骑行肌肉生理的研究

李 聪，王燕珍，赵华峰

(上海工程技术大学 服装学院，上海 201620)

近几年来，随着共享单车的流行，自行车骑行作为一种便捷、经济的出行方式，受到大多数人们的喜爱。骑行作为一种大众的休闲活动，重新进入了人们的视野，有着广阔的市场和光明的前景【1-2】。在骑行过程中，随着骑行时间的持续，肌肉会逐渐感到疲劳，人们会感到不适甚至不舒服，肌肉疲劳直接体现在肌肉的肌电信号上，而人们对骑行裤的肌电的生理研究相对较少，对着骑行裤的肌肉疲劳的衰减过程与肌肉肌电的相关关系还没有深入的研究【3】。

1. 肌电实验设计

1.1 实验目的：

通过匀速骑行状态下对腿部肌肉的肌电信号的测试，主要是对腿部体积较大的肌肉组，如股直肌、股二头肌，股内侧肌，股外侧肌，半腱肌等腿部肌群，研究他们在骑行过程中的肌电变化过程，并对肌电信号进行分析，找出各时间段肌电信号状态，对骑行过程的肌肉状态进行理论分析，探究肌肉的肌电信号是否是肌肉疲劳的影响因子，对骑行机理进行理论研究【4-5】。

1.2 实验准备

1.2.1 实验地点：上海工程技术大学实验室温度为30±2℃，湿度为50±5%。

图1 表面肌电测试系统

1.2.2 实验人员：实验技术人员一名，压力测试者4名。标准体型的成年人四名，身高为169-175，体重为57.5-62.5kg，所有测试者身体和心理状况良好，下肢状况良好(无损伤)，且经常进行骑行运动。测试前一周需要保持健康的生活规律，且不要做剧烈运动，并对受试者关于实验的目的、方法、动作规范做详细的讲解。待受试者进入试验室后，先静坐 10 min，待其状态稳定后再开始正式试验。

1.2.3 实验仪器和软件

delsys无线表面肌电仪、Delsys表面肌电EMGworks©采集和分析系统，delsys无线表面肌电仪是具有16通道的表面肌电加上48通道加速度采集分析系统。带运动伪影抑制的传感器，可以自由运动，传感器端直接无线发射数据。接收器可通过USB接口与电脑连接传输数据，见图1。

表1 delsys无线表面肌电仪参数

数据采集软件：Delsys表面肌电EMGworks©采集和分析系统，肌电测量仪一般只具有在示波器上显示波形和记录波形的功能。EMGworks©是一款强大的肌电采集和分析软件系统。具有人性化的图表界面，快速浏览工具以及批量处理功能使肌电信号处理和生物力学传感器信号变得简单高效。

1.2.4 如图3是腿部肌肉肌电信号采集点：肌电实验主要选取了大腿部主要的5组肌肉肌肉，分别是股直肌，股内侧肌，股外侧肌，股二头肌，半腱肌等等，如表2。

表2 表面肌电的肌肉介绍

1.2.5 实验样裤：实验样衣选择了受众比较好的骑行服装迪卡侬骑行爱好者专用骑行短裤，见图3。

1.2.6 实验原理：当进行骑行运动时，肌肉会产生肌电信号，表面肌电仪对肌电信号进行采集，经过适当的滤波和放大，电位变化的振幅、频率和波形可在记录仪上显示，也可以用Excel表格将其图像信号转变为数字信号。

图2 肌肉及其所在位置

图3 骑行样裤

品牌面料成分气垫材料迪卡侬80%锦纶 20%氨纶高密度海棉

1.3 肌电实验步骤

在进行肌电实验前,先让实验者到实验室中休10分钟,适应新的实验环境.

第一步：制定好实验方案，对每位实验者进行编号，把实验过程告知实验者。每位受试者都按照排好的顺序依次进行实验，试验后间隔 24 小时后进行下一次实验。

第二步：下身需要穿着指定实验用的骑行裤，着运动鞋，实验对象身上不得佩戴任何饰品。

第三步：根据肌肉的结构特征，对需要贴电极传感器的皮肤表面进行定位并用记号笔进行标记，这样有利于传感器的贴放，为了实验数据的准确性(防干扰)，需将受试者体表的毛发剃掉，使用医用酒精将测试体表的皮肤进行擦拭，防止皮肤电阻对肌电信号采集过程中的干扰。在传感器的放置过程中，传感器的放置方向需要与肌肉纤维的方向(基本上是竖向分布)保持一致。

第四步，使实验对象在功率自行车上按照每分钟35rmp的加速度骑行2min，加速到70rmp,然后保持这样的转速13分钟。

图4 肌电传感器贴点示意图

第五步： 骑行运动开始后，点击肌电采集软件的start按钮，开始实验点肌电的记录，观察各个肌电的波动图像。

第六步：4名骑行者依次进行试验，骑行者分别着装进行试验，数据采集完成后拷贝试验数据。

第七步：换#2、#3、#4测试者进行试验， 直到把所有的骑行裤测试完。

图5 表面肌电原始数据

2. 电信号均方根

将测试的机电信号通过EMG软件把肌电原始数据导入分析。由于测试的时间较长，因此将肌电信号的时间长度分为9段，每段100s，总共900s.通过分段分析每一段的均方根值来分析肌电信号。

