平整;（4）所有電極應(yīng)牢牢固定于體表，盡量避免松動和脫落;再次，實(shí)驗(yàn)以手動操作電腦的方式使肌電儀與跑步機(jī)保持同步，采集肌電數(shù)據(jù)的同時也采集跑步同步視頻。

（三）數(shù)據(jù)處理與分析

在數(shù)據(jù)處理上，原始表面肌電信號信號幅值范圍100-5000uv.信號頻率在0-500Hz.主頻在50-150Hz之間。由于信號采集過程中的干擾信號介于0-60HZ的低頻部分，人體肌肉神經(jīng)信號集中在40-400Hz之間，所以需要對原始表面肌電信號進(jìn)行降噪和濾波處理，選擇介于高通濾波40Hz.低通濾波400Hz之間的表面肌電信號作為目標(biāo)分析范圍。在數(shù)據(jù)分析上，主要采用時域分析法中的積分肌電值（IEMG）反映單塊肌肉放電有效值，結(jié)合放電耗時，將一個跑步單步周期劃分為支撐期和騰空期兩大塊，并將支撐期、騰空期細(xì)分為著地緩沖、垂直支撐、后蹬、折疊前擺、下放擺落、下壓著地六個階段，更細(xì)致化、有目的性地去探索肌肉放電量、肌肉放電時間、肌肉活動狀態(tài)。

二、結(jié)果與分析

（一）跑步單步周期參與肌群及動作分析

與人體運(yùn)動有關(guān)且形成人體外形的肌肉群分為背肌群、頸前肌群、腹肌群、外骨盆肌群、內(nèi)骨盆肌群、大腿屈肌群、大腿伸肌群、小腿屈肌群、小腿伸肌群9個肌群。其中，參與跑步的下肢主要肌群有（1）外骨盆肌群，包括臀大肌、臀中肌和臀小肌;（2）大腿伸肌群，包括半腱肌、半膜肌、股二頭肌、股薄肌等;（3）大腿屈肌群，包括髂腰肌、股四頭肌、闊筋膜張肌、縫匠肌等;（4）小腿伸肌群，包括脛骨前肌、趾長、拇長伸肌等;（5）小腿屈肌群，包括腓腸肌和比目魚肌。

跑步動作技術(shù)的一個單腿運(yùn)動周期可劃分為著地緩沖、后蹬、折疊前擺和下壓準(zhǔn)備著地四個階段。這四個階段由支撐期和騰空期組成，支撐期可分為著地緩沖、垂直支撐和后蹬，騰空期可分為折疊前擺、下放擺落和下壓著地。著地緩沖階段劃分點(diǎn)為擺動腿的腳掌著地瞬間，垂直支撐階段劃分點(diǎn)為身體重心達(dá)到最低點(diǎn)時，后蹬階段劃分點(diǎn)為支撐腳蹬離地面時，折疊前擺劃分點(diǎn)為擺動腿折疊前擺擺至最高點(diǎn)時，下壓著地階段劃分點(diǎn)為該腿的腳掌著地瞬間。

1.支撐期。在著地緩沖階段，此刻騰空期正好結(jié)束，擺動腿的大腿積極向下壓并帶動小腿積極前伸并下扒，隨后腳掌著地。著地瞬間，為了緩沖前制動，身體隨慣性迅速推動踝、膝、髖關(guān)節(jié)的屈曲前移進(jìn)入垂直支撐期。身體重心前移至支撐點(diǎn)垂直面，避免造成著地對三關(guān)節(jié)的沖擊過大，使身體重心下降過多。同時，擺動腿的小腿因?yàn)閼T性向支撐腿的大腿靠攏，同時擺動腿的膝關(guān)節(jié)折疊角度慢慢減小。隨后身體總重心超過垂直支撐面，即進(jìn)入了后蹬階段。此時，擺動腿同側(cè)骨盆送髖，迅速有力地屈膝向前上方擺出。支撐腿在擺動腿的拉動下，快速有力地伸展髖、膝、踝關(guān)節(jié)，推動身體重心向前運(yùn)動。

2.騰空期。大腿隨著蹬地后的慣性加速前擺，膝關(guān)節(jié)被動地折疊彎曲形成隨勢動作，然后大腿邊折疊邊前擺。大腿擺至最高點(diǎn)后，大腿積極下壓，小腿隨著大腿“鞭打式”著地，脛骨前肌向心收縮使踝關(guān)節(jié)背屈以加速腳著地。在下壓著地時，伸髖（臀大肌、股二頭?。?、屈膝（腓腸肌、比目魚?。╆P(guān)節(jié)幫助完成“鞭打”著地動作。

（二）數(shù)據(jù)采集

以6km/h的速度使受試者在跑步機(jī)上勻速跑步10秒，記錄下原始肌電數(shù)據(jù)和同步跑步視頻。圖2為一個單步周期的原始表面肌電信號，將采集到的每個樣本10秒肌電信號截取第5.7秒比較穩(wěn)定的信號，從中選出一個單步周期。一個單步周期是指右腿開始著地緩沖狀態(tài)到完成一周的運(yùn)動再次回到著地緩沖，準(zhǔn)備下壓著地的狀態(tài)，具體動作及一個單步周期中的單腿（圖3中所示右側(cè)腿）支撐期、騰空期運(yùn)動階段劃分如圖3。

