爬行运动中心率、能量消耗及表面肌电变化特征

武春英刘善云柯文德广东石油化工学院体育学系 天津体育学院体育教育训练一系广东石油化工学院计算机与电子信息学院

爬行运动中心率、能量消耗及表面肌电变化特征

武春英1刘善云2柯文德3
1广东石油化工学院体育学系 2天津体育学院体育教育训练一系3广东石油化工学院计算机与电子信息学院

目的：研究青年人爬行过程中心率、能量消耗及表面肌电变化特征。方法：选取健康青年男性12名分别做50米快速交替爬行和50米快速同向爬行，以及300米间歇交替爬行，利用心率表监测爬行过程中心率、能量消耗；采集等速交替、同向爬行过程中4个爬行运动周期的表面肌电数据，分析积分肌电和肌肉贡献率指标。结果：（1）50米快速交替和同向爬行过程中心率在110～150次/分占用时比例分别为72.22%±11.49%和70.39%±10.37%，单位时间能量消耗分别为11.16±6.46千卡/分和11.76±4.87千卡/分。（2）300米间歇爬行心率在110～150次/分占用时比例为56.00%±4.96%，单位时间能量消耗为10.99± 0.76千卡/分。（3）等速交替、同向爬行过程中三角肌、肱三头肌、股直肌、肱二头肌和斜方肌均明显放电，积分肌电和肌肉贡献率无显著差异。结论：本研究中的爬行运动方式为中高强度短时高能耗运动，上肢、下肢和肩带等多个部位肌群参与运动。

爬行；心率；能量消耗；表面肌电

爬行运动是一种新兴的健身运动，改变了人体直立的姿势进而改变了肢体的着力点，使身体重量分散到四肢，从而使颈椎、腰椎的负担大大减轻，有助于改善血液循环系统功能，并增强运动系统的功能[1]。

爬行运动对于改善身体机能和增强体质的效果受到研究者们的普遍关注，国内外学者的研究多针对爬行运动模型、肢体受力、爬行姿势及速度、肢体负荷分配等情况[2-9]，对于爬行过程中的心率、能量消耗及表面肌电变化等生理特征涉及较少。本研究以健康男性青年为研究对象，旨在通过监测不同爬行运动方式运动过程中心率、主观感觉疲劳程度（ratings of perceived ex⁃ertion，RPE）和能量消耗的变化以及不同爬行运动方式肌肉用力特点，分析研究爬行运动的锻炼价值，为制定适宜的爬行运动处方提供理论和实验依据，对于指导人们科学地进行爬行运动锻炼具有实际应用价值。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

健康男性青年16人，年龄20～26岁，无心肺功能疾病、代谢性疾病、严重的运动后关节损伤史和近期（1个月）内肌肉损伤史。接受爬行动作培训后，有12人合格完成50米快速爬行测试，年龄25.11±3.10岁，身高168.78±8.15 cm，体重64.44±7.55 kg。受试者流失4人后，有8名接受300米间歇爬行和同速爬行肌电信号数据采集，年龄24.86±1.21岁，身高174.00±0.05 cm，体重67.71±7.13 kg。

1.2 研究方法

1.2.1 实验方案

图1 实验方案

1.2.2 爬行运动方案

正式测试前，进行爬行动作培训学习2周。经培训筛选后，分别以交替爬行、同向爬行动作完成50米快速爬行（嘱受试者全力爬行），以交替爬行动作完成300米间歇爬行（间歇爬行75、75、50、50、50米，间歇时间以心率下降到120～125次／分时为标准，受试者尽量以匀速爬行，间歇时原地踏步），以等速交替、同向爬行完成4个爬行运动周期用来采集表面肌电数据。

爬行动作姿势规范标准为双手双足着地，五指分开，两臂间距约同肩宽，双足着地分开约一肩半宽，臀部尽量上抬，脚前掌着地，微屈膝。四肢顺序：交替爬行（交替性模式）为先左手、右脚同步，再右手、左脚同步，同向爬行（同侧性模式）为先左手、左脚同步，再右手、右脚同步。

1.2.3 数据采集

1.2.3.1 心率

采用遥测心率Polar表（RS800CX），爬行前测量受试者安静时心率，实时记录50米快速爬行、300米间歇爬行时的心率。设置Polar表2秒记录一次心率。

1.2.3.2 能量消耗

心率测定前在polar表中输入受试者的身高、体重、出生年月日指标，同时选定测试时间和能量消耗指标，通过爬行实时记录的时间判定爬行运动开始和结束的时间以便后期处理统计能量消耗数据。

