冰刀鞋刀橋結(jié)構(gòu)差異對下肢表面肌電的影響

辛東升，王占星，閆文飛，馬英華＊，程正平，夏潤亭，陳上

（1.河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 邢臺 054000；2.中國皮革制鞋研究院科技研發(fā)中心，北京 100015；3.中國皮革制鞋研究院（晉江）有限公司，福建 晉江 362200）

1 前言

冬奧會以速度區(qū)分成績的滑冰分為“短道速滑”和“速度滑冰”，兩者的距離和裝備均有不同。短道速滑的個(gè)人最長距離為3000 m；距離5000 m以上時(shí)則為速度滑冰，也稱大道速滑。短道速滑冰刀鞋的冰刀是固定式冰刀，冰刀與鞋身有兩個(gè)固定點(diǎn)；而大道速滑冰刀鞋的冰刀與鞋身只有一個(gè)固定式連接點(diǎn)，第二個(gè)連接點(diǎn)是可分離的[1]。大道分離式冰刀也稱克萊普冰刀（KLAP）冰刀，它最早起源于荷蘭，1997年被批準(zhǔn)冬奧比賽使用。克萊普冰刀的最大特點(diǎn)是改變了運(yùn)動員蹬離期的背屈角度，運(yùn)動員的動能能夠得到更大釋放，從而使得該項(xiàng)賽事屢破世界紀(jì)錄。然而隨著應(yīng)用，克萊普冰刀的缺點(diǎn)也日益顯現(xiàn)出來。李寶貴[2]研究發(fā)現(xiàn)克萊普冰刀鞋改變的只是膝踝關(guān)節(jié)的背屈角度，而對于跖趾背屈的改善不大，節(jié)能效果也不明顯；并且克萊普冰刀鞋在大道速滑啟動和沖刺階段也存在一定的短板。

近期，本課題組將其刀橋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新改進(jìn)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)其能量回歸效果有了很大的改善。本文主要采用無線表面肌電系統(tǒng)測試和分析了冰刀鞋刀橋結(jié)構(gòu)的差異對運(yùn)動員下肢表面肌電的影響。

2 測試

2.1 受試運(yùn)動員和測試用鞋

本研究選取了4 名省隊(duì)運(yùn)動員，其中國家金星二級運(yùn)動員1 名，金星一級運(yùn)動員3 名。測試地點(diǎn)為吉林省長春市國家冰上訓(xùn)練基地速滑館。運(yùn)動員年齡（18±2）歲；體重：（58.75±8.30）kg；身高：（174.30±3.60）cm。受試者標(biāo)準(zhǔn)為：（1）速滑專業(yè)訓(xùn)練持續(xù)3年以上；（2）近6 個(gè)月下肢未發(fā)生過嚴(yán)重運(yùn)動損傷；（3）下肢肌力正常（5 級）；（4）踝關(guān)節(jié)跖屈、背屈正常（-15°～+42°）；（5）膝關(guān)節(jié)無膝超伸和膝過屈；（6）鞋號為法碼43#，兩雙鞋的鞋身相同，對比鞋采用普通克萊普冰刀，改進(jìn)鞋采用改進(jìn)型克萊普冰刀。對比鞋刀橋?yàn)槌Ｒ?guī)結(jié)構(gòu)，改進(jìn)鞋安裝了帶彈簧組裝件的刀橋其后跟高度比對比鞋增加了3 cm（圖1）。

圖1 刀橋結(jié)構(gòu)不同的對比鞋與改進(jìn)鞋

2.2 測試設(shè)備和測試場地

設(shè)備為YW-wireless16 通道便攜式無線表面肌電測試儀。

跑道長度400 m，半圓形半徑為36.5 m，直道長度84.39 m；熱身賽道寬度4 m。

2.3 測試程序

（1）首先對受試者進(jìn)行下肢各關(guān)鍵關(guān)節(jié)的活動度進(jìn)行評估，對足型特征部位的翻角度進(jìn)行測量（表1、圖2）。

