骑行运动裤压力与大腿疲劳关系研究

吴昕穗，顾奇琦，方红琼，陈晓娜，上海工程技术大学服装学院

骑行运动的核心是下肢运动，下肢关节与肌群的锻炼使肌力得到提高的同时，也包含对骑行者耐力的考验，需要专业运动服装提供技术辅助以及安全保障。如何有效缓解长时间运动中的下肢疲劳，提高运动者耐力成为骑行运动服装的关键。根据用途和款式的实用性，本试验选取赛事及骑行爱好者常用骑行短裤进行测试。

面料的选择和服装压都是影响服装穿着舒适性的重要方面。国内外众多品牌多针对骑行面料的排汗性、透气性、渗透性等功能性进行创新设计和开发，但针对骑行运动中服装压与抗疲劳研究相对较少。除了面料性能外，选择合适的紧身款式给大腿施加适当的压力能为肌肉更好发挥其能力起到提升作用，缓解运动时的肌肉紧张，且不会产生裤管和自行车间的摩擦或卡夹现象。根据以往研究表明：服装压力随时间变化而变化，骑行运动开始时，若已因运动紧身裤对人体造成的压力感到不适，则该不适感会随时间的推移将可能不断增强并趋向于严重不适，最终影响运动效果甚至对人体造成伤害。可见，合适的压力才能为骑行提供帮助，因此本文着眼于局部肌肉群运动所受压力对骑行运动裤所产生的服装压进行研究。

国内对服装压与舒适性关系的研究主要集中在研究静态服装压力上，通过测定面料的力学性能，并在制作成衣后再测定人体各部位的服装压，然后分析面料力学与服装压直接的关系，但是此研究方法所建立的理论模型不适用于骑行运动中各阶段动态变化的服装压力大小。因此本文选择研究骑行运动中服装压与大腿肌肉疲劳的动态波动关系，可以更准确地定量运动时的肌肉疲劳程度，试验分别从客观指标和主观指标在进行骑行运动中不同肌肉部位疲劳程度加以判定。

客观指标方面，表面肌电信号以其无创性、实时性、准确性记录神经肌肉活动的变化，并有效反映肌肉功能状态的特点，常用于研究肌肉疲劳。依据骑行运动腿部活动特征，选用均方根振幅（RMS）作为表面肌电信号的时域指标，该值越大，肌肉疲劳度越高，该值越小，肌肉疲劳程度越小，并利用其形态上很强的随机性以及随时间的变化而变化的特点与肌肉疲劳过程中的肌电信号变化相适应。该指标可以分析不同裤装对大腿肌肉各测试点在同一时间下所产生的服装压的电信号变化与肌肉疲劳的关系。

主观指标方面，经过国内外大量研究表明，主观疲劳评定分数（RPE）不仅能表达整体的主观疲劳感受，还能表现局部的肌肉疲劳状态。王笃明等分析了静态负荷诱发肌肉疲劳时表面肌电信号(sEMG)变化与主观疲劳感之间的关系，得出试验对象主观疲劳评定分数与持续时间成显著的正相关，所以本文结合该评价分数，探究不同肌肉部位所产生的服装压与肌肉疲劳的关系。

1 试验设计

1.1 测量地点及环境要求

人工气候室内温度控制在（22±2）℃，相对湿度为（64±1）%，风速小于等于1 m/s，为维持肌电信号的较低信噪的数据输出稳定，要求实验室人员关闭电子通讯设备。

1.2 试验对象

本试验挑选了4名男性作为试验对象，年龄在19～21 岁之间，身高为（175.5±2.5）cm，体重为（52±1.5）kg，大腿围为（51.5±3.5）cm，体型接近且热爱骑行运动，但未受过专业骑行训练。要求所有受试者在试验前一周无骑行记录，并预先熟悉试验流程及注意事项。

1.3 试验服装

试验选取OKYDFS品牌2018年新款NELEUS PRO运动紧身短裤（如图1所示），选用高透气、透湿性面料［涤纶/氨纶（90/10）］，弹性优良，有助减缓肌肉疲劳，满足日常运动所需。尺码选用S、M两个尺码（如表1所示），对照组为普通宽松运动长裤一条。