（三）數(shù)據(jù)分析

1.肌肉放電量。積分肌電值（IEMG）是指在一定時間內(nèi)肌肉參與活動的運(yùn)動單位總放電量，放電量越大，參與肌肉收縮的肌纖維數(shù)量越多，被測肌肉活動貢獻(xiàn)度越大。圖4是以支撐期和騰空期為界看一個單步周期中各肌肉的放電情況。如圖4所示，在一個單步周期中，髖肌前群和長收肌、腓骨長肌、小腿后群在騰空期的肌肉活動貢獻(xiàn)率比支撐期的要大，且小腿后群的放電主要集中在騰空期;脛骨前肌、大腿后群、髖肌后群在支撐期的肌肉活動貢獻(xiàn)率比騰空期的要大;腹外斜肌、大腿前群支撐期、騰空期的肌肉活動貢獻(xiàn)率較均勻。

圖5顯示了16塊肌肉在一個單步周期各階段的肌肉活動貢獻(xiàn)率。如圖5所示，小腿后群、腓骨長肌在折疊前擺下放擺落階段出現(xiàn)大的肌肉爆發(fā);大腿前群、闊筋膜張肌、髖肌后群在后蹬，準(zhǔn)備折疊前擺階段出現(xiàn)較大的肌肉爆發(fā);大腿后群、脛骨前肌在垂直支撐，后蹬階段出現(xiàn)較大的肌肉爆發(fā);腹外斜肌和長收肌的肌肉表現(xiàn)較平穩(wěn)無明顯放電爆發(fā)現(xiàn)象。這些結(jié)果可為了解肌肉的活動狀態(tài)，包括放電的先后順序和各肌肉之間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系，為各肌肉之間在跑步狀態(tài)下的運(yùn)作關(guān)系及運(yùn)動服的設(shè)計(jì)提供參考。

圖6為一個單步周期各肌肉放電量平均值，由圖6可知：（1）16塊下肢體表肌肉的總放電量排序依次是腓腸肌內(nèi)側(cè)、脛骨前肌、比目魚肌、腓骨長肌、腓腸肌外側(cè)、闊筋膜張肌、長收肌、臀中肌、股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、股二頭肌長頭、半腱肌、半膜肌、股直肌、臀大肌、腹外斜肌;（2）在一個單步跑步周期中，小腿后側(cè)、小腿前側(cè)肌肉貢獻(xiàn)率最大，大腿外側(cè)闊筋膜張肌、大腿內(nèi)側(cè)長收肌次之，其次是后腰部臀中肌和大腿前側(cè)股四頭肌群較大，再次是大腿后側(cè)肌群，腹部肌群的肌肉貢獻(xiàn)率最低;（3）在合體類運(yùn)動服裝設(shè)計(jì)上，合理的服裝壓對提高運(yùn)動員運(yùn)動能力、抗疲勞以及內(nèi)在肌肉功能都起到積極的作用。小腿后側(cè)、大腿前側(cè)、膝蓋是跑步動力的主要來源且非常容易產(chǎn)生疲勞，故需要采用萊卡纖維與氨綸、滌綸、錦綸等高彈纖維混紡的高壓、高彈面料，或采用羅紋和緯平針組織結(jié)構(gòu)的緯編彈力面料來固定和減少肌肉振動從而避免不必要的能量消耗，另外可在這些部位增加壓力帶的設(shè)計(jì)來刺激肌肉反應(yīng)增加爆發(fā)力。后腰臀部、大腿內(nèi)側(cè)、大腿后側(cè)的疲勞度較高，可采用高彈、吸濕排汗、中壓面料，如CoolMax纖維、Dri FIT和swift等排汗快干面料。小腿前側(cè)為需低壓區(qū)域不需要特別保護(hù)。

2.肌肉放電時間。由于每個人的跑步頻率不同，每位受試者完成一個單步周期所需的總時間會有所區(qū)別，平均時間為1.08s.故采用百分比的方式來表示不同階段所需的時間。圖7為一個單步周期所有樣本的支撐期、騰空期所需的時間百分比，可知受試者在跑步過程中支撐期比騰空期花的時間更多。

圖8更為詳細(xì)地顯示了六個不同階段所花時間的平均百分比，由圖可知各階段所花時間由大到小的排序依次為折疊前擺以-下放擺落、垂直支撐-后蹬、著地緩沖-垂直支撐、下放擺落-下壓著地、后蹬-準(zhǔn)備折疊前擺。