表1 受試者下肢關(guān)節(jié)活動度及足型翻角度測試表Tab.1 Test of lower limb joint range of motion and foot shape

圖2 受試者下肢關(guān)節(jié)活動度及足型翻角度測量

（2）將表面肌電采集器（電極）固定到運(yùn)動員的下肢被測試肌肉位置處。

受試者穿著統(tǒng)一的比賽專業(yè)服，電極放置時(shí)先用醫(yī)用酒精將皮膚消毒，如果有死皮角質(zhì)需要將其清除，如果是多毛皮膚需要將毛發(fā)剔除干凈。

為確定電極被放置的準(zhǔn)確位置，此過程中，受試者要不斷進(jìn)行相關(guān)屈伸動作。

肌電采集器分別貼在股直?。ㄗ笸菴H00、右腿CH01）、脛骨前?。ㄗ笸菴H02、右腿CH03）、股二頭?。ㄗ笸菴H04、右腿CH05）、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭（左腿CH06、右腿CH07）（圖3）。左右腿各4 個(gè)電極，雙腿一共8 個(gè)電極。

圖3 電極放置位置

為了防止電極在運(yùn)動中移位和脫落，需要用醫(yī)用外敷貼進(jìn)行二次覆蓋加固（圖4）。電極放置后運(yùn)動員肌肉應(yīng)當(dāng)無壓迫或松弛感，外敷貼對皮膚無牽拉感。

圖4 電極在皮膚上的固定

（3）將數(shù)據(jù)采集盒使用專用帶固定在受試者背后，以對受試者胸部不造成壓迫感和呼吸順暢為準(zhǔn)（圖5）。

圖5 數(shù)據(jù)采集盒的固定

（4）設(shè)備安裝完成后讓受試者在場地上自由滑行一圈進(jìn)行適應(yīng)，并測試肌電信號是否通順、穩(wěn)定、完整。

（5）正式測試。

先讓受試者穿著普通刀橋結(jié)構(gòu)的克萊普冰刀鞋進(jìn)行5000 m 測試。然后休息1 h，等運(yùn)動員疲勞度完全消失后穿著改進(jìn)刀橋結(jié)構(gòu)的克萊普冰刀鞋進(jìn)行第二次測試。運(yùn)動員休息期間不能暴飲暴食，可適當(dāng)飲水。測試時(shí)，數(shù)據(jù)采集人員在起滑開始前30 s 向教練員發(fā)出預(yù)備指令，并啟動設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。結(jié)束時(shí)，運(yùn)動員在終點(diǎn)前方100 m 處減速并掉頭緩速停止。

3 數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用美國加州RLA 分類法[3]，將步態(tài)周期的時(shí)相分為擺動期和支撐期兩個(gè)階段，支撐期在滑冰運(yùn)動中稱為蹬冰期，它又分為觸冰、承重、蹬冰三個(gè)階段。將5 名運(yùn)動員的肌電圖及其數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加平均處理，取其平均值。將測試結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入EXCELL表格，應(yīng)用SPSS20.0 軟件對EXCELL 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。各項(xiàng)數(shù)據(jù)之間的平均值采用（x均±s）表示，組間獨(dú)立樣本采用t 檢驗(yàn)，顯著性水平差異為（P＜0.05）。RMS(均方根)肌電數(shù)據(jù)需要進(jìn)行全波段整流處理，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。

4 結(jié)果分析

4.1 步態(tài)周期用時(shí)

從表2 看出：

表2 大道速滑步態(tài)周期用時(shí)比例Tab.2 Gait cycle time ratio during highway speed skating

（1）對比鞋左腿的總用時(shí)（06∶53∶01）大于右腿（06∶48∶12），改進(jìn)鞋左腿總用時(shí)（06∶39∶05）也是大于右腿（06∶37∶03），改進(jìn)鞋左右腿總用時(shí)均小于對比鞋。