图1 样衣

表1 样衣尺寸规格

1.4 试验设备

试验采用德国（100K）Ergoline功率自行车，能自动调节负荷，保持匀速车速。采用美国Delsys Trigno Mobile 无线表面肌电测试仪采集大腿表面各肌肉测试点肌电信号，并通过软件EMGworks Analysis分析肌电信号sEMG分布的时域，取平均变化特征值RMS来代表不同裤装压力强度时肌电信号活动情况。选用Pliance 动态压力分布测量系统（德国Novel），测量受试者骑行运动过程中大腿所承受的动态服装压。

1.5 试验过程

1.5.1 试验准备

在进行试穿试验前，将样裤预先挂在温度为（22±2）℃，相对湿度为（64±1）%，风速小于等于1 m/s的环境中12 h。

1.5.2 测量部位的选取

参考对于跑步运动中服装压对女子下肢肌肉疲劳研究中的肌肉选取，结合骑行运动肌肉活动实际情况，并考虑实验可操作性，选择腿部体积较大且运动发力参与度较高的四块肌肉，分别为股外侧肌、股直肌、股二头肌、半腱肌作为着装测试肌肉（如图2红线标注位置所示）。

图2 着装所测试的肌肉部位

1.5.3 动态试验：表面肌电信号采集

试验前，安排试验对象静坐休息20 min。待休息完毕后，用酒精棉团擦拭无线肌电设备传感器，消毒好后贴上专用胶纸。腿部肌肉选取及测试点参考位置如表2所示，把4个传感器依次粘合于四个测试点，与试验对象大腿皮肤直接接触。由试验对象依次穿着宽松普通运动裤、M码紧身运动短裤以及S码紧身运动短裤进行为时5 min的匀速骑行运动（功率车功率稳定设置为80 W，骑行时转速稳定在58～62 r/min），并采集肌电信号。每次骑行间隔10 min，以便试验对象休息、调整下肢和更换试验服装。

表2 腿部肌肉选取及测试点参考位置

1.5.4 疲劳程度主观评价

结束骑行后受试者立即根据自感疲劳等级表（RPE）如表3所示，进行疲劳程度的主观评价。最终评定分数等级取4位试验对象所评定数值的平均值。

表3 主观疲劳评定分数（RPE）等级

1.5.5 静态试验：静态压力测试

在试验对象三次骑行结束休息后，进行静态压力试验。记录试验对象在穿着不同样裤时，功率车的脚踏分别位于与地面垂直最高点与最低点时大腿前部两块肌肉测试点的压力平均值和后部两块肌肉测试点的压力平均值。每次更换试验服装间隔10 min，以使身体适应新服装。

2 试验结果及其分析

2.1 静态服装压力数据处理与分析方法

因对照组普通运动裤款式宽松，其对人体大腿产生的压力几乎为0，即可认为普通运动长裤的服装压为0，不列入计算比较范围。为排除局部肌肉测试点运动强度差异对实验结果的影响，根据公式转换为服装压强（p）处理。

式中，p为服装压强单位为（Pa），F为服装压单位为（N），S为肌肉接触面面积单位为（cm2）。

2.2 肌电信号数据处理与分析方法

使用软件EMGworks Analysis处理原始肌电图波形将振幅取正。试验测试时间5 min，将肌电波形图以30 s为单位均分为10段。由于对象之间骑行频率、身体素质等个体差异存在，需对RMS值进行数据标准化处理。

式中：Xn为第n时间段的肌电值，SXn表示第n时间段标准化处理后的肌电值（n=2，3，4，5，6，7，8，9，10）。

使用SPSS 统计软件对各段的肌电值进行显著性相关分析，并进行Spearman 一致性检验。在得到结果（rs＞0.8，P＜0.01）的前提下，截取每段末端的10 s 信号进行分析计算得出RMS 值作因变量，以首段肌电信号作为每一段的对照值进行单因素方差分析比较检验。

2.3 RMS与主观疲劳评定分数（RPE）数据处理与分析

使用SPSS统计软件对4个测试点在不同服装压的条件下，进行RMS值与主观疲劳评定分数（RPE）的Pearson显著性相关分析（显著性水平P＜0.05）。

2.4 紧身运动裤号型对服装压力的影响

根据静态压力测试试验，各试验对象穿着不同尺码紧身运动裤时各测试点的服装压如表4所示。穿着S码紧身运动裤时四个测试点的服装压均大于穿着M码紧身运动裤，表明S码紧身运动裤对大腿造成的服装压均大于M码紧身运动裤。且当骑行运动中踏板位于最高点与最低点时，大腿前部的服装压均远大于大腿后部，即股直肌和股外侧肌所承受压力远大于肱二头肌和半腱肌。其中踏板位于最高点时，无论穿着尺码大小，大腿前部肌肉压强值最大，所受压力最大。