1.2.3.3 运动时间

通过Polar表记录50米快速爬行的总时间，300米间歇爬行的总时间、爬行时间、间歇时间。

1.2.3.4 主观感觉

爬行过程中根据Borg主观感觉等级表分级标准（6：安静；7～8：非常轻松；9：很轻松；10～11：轻松；12～14：稍费力；15：费力；16～18：很费力；19～20：非常费力），受试者每爬行10米被询问并记录受试者主观感觉一次。

1.2.3.5 表面肌电

采用Noraxon 8导联表面肌电分析仪（Noraxon inc. U.S.A）以及Mrxp Master肌电信号处理软件（Noraxon inc.U.S.A）采集等速交替、同向两种爬行运动时斜方肌上束、三角肌前束、肱三头肌中束、肱二头肌、股直肌的肌电信号。肌电信号采集时受试者准备好爬行姿势，待基线稳定后，由仪器操作者发出口令，以每2秒一个摆动动作（交替性模式为：左手、右脚同步或右手、左脚同步的动作起始，同侧性模式为：左手、左脚同步或右手、右脚同步的动作起始）。按节拍器的节奏进行爬行，肌电信号每一个运动周期（连续完成两个摆动动作）打3个标志点，最终选取4个运动周期对肌电信号数据进行分析。

1.4 数据处理

计算各运动方案过程的平均用时（秒）、平均速度（米/分）。

心率和能量消耗的数据使用Polar ProTrainer5统计软件进行分析处理。得到心率相关数据：安静心率、开始心率（次/分）、最高心率（次/分）、平均心率（次/分）、各爬行方案过程中心率在120～140次/分、110～150次/分范围内的时长占相应总时间的百分比（%），能量消耗数据为针对受试者的身高、体重、出生年月日指标个性化后的相对数值。所谓运动负荷“有效价值阈”是指人在体育锻炼过程中，心脏每分钟在一定的数量范围内跳动，而获得最有效的锻炼效果，人们把这一定数量范围的心率，称为运动负荷的“有效价值阈”[10]。已有研究表明，心脏每搏输出量保持在较高的水平时健身效果最佳，此时运动心率范围为120～140次/分，该心率范围被称为运动负荷最佳价值阈，此心率范围处在运动负荷有效价值阈（心率在110～150次/分）内[11，12]。

原始表面肌电信号的分析处理：将采集到的原始肌电信号使用MyResearch Xp Master Edition 1.07.01肌电分析软件进行处理：截取相应的动作阶段，将原始肌电信号转换为积分肌电数据：①划分动作周期：本实验采集到的是受试者爬行动作的全部连续数据，爬行运动是周期性运动项目，第一次开始抬一侧手或脚到下一次开始抬同侧手或脚为一个动作周期。②计算肌肉的积分肌电值：分别分析两种爬行方式下肌肉的动员情况，截取各肌肉四个运动周期时段肌电信号，采用Noraxon软件通过对原始信号进行整流、平滑，计算每块肌肉的积分肌电（IEMG），采用10%积分肌电最大值作为判定肌肉放电活动的开始和结束点，肌肉开始和结束之间的时间，就是所测试肌肉的活动持续时间。通过各肌肉积分肌电占该肌肉最大自主收缩（MVC）时单位时间内积分肌电值的百分比对积分肌电进行标准化处理。肌肉活动贡献度是指一块肌肉在完成某一动作时积分肌电值占所测参与完成该动作所有肌肉积分肌电总和的百分比值，以此描述各块肌肉对整体贡献的大小[13，14]，实验中运用积分肌电指标评价爬行运动过程中肌肉的用力特点。

1.5 数据统计

数据处理后，运用SPSS17.0统计软件进行分析处理，本研究中采用配对t检验的数理统计分析方法比较两种爬行方式的心率、能量消耗和积分肌电指标，结果数据均采用平均值±标准差表示，设定显著性水平为0.05。

2 结果与分析

2.1 50米快速爬行中各指标结果

2.1.1 50米快速爬行运动中的心率

由表1可知，50米快速交替爬行和同向爬行运动过程中分别有43.81%±19.56%和46.65%±13.46%的时间为心率范围在运动负荷最佳价值阈心率范围（120～140次/分）内，分别有72.22%±11.49%和70.39%± 10.37%的时间心率范围在运动负荷有效价值阈心率范围（110～150次/分）内，50米快速交替爬行和同向爬行运动中最高心率分别为163.56±7.98次/分和164.56± 12.75次/分，平均心率分别为141.87±6.23次/分和138.16±9.38次/分，平均用时53.78±7.62秒和55.00± 13.61秒。平均速度为55.78±7.62米/分和54.55±13.61 米/分。两种爬行方式以上各项心率指标的均值都无显著性差异，P＞0.05。