（2）對比鞋擺動期左腿用時(shí)（41%）小于右腿用時(shí)（42%），蹬冰期左腿用時(shí)（59%）大于右腿用時(shí)（58%）；改進(jìn)鞋擺動期左腿用時(shí)（37%）小于右腿用時(shí)（38%），蹬冰期左腿用時(shí)（63%）大于右腿用時(shí)（62%）。對比鞋和改進(jìn)鞋分別在擺動期、蹬冰期出現(xiàn)了相同的規(guī)律。

（3）同一步態(tài)周期比較，對比鞋擺動期左、右腿的用時(shí)（41%、42%）均大于改進(jìn)鞋的（37%、38%），蹬冰期左、右腿的用時(shí)（59%、58%）均小于改進(jìn)鞋的（63%、62%）。改進(jìn)鞋的蹬冰期用時(shí)增加。

4.2 單位時(shí)間內(nèi)肌肉IMEG

從表3 看出：

表3 大道速滑單位時(shí)間肌肉IEMG 對比表Tab.3 Unit time muscle IEMG comparison during highway speed skating

（1）改進(jìn)鞋的雙腿脛骨前肌的IEMG 放電、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭的IEMG 放電情況都與對比鞋具有顯著性的差異。

（2）對比鞋左腿IEMG 的最大放電數(shù)值出現(xiàn)在脛骨前?。?2.295），最小值出現(xiàn)在股直?。?.555）；對比鞋右腿的IEMG 的最大放電數(shù)值出現(xiàn)在脛骨前?。?40.235），最小值也是出現(xiàn)在股直?。?1.505）。

（3）改進(jìn)鞋左腿IEMG 的最大放電數(shù)值與對比鞋類似，也是出現(xiàn)在脛骨前?。?4.275），最小值出現(xiàn)在腓腸肌內(nèi)側(cè)頭（10.475）；改進(jìn)鞋右腿IEMG 的最大放電數(shù)值出現(xiàn)在腓腸肌內(nèi)側(cè)頭（251.555），最小值出現(xiàn)在股二頭?。?5.395）。

4.3 振幅曲線

從圖6 看出：

圖6 大道速滑肌肉RMS 振幅曲線對比圖

（1）整體來看，對比鞋與改進(jìn)鞋的RMS 曲線有明顯差異。對比鞋的RMS 曲線振幅較大；改進(jìn)鞋RMS 曲線振幅相對較小，整體呈現(xiàn)一種平滑趨勢。

（2）振幅變化最為顯著的是對比鞋的腓腸肌內(nèi)側(cè)頭（左腿CH06、右腿CH07），它與改進(jìn)鞋的振幅有顯著差異。并且左腿振幅大于右腿，但是左腿頻率不如右腿。

（3）振幅對比較為明顯的是對比鞋的脛骨前?。ㄗ笸菴H02、右腿CH03）。它與改進(jìn)鞋也有較大差異。

（4）股直?。ㄗ笸菴H00、右腿CH01）在兩雙鞋的對比中曲線振幅數(shù)值差異最小。

4.4 肌肉貢獻(xiàn)率

從圖7 和表4 得出所有肌肉發(fā)力（即做功）的大小等級排列如下：

圖7 肌電貢獻(xiàn)率圖像

表4 大道速滑肌肉貢獻(xiàn)率排序表Tab.4 Ranking of muscle contribution rate during highway speed skating

（1）對比鞋左腿：脛骨前?。?2.295）＞股二頭?。?3.965）＞腓腸肌內(nèi)側(cè)頭（17.855）＞股直?。?.555）；測試鞋右腿：脛骨前?。?40.235）＞股二頭?。?8.565）＞腓腸肌內(nèi)側(cè)頭（36.265）＞股直肌（21.505）；雖然右腿與左腿的肌肉發(fā)力大小的規(guī)律相同，但是右腿總體做功普遍大于左腿。