表4 各试验对象穿着不同尺码紧身运动裤时各个检测点的服装压（单位Pa）

2.5 不同运动裤产生的服装压对肌电信号的影响

不同服装压下4个测试点的RMS值一致性检验结果均呈现显著强正相关，可认为4个肌肉测试点在各时间段的RMS值具有高度一致性，可做后续检验。

肌电指标评判标准为RMS均值越大，则疲劳程度越高。对穿着不同样裤各时间段的RMS 均值分别与其T1 时间段的RMS 均值作单因素方差分析比较检验，如表5 所示。发现在运动中后期T6开始，中压力M码紧身运动裤与高压力S码紧身运动裤着装压力的RMS 均值分别与其T1 时间段的RMS 均值有显著性差异；T7 时，三条裤装的RMS均值均分别与其T1 时间段的RMS 均值出现极显著性差异。说明当骑行运动进行到3 min至3.5 min之间时，开始产生肌肉疲劳，并且疲劳程度随着时间增长而增强。

表5 穿着不同样裤各时间段RMS均值与T1时间段的RMS均值单因素方差分析比较检验

如表6所示，除穿着低压力普通运动裤时1号肌肉测试点的RMS值和RPE值没有呈现出显著相关性之外，其余2、3、4号肌肉测试点均呈现出显著相关性，其中，中压力下的4号肌肉和高压力下的2号肌肉均呈现出极显著相关性。这说明骑行运动中大腿肌肉群做复合性运动时各部位肌肉参与度不同，股外侧肌参与较少导致其放电水平过低，所以其RMS值和RPE值无显著性关系呈现。

表6 不同服装压下4个测试点的RMS值和RPE值的相关性分析

如图3所示，通过横向比较，穿着低压力普通运动裤时，四个肌肉测试点的RMS均值均明显高于穿着中、高压力紧身运动裤；穿着高压力S码紧身运动裤的RMS 均值略高于穿着中压力M码紧身运动裤。说明骑行运动中，穿着中压力紧身运动裤相对于低压力普通运动裤和高压力紧身运动裤能更有效地缓解疲劳。

通过纵向比较，发现不同肌肉在骑行运动中的疲劳程度不同。4个肌肉测试点在不同压力下的RMS均值的降幅中2号肌肉测试点的降幅最大，说明服装压的大小变化对2号肌肉测试点疲劳程度有较大影响。穿着不同压力的裤装时，1号肌肉测试点的RMS均值均为最小，2号肌肉测试点的RMS均值均为最大。结合表6，说明股外侧肌较其他三个肌肉部位不易产生疲劳，而股直肌在骑行运动中参与度较高且易产生疲劳。

图3 不同服装压下各测试点的RMS均值分析图

2.6 不同服装压下疲劳显著时间段RMS值的变化幅度趋势

针对肌肉疲劳显著的骑行运动中后期（T6～T10），使用EXCEL软件绘制4个不同肌肉测试点的RMS均值随着时间推移的幅度变化趋势图，如图4所示。

图4 4个肌肉测试点的RMS值增幅变化趋势图

3 总结

本文利用表面肌电信号（sEMG）的时域指标之一RMS均值与压强作为骑行运动中肌肉疲的评判指标，研究骑行运动中不同裤装压力对不同肌肉部位产生疲劳的影响，得到以下结论：

（1）骑行运动中踏板位于最高点与最低点时大腿前部肌肉的股直肌和股外侧肌所承受的压力远大于大腿后部肌肉的肱二头肌和半腱肌；股外侧肌参与度较低，较其他三个肌肉部位不易产生疲劳，而针对参与度较高的股直肌需要更多的服装压力以缓解疲劳。

（2）当骑行运动进行到中后期时开始产生肌肉疲劳，并且疲劳程度随着时间增长而增强。穿着中压力紧身运动裤相对于低压力普通运动裤和高压力紧身运动裤能更有效地缓解股外侧肌和股二头肌产生的疲劳，但对于股直肌与半腱肌效果不明显。低压力普通运动裤和高压力紧身运动裤对骑行运动过程中肌肉疲劳的缓解作用很小甚至没有，还有可能诱发肌肉疲劳，并且高压力紧身运动裤比低压力普通运动裤更容易引起肌肉疲劳。