表1 50米快速爬行心率变化（n=12）

2.1.2 50米快速爬行运动中的主观用力感觉（RRPPEE）

50米快速爬行运动过程中测试了受试者的主观运动感觉程度，其主观感觉程度与运动中心率水平基本对应一致。交替手足爬行受试者运动中的RPE为14.87±7.63，同向手足爬行受试者运动中RPE为15.14± 8.24，主观感觉稍费力和费力。

2.1.3 50米快速爬行运动中的能量消耗

由表2可见，50米快速交替和同向爬行过程中单位时间能量消耗分别为11.16±6.46千卡/分和11.76± 4.87千卡/分，用时分别为53.78±7.62秒和55.00±13.61秒，50米快速爬行属于短时高能耗的运动方式。对于爬行运动初学者来说两种爬行方式运动负荷量均较大，且50米快速交替和同向爬行单位时间内的能量消耗均值无显著性差异，P＞0.05。

表2 50米快速爬行运动中的能量消耗（n=12）

2.2 300米间歇交替爬行过程中心率、能量消耗变化

2.2.1 300米间歇交替爬行运动中的心率变化

由表3可见，300米间歇交替爬行运动中最高心率可达170.71±10.16次/分，平均心率为136.14±10.55次/分，心率在120～140次/分水平占总爬行过程的百分比为34.33%±5.66%，心率在110～150（次/分）水平占总爬行过程的百分比为56.00%±4.96%，整个爬行过程总用时为1026.00±192.92秒。

表3 300米间歇交替爬行心率变化（n=8）

2.2.2 300米间歇交替爬行运动中的能量消耗

由表4可见，300米间歇交替爬行能量消耗为188.43±39.82千卡，其中运动时能量消耗为81.83± 10.57千卡，间歇时能量消耗为100.56±29.53千卡，总用时为1026.0±192.92秒，单位时间能量消耗10.99±0.76千卡/分，平均速度为38.08±3.00米/分。

表4 300米间歇交替爬行运动中的能量消耗（n=8）

2.3 等速爬行运动中主要肌群肌电变化特征

图5描述了6个连续的爬行动作周期，可见，该爬行受试者动作周期稳定性较好，能清楚看出每个周期每块肌肉的活动状态。

图5 一名受试者原始肌电图

2.3.1 等速爬行运动中主要肌群积分肌电的变化

如表5所示，在同向爬行过程中三角肌肌肉放电量最高，其次是股直肌和肱三头肌，斜方肌和肱二头肌放电量最小；在交替爬行过程中三角肌放电量最高，其次为肱三头肌和股直肌，斜方肌和肱二头肌放电量仍为最小。经配对T检验，两种爬行方式5块肌肉放电用力情况无显著性差异，P＞0.05。

2.3.2 等速爬行运动中主要肌群肌肉力量贡献率

如表6所示，两种方式爬行主要肌肉贡献率情况为：同向爬行中主要肌肉贡献率依次为：股直肌30.73%±16.80%、三角肌27.67%±14.20%、肱三头肌19.11%±8.79%、肱二头肌12.52%±12.09%、斜方肌9.97%±6.93%，交替爬行方式中主要肌肉贡献率为三角肌25.88%±11.01%、肱三头肌24.17%±13.02%、股直肌24.17%±13.02%、肱二头肌16.01%±9.83%、斜方肌12.60%±11.33%。可见，在同向爬行中股直肌、三角肌和肱三头肌为主要发力肌肉；在交替爬行中三角肌、肱三头肌和股直肌均为主要发力肌肉，且三者相差不明显。经统计学分析得出两种爬行方式各主要发力肌肉贡献率无显著差异，P＞0.05。