（2）改進(jìn)鞋左腿：脛骨前?。?4.275）＞股直?。?9.515）＞股二頭肌（39.995）＞腓腸肌內(nèi)側(cè)頭（10.475）；對比鞋右腿：腓腸肌內(nèi)側(cè)頭（251.555）＞脛骨前肌（142.045）＞股直?。?0.545）＞股二頭?。?5.395）；右腿出現(xiàn)了與左腿肌肉發(fā)力大小不同的排列規(guī)律；同對比鞋，改進(jìn)鞋的右腿各肌肉做功普遍大于左腿。

5 結(jié)果討論

從表面肌電測試結(jié)果來看，對比鞋與改進(jìn)鞋在步態(tài)周期、單位時(shí)間放電量、振幅曲線和肌肉貢獻(xiàn)率四個(gè)方面均存在顯著差異。這說明冰刀刀橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對于大道速滑運(yùn)動員的能量回歸具有重要影響。

（1）從步態(tài)周期測試結(jié)果來看，改進(jìn)鞋左右腿總用時(shí)均小于對比鞋，這說明刀橋結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的克萊普冰刀鞋其整體速度得到了提升。根據(jù)能量守恒公式：P=mv，（動量=質(zhì)量×速度），當(dāng)運(yùn)動員身體重量不變的情況下，其速度增加動量也隨之增加。由沖量與動量轉(zhuǎn)化公式Ft=mvt-mv0可知，當(dāng)時(shí)間t越少，所用力量F 也就越小，肌肉力量越小所消耗能量越低。所以，刀橋結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的克萊普冰刀鞋降低了運(yùn)動員的能量損失。

對比鞋和改進(jìn)鞋左腿的總用時(shí)都大于右腿，說明運(yùn)動員的左腿為持重腿（也稱發(fā)力腿），其發(fā)力時(shí)間較久，這與步態(tài)蹬冰期左腿用時(shí)大于右腿相一致。

從擺動期和蹬冰期橫向?qū)Ρ冉Y(jié)果來看，改進(jìn)鞋蹬冰期左右腿用時(shí)均大于對比鞋，這說明在蹬冰期（接觸冰面）人體能量得到增強(qiáng)，擺動期（足部懸空）能量消耗減少。

（2）單位放電量IEMG 這一指標(biāo)反映的是一定時(shí)間內(nèi)肌肉中參與活動的運(yùn)動單位的放電總量，它主要用于分析肌肉在單位時(shí)間內(nèi)的收縮特性[4-5]，它是反映肌肉做功的最直接指標(biāo)之一。

通過對比鞋IEMG 值可以看出，其左右腿最大值都出現(xiàn)在脛骨前肌，這說明對比鞋能量消耗最大的肌肉是脛骨前肌。脛骨前肌是踝踝關(guān)節(jié)跖屈的重要肌肉，它在足部蹬冰期發(fā)揮著主要作用[6]。這一結(jié)果符合速滑運(yùn)動的人體生物力學(xué)原理。

但是，通過分析對比鞋的IEMG 值發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)鞋右腿的IEMG 最大值出現(xiàn)在了腓腸肌內(nèi)側(cè)頭，這說明改進(jìn)刀橋結(jié)構(gòu)對運(yùn)動員的發(fā)力肌肉部位產(chǎn)生了改變。這與刀橋后端彈簧高度增加有直接關(guān)系。隨著彈簧高度的增加，踝關(guān)節(jié)跖屈角度增大，運(yùn)動員身體重心前傾，腿部蹬冰期發(fā)力跖屈運(yùn)動省略，發(fā)力肌肉由原來的脛骨前肌變?yōu)榱穗枘c肌。

此外，在腓腸肌內(nèi)外側(cè)頭的力矩對比中，因?yàn)殡枘c肌外側(cè)頭較內(nèi)側(cè)頭粗大，其承擔(dān)著更多的放電任務(wù)[7-8]，其IEMG 值的可信度較好。這也是下肢表面肌電試驗(yàn)通常選取內(nèi)側(cè)頭的一個(gè)主要因素。