3.肌肉活動狀態(tài)。圖9以各肌肉爆發(fā)點(diǎn)的爆發(fā)時間和爆發(fā)順序?yàn)橐罁?jù)，歸納了肌肉在跑步過程中的肌肉活動狀態(tài)。如圖9所示，腹外斜肌、長收肌呈持續(xù)性放電且無明顯的放電爆發(fā)點(diǎn)，在跑步起始階段放電較大;闊筋膜張肌呈持續(xù)性放電，在后蹬，左腿支撐階段肌肉放電最活躍，之后在下放擺落-下壓著地階段放電較活躍;腓骨長肌在跑步開始階段放電較活躍，在足尖離地下放擺落階段肌肉達(dá)到爆發(fā)點(diǎn)，之后無明顯放電;脛骨前肌在跑步開始至足尖離地階段肌肉就開始爆發(fā)，之后無明顯放電;臀部和大腿前側(cè)股四頭肌、大腿后側(cè)肌群、小腿三頭肌呈規(guī)律性放電，都有各自的肌肉爆發(fā)點(diǎn)。

從分階段肌肉爆發(fā)點(diǎn)來看，著地緩沖-垂直支撐階段，腹外斜肌、長收肌、腓骨長肌放電較活躍，脛骨前肌此時放電爆發(fā)，并積極參與小腿的下壓著地動作。

垂直支撐-足尖離地階段，大腿伸肌群（半腱肌、半膜肌、股二頭?。┨幱诜烹姳l(fā)點(diǎn)，它們積極幫助伸髖屈膝，參與支撐腿的后蹬動作，此時小腿前外側(cè)肌群（脛骨前肌、腓骨長?。┤猿掷m(xù)放電。

后蹬-左腿支撐階段，臀大肌和臀中肌放電爆發(fā)，積極后擺大腿及伸髖并參與后蹬動作，大腿屈肌群中的股四頭肌和闊筋膜張肌也達(dá)到最活躍期，先參與后蹬時的伸膝動作，再使髖關(guān)節(jié)屈帶動小腿前擺。小腿屈肌群（腓腸肌內(nèi)側(cè)、腓腸肌外側(cè)、比目魚肌）開始出現(xiàn)放電爆發(fā)，此時使膝關(guān)節(jié)屈，參與擺動腿的折疊前擺至最高點(diǎn)的動作。腓骨長肌也開始出現(xiàn)肌肉放電爆發(fā)。

腳尖離地下放擺落階段，腓骨長肌和小腿屈肌群處于肌肉爆發(fā)階段，放電量處在一個單步周期中的最高點(diǎn)。

下放擺落下壓著地階段，腹外斜肌、長收肌和闊筋膜張肌較活躍。

三、下肢表面肌電特征在運(yùn)動服中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的下肢肌肉單步周期放電量、放電時間、肌肉活動規(guī)律和技術(shù)動作特點(diǎn)等結(jié)果，得知了下肢各部位的功能需求，結(jié)合文獻(xiàn)檢索得到的舒適性需求，提出了如表2所示的運(yùn)動服設(shè)計(jì)創(chuàng)新的方法，此方法基于下肢表面肌電特征，對下肢不同人體部位在促進(jìn)肌肉爆發(fā)力、穩(wěn)定核心肌群、減少肌肉拉傷和吸濕排汗方面提出了不同的功能需求，也為本文后期的運(yùn)動服設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

圖10-12為基于下肢表面肌電特征的運(yùn)動服設(shè)計(jì)實(shí)例。此款運(yùn)動服裝的分割線設(shè)計(jì)依據(jù)為實(shí)驗(yàn)所得的功能需求及設(shè)計(jì)創(chuàng)新方法，同時滿足人體肌肉走向和活動規(guī)律。褲裝分片設(shè)計(jì)共6片，結(jié)構(gòu)分割較少、縫份兒較少可減少服裝面料與皮膚的摩擦，注重服裝的舒適性。大腿前部、小腿為一整片高壓高彈面料，大腿后側(cè)和內(nèi)側(cè)為一整片彈力較大的四面彈面料，前檔部、后腰部為排汗網(wǎng)眼面料，在褲腰內(nèi)側(cè)特別縫綴了一塊硬質(zhì)網(wǎng)眼以起到固定腰部核心肌群的作用，大腿前外側(cè)、小腿后側(cè)增加了壓力帶的設(shè)計(jì)以減少肌肉震動。

結(jié)論

以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與結(jié)果表明，運(yùn)用表面肌電技術(shù)能很好地反映與跑步有關(guān)的下肢肌群各肌肉貢獻(xiàn)率、放電先后順序、肌肉活動狀態(tài)和肌肉之間的相互協(xié)調(diào)關(guān)系;對于把一個跑步單步周期支撐期、騰空期劃分為著地緩沖、垂直支撐、后蹬、折疊前擺、下放擺落和下壓準(zhǔn)備著地六個階段，通過積分肌電值（IEMG）、放電耗時百分比、肌肉爆發(fā)階段的活動狀態(tài)去分析單步周期肌肉協(xié)作的研究方法具有準(zhǔn)確性和實(shí)用性?？梢詭椭私馀懿竭\(yùn)動項(xiàng)目單步周期肌肉活動規(guī)律和技術(shù)動作特點(diǎn)的同時，更重要的是能為運(yùn)動類服裝技術(shù)和產(chǎn)品開發(fā)提供設(shè)計(jì)依據(jù)，同時也為肌肉工作的工效學(xué)分析、疲勞判定和技術(shù)動作合理性分析等方面提供一定的參考價值。