两种爬行方式均能很好地锻炼以上5块肌肉的力量，且三角肌、股直肌、肱三头肌3块肌肉为爬行运动主要锻炼肌肉。

表5 爬行过程中5块肌肉的积分肌电值：uv（四个动作周期，n=8）

表6 爬行主要发力肌肉力量贡献率（%，n=8）

3 讨论

3.1 爬行的运动负荷特点与运动价值

在提高运动训练效果的过程中，运动负荷是最活跃的因素之一，只有适宜负荷的作用，运动者才能产生适应并提高运动水平[15]。运动负荷阈是运动负荷的一种量化指标，它按一定的心率区间来划分，是运动中适宜生理负荷的最低水平到最高水平之间的范围[16]。心率变化与运动强度在一定的范围内存在线性关系，当运动中心率高于150次/分时，运动损伤和运动疾病更容易发生；当运动心率低于110次/分时，锻炼效果不明显。最佳健身运动负荷的标准被认为是心率在120～140次/分时的运动强度。本实验50米快速交替爬行和同向爬行运动过程中分别有43.81%±19.56%和46.65%±13.46%的时间为心率范围在运动负荷最佳价值阈心率范围（120～140次/分）内，分别有72.22%± 11.49%和70.39%±10.37%的时间心率范围在运动负荷有效价值阈心率范围（110～150次/分）内，说明此运动形式有锻炼价值。因为心率与年龄、性别、体质、训练水平和生理状态等因素相关，本研究根据心率的影响因素，严格控制个体之间的差异水平。实验所选用的受试者均为男性青年学生、无规律运动习惯，无爬行运动锻炼基础，经过2周的爬行学习能完成快速爬行至少50米远的距离，尽量缩小爬行受试者的基本身体状况的个体差异性，进而进一步研究爬行运动的特点。中国教练和科研人员对心率运动强度进行系统研究后初步确定运动后即刻心率与运动强度等级关系为：心率在150次/分以上为中等强度，心率在180次/分以上为大强度；而俄罗斯科研人员在能量训练分类和训练控制方法中提出，中等强度运动心率为130～150次/分，大强度运动心率为160～180次/分[17]。本实验50米快速交替和同向爬行过程中最高心率分别为163.56± 7.98次/分和164.56±12.75次/分，该最高心率为运动后即刻心率，可认为本实验中的50米快速爬行方式为中高强度水平运动。本实验50米快速交替和同向爬行的平均速度为55.78±7.62米/分和54.55±13.61米/分，在实际运动锻炼计划的执行过程中运动者可根据自身的实际情况适当减慢爬行速度或延长爬行距离，进而调整爬行锻炼的运动强度，使健身锻炼达到更好的预期效果。

本实验中两种方式50米快速爬行测试前让受试者说明自身总体主观感觉相当于RPE量表上的哪一级数值，并要求其区分好运动器官局部感觉和总体主观感觉以减少实验误差。爬行运动中受试者主观感觉稍费力和费力，受试者运动过后无恶心、胸闷、头晕眼花等表现，说明此实验中50米快速交替和同向爬行方式对青年人有锻炼价值。

美国运动医学会（ACSM）和疾病控制预防中心（CDC）提出[18]，体力活动强度每分钟能量消耗4～7千卡为中等强度，每分钟能量消耗大于7千卡为高强度运动。一般情况下，对于初始运动者来说，从每次能量消耗为100～200千卡的基础开始运动为佳，其后可依体能的提高情况逐步增加运动强度或运动量，每次的能量消耗可增加至200～300千卡；对于中等体能的运动者来说，每次的能量消耗可为200～400千卡[19]。本实验中能量消耗数据为针对受试者的身高、体重、出生年月日指标个性化后的相对数值，50米快速交替和同向爬行能量消耗分别为11.16±6.46千卡/分和11.76± 4.87千卡/分、单位时间内能量消耗无显著性差异，所采用的50米快速爬行是一项节省时间又明显消耗能量的运动，对于爬行运动初学者来说，按每次消耗能量100～200千卡计算，每次运动10～20分钟即可。

间歇运动是指对一定运动强度的运动项目进行多次运动，严格规定运动的间歇时间使机体始终在不完全恢复状态下反复进行运动，以提高运动能力的运动方法[20]。爬行运动要求运动者能维持一定的时间或距离或速度，这样才能使爬行运动发挥较好的运动效果，因而采用间歇锻炼法更具可行性。一直以来，运动训练的间歇时间长短的设定是运动指导者关注的主要内容之一，因为运动间歇时间的长短对运动训练强度、训练量及运动训练效果有显著影响。每组或每次运动间歇时间的长短对血液和肌肉中三磷酸腺苷/磷酸肌酸再合成的数量及乳酸浓度起决定性作用[21]。间歇运动的主要理论基础是心输出量在恢复过程中的超量恢复现象。研究表明，一定强度的运动后10～30s心脏搏出量会出现比运动后即刻有不同程度的升高现象，而且心搏量的增多要超过运动时的水平[20]。大多数学者[21，22]认为在运动初期单组运动和多组运动在效果上差别不大，因而在运动初期可采用单组运动，待单组运动训练一段时间机体适应后再采用多组运动效果会更好。本实验为了观察间歇交替爬行运动中运动者心率、能量消耗指标的变化，要求8名受试者进行300米间歇交替匀速爬行。从实验结果可见，300米间歇交替爬行最高心率为170.71±10.16次/分，单位时间能量消耗为10.99±0.76千卡/分，总用时为1026.0±192.92秒，属于中高强度短时高能耗运动方式。在爬行初期运动者可采取间歇爬行方式进行单组运动，也可配合自己喜爱的其它运动形式共同完成运动量，以达到锻炼健身的目的，同时根据心率和能量指标可使爬行运动更科学有效。