另外，雖然改進(jìn)鞋左腿IEMG 最大值也出現(xiàn)在了脛骨前肌，但是其數(shù)值（84.275）遠(yuǎn)低于右腿腓腸肌內(nèi)側(cè)頭（251.555），這與其左腿作為持重腿的習(xí)慣發(fā)力有關(guān)。從改進(jìn)鞋右腿腓腸肌內(nèi)側(cè)頭IEMG 數(shù)值（251.555）來看，其數(shù)值遠(yuǎn)低于對比鞋右腿脛骨前肌數(shù)值（640.235），這說明改進(jìn)后的刀橋結(jié)構(gòu)能量消耗低于普通克萊普冰刀鞋的。

（3）從RMS 振幅曲線來看，對比鞋與改進(jìn)鞋差異較大。RMS 振幅曲線是一個(gè)判斷肌肉活動時(shí)程、肌電活動強(qiáng)度的重要指標(biāo)[9-11]。它是下肢表面肌電測試的一個(gè)有力工具。如果RMS 曲線振幅越大，說明該肌肉做功越強(qiáng)[12-13]。同時(shí)，能量消耗也越高。

測試結(jié)果顯示改進(jìn)鞋RMS 曲線振幅整體上明顯小于測試鞋，這說明改進(jìn)刀橋結(jié)構(gòu)后的對比鞋能量消耗低于測試鞋，其中腓腸肌內(nèi)側(cè)頭是變化最大的一個(gè)變量（左腿CH06、右腿CH07）。這說明刀橋的后跟高度對脛骨前肌做功具有減弱作用。這一結(jié)果也與IEMG 測試結(jié)果相吻合。

在該曲線圖像中股直肌（左腿CH00、右腿CH01）的曲線絕對數(shù)值差異波動較小，這說明兩雙鞋的刀橋結(jié)構(gòu)差異對該肌肉放電影響不大。這與該肌肉距離足踝較遠(yuǎn)，位置偏高有一定的關(guān)系。

（4）從肌肉貢獻(xiàn)率測試結(jié)果來看，改進(jìn)鞋的肌肉做功大小次序與對比鞋有所不同。對比鞋的脛骨前肌做功排在第一位，而改進(jìn)鞋的腓腸肌內(nèi)側(cè)頭排在第一位。這一結(jié)果與IEMG 測試結(jié)果一致。說明了改進(jìn)后的刀橋結(jié)構(gòu)降低了脛骨前肌的能量損失。

根據(jù)左、右腿肌電數(shù)值可以看出，對比鞋和改進(jìn)鞋的移動腿做功均大于持重腿。這說明，刀橋結(jié)構(gòu)改進(jìn)對于移動腿的能量回歸改善作用更強(qiáng)。

肌肉貢獻(xiàn)率還可以判斷人體冠狀面肌肉鏈的整體做功分布[14-15]。從測試結(jié)果來看，大道速滑運(yùn)動時(shí)的主要做功肌肉集中于膝關(guān)節(jié)以下的小腿區(qū)域。其中以脛骨前肌和其拮抗肌腓腸肌為主。而膝關(guān)節(jié)以上的股直肌和股二頭?。ɑ檗卓辜。┳龉佑诖我恢?。

6 結(jié)論

（1）改進(jìn)型冰刀鞋可以在蹬冰期（接觸冰面）使運(yùn)動員能量得到增強(qiáng)，擺動期（足部懸空）能量消耗減少，有利于提高能量回歸效率。

（2）改進(jìn)型冰刀鞋可以改變小腿肌肉發(fā)力次序，使最大做功肌肉發(fā)生轉(zhuǎn)移，進(jìn)而節(jié)省能量。

（3）改進(jìn)型冰刀鞋可以整體降低下肢肌肉能量消耗，提高能量回歸效果。

（4）改進(jìn)型冰刀鞋可以使移動腿的做功得到更好提升，并且小腿肌肉的做功改善應(yīng)當(dāng)作為未來冰刀鞋研發(fā)突破的一個(gè)重點(diǎn)方向。