3.2 表面肌电中IEMGIEMG指标可反映肌肉的肌力水平

本实验中，肱三头肌、肱二头肌、三角肌、斜方肌在爬行过程中均明显放电，在同向爬行和交替爬行过程中都有脚掌用力蹬地的动作，在屈髋和伸膝关节中起重要作用的股直肌收缩用力在该环节中的作用不容忽视，该肌肉放电明显。在爬行过程中多关节共同协调运动，运动中肌肉既有向心收缩又有离心收缩，经统计学分析，两种爬行方式运动中5块肌肉用力情况无显著性差异，提示在选择手足爬行方式时，运动者可根据自己的喜好自愿选择爬行姿势进行运动。

本实验所选取的5块肌肉为放电量明显的肌肉，说明爬行运动为多肌肉群参与的运动。在运动中肌肉收缩消耗能量，参与运动的肌群数量多则消耗的能量也高，爬行运动可在短时间内调动心脏储备向运动肌群供应能量提高机体的代谢水平。

4 总结

综上所述，从肌肉收缩方式角度，爬行运动是一项多关节、动力性收缩活动。50米快速爬行和300米间歇爬行运动属于中高强度短时高能耗的运动。交替手足爬行和同向手足爬行动员了上肢、下肢和肩带等多个部位肌群。交替手足爬行和同向手足爬行在运动强度和肌肉参与程度上差异不显著，锻炼者可依个人喜好选择锻炼方式。

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Changes of Heart Rate，Energy Consumption and Surface Electromyography in the Process of the Crawling Exercises

Wu Chunying1，Liu Shanyun2，Ke Wende3
1 Department of Physical Education，Guangdong University of Petrochemical Technology，Guangdong 525000，China 2 Physical Education and Training，Tianjin University of Sport，Tianjin 300381，China 3 School of Computer and Electronic Information，Guangdong University of Petrochemical Technology，
Guangdong 525000，China Corresponding Author：Wu Chunying，Email：wchy1979@163.com

ObjectiveTo investigate the changes of heart rate，energy consumption and surface electromyogra⁃phy（EMG）of young people in the crawling exercise.MethodsTwelve healthy young men were chosen to carry out 50-meter high-speed alternative crawling exercise and 50-meter identical-side crawling exercise as well as 300-meter intermittent and alternative crawling exercises respectively.The heart rate and energy consumption were monitored in the crawling process.The surface EMG data of equal-speed alternative crawling and identi⁃cal-side crawling in the four crawling periods were collected.The indexes of integrated EMG and muscle contri⁃bution rate were analyzed.Results1.In the process of 50-meter high-speed identical-side crawling exercise and the alternative one，for 72.22%±11.49%and 70.39%±10.37%of the time，the objects’heart beats ranged from 110 to 150 per minute，and the average energy consumption was 11.16±6.46 kcal/minute and 11.76±4.87 kcal/minute respectively.2.During 300-meter intermittent alternative crawling exercises，the participants’heartbeats ranged from 110 beats/minute to 150 beats/minute in 56.00%±4.96%of the process，while the energy consumption was 10.99±0.76 kcal/minute.3.Obvious discharge was observed in the deltoid，triceps brachii，rec⁃tus femoris，biceps brachii and trapezius in the processes of equal-speed alternative crawling and identical-side crawling.However，no significant differences were found in the integrated electromyography and muscle contri⁃bution rate.ConclusionsThe crawling exercises studied were short-term high-energy-consumption exercises with medium-high intensity.Several muscle groups in the upper limb，lower limb and shoulder girdle joints par⁃ticipate in the crawling exercises.

crawling，heart rate，energy consumption，surface electromyography

2014.12.02

广东省云机器人（石油化工）工程技术研究中心开放基金（201507B06）；茂名市科技计划项目（20150336）；广东石油化工学院实验课题研究项目（215164）；广东石油化工学院成人教育教学与管理研究项目（CJ1508）

武春英，Email：wchy1979@163.com