表4 九个不同时段均方根大小

根据上表作图6 RMS的变化图。

从图6可以看出股内侧肌的RMS值最大，在7-15之间，在骑行过程中其RMS值呈现先增大，后减少的趋势，也说明了股内侧肌放电有效值最大。其余四组肌电RMS变化相对比较小，大约在1-6之间。股直肌，股外侧肌，股二头肌的RMS值分别先增大后减小的趋势，其中股外侧肌的均方根大于股直肌均方根，股直肌的均方根又整体大于股二头肌。而半腱肌比较特殊，其肌电RMS变化有点大，RMS值先增加后降低，中间再增加后又降低。从整体上看，股直肌，股内侧肌、股外侧肌、股二头肌、半腱肌都遵循先增大后减小的规律，说明运动过程中肌肉放电有效值整体上是减小的，肌肉疲劳程度逐渐增加，人体的不舒适性也不断地增加。股内侧肌和半腱肌的RMS值变化比较大，说明肌肉放电的有效值变化也比较大。股直肌、股外侧肌、股二头肌RMS值变化比较小【6】。

从下图不同时间段的肌肉RMS值也可以看出，股内侧肌的散点分布数值最大，即机电信号的有效值也是最大，但其点分散比较大，数据不集中。股直肌、股外侧肌、半腱肌的RMS值比较一致，RMS值比较大，肌肉放电有效值较股内侧肌小，另外，股直肌和半腱肌的散点分布比较零散，说明骑行过程肌电信号的有效值不稳定，而股外侧肌的散点分布比较集中，说明股外侧肌的肌电分布比较稳定。股二头肌的RMS值最小，也即是肌肉放电有效值最小，其散点分布也比较集中。从结合下图，可以看出五组肌肉有效值的大小依次为：股内侧肌>股外侧肌>股直肌>半腱肌>股二头肌。

在0-900中，将股直肌的RMS值依次相加，得到900秒内股直肌的总的均方根值为41，同理可以算出股内侧肌、股外侧肌、股二头肌、半腱肌的总的肌电的RMS值分别为：89.5、41.3、22.4、34.3。则五组肌肉总的RMS值为228.2.再用各自的肌电值除以总的肌电值可以得出股直肌、股内侧肌、股外侧肌、股二头肌、半腱肌的RMS值的贡献率分别为18%、39%、18%、10%、15%。由此可见，在骑行过程中，股内侧肌的有效放电量最大，大约占到四成，其次是股直肌和股外侧肌均为18%。股二头肌有效肌电值最小。因此，骑行过程中最重要的肌肉为股内侧肌、股直肌和股外侧肌。股二头肌对骑行过程影响较小。

图6 随时间的推移各部位均方根的变化

3. 骑行裤肌电前、中、后三个时段肌电信号分析

3.1 运动前期

表4 骑行运动前期的起止时间

将肌电信号绝对值化后，在前三分之一的时间里取出相间的两段时间，记为前段一，前段二(如表4)，经过分析，得出五块肌肉所对应的肌电的起始时间，终止时间，并计算出其相应的肌电持续时间，在用同样的方法算出前段二的起始时间，持续时间，平均开始时间和终止时间，平均持续时间。放电时间先后表明在骑行运动时肌肉的作用顺序。

从表4 可以看出在前期运动中肌肉一(股直肌)在0.7s时最先放电的，其次是肌肉二(股内侧肌)和肌肉三(股外侧肌)，肌肉四(股二头肌)和肌肉五(半腱肌)最后放电。终止时间都在1.25-1.35之间，相差比较小。股直肌在前面运动时间中其肌电信号持续时间最长，达到0.55秒，说明其肌肉运动时间最长，然后是股外侧肌，股内侧肌，半腱肌，放电时间也比较大，而股二头肌放电时间非常短，说明其肌肉运动时间较短。根据放电时间可以发现，股直肌最先发力，其次股外侧肌和股内侧肌分别发力，股二头肌不和半腱肌发力较晚。

3.2 运动中期

表5 骑行运动中期的起止时间

表6 骑行运动中期的起始时间

从表6可以看出，肌肉一(股直肌)仍然最先运动，与前期保持一致，其后肌肉二(股内侧肌)、肌肉三(股外侧肌)、肌肉四(股二头肌)、肌肉五(半腱肌)基本上同时开始运动，运动时间在0.85-0.9之间，和前段时间有一定的差别。因此，持续不断的运动会导致肌电信号的变化，肌肉也逐渐疲劳。股直肌最先结束放电，股内侧肌、股外侧肌、半腱肌、股二头肌结束时间也比较一致，也和前段时间有一定的区别。放电时间差别比较大，股直肌放电时间为0.35s，放电时间最长,其次是股内侧肌和股外侧肌。股二头肌和半键肌放电时间最短，均为0.15s.其次，运动中期放电时间相比于运动前期的放电时间大幅度下降，约为前期的60%，整体下降了大约40%。这是由于骑行一段时间后肌肉有一定的疲劳，放电时间减少造成的【4】。因此，肌电信号与人体肌肉疲劳具有一定的关系。

3.3 运动后期

图8 IEMG值变化图

用同样的方法可以得到表6，可以得到，肌肉一(股直肌)依然是最先放电，与前期、中期完全一致，股内侧肌，股外侧肌，股二头肌，半腱肌放电时间高度一致，都是0.45s放电，与中期放电比较一致。放电结束时间为股直肌、半腱肌和股二头肌。股内侧肌和股外侧肌结束时间最迟。放电持续时间最长的依然是股直肌，为0.25s，与前期的放电时间减少了一半以上。其次是股直肌和股外侧肌，都为0.2s。最后是股二头肌和半腱肌，放电时间很短，约0.1秒。整体来说放电持续时间为前期放电时间的47%。可以发现，随着骑行时间的延长，机体进一步疲劳，肌电信号进一步变弱。肌电信号与骑行运动的持续时间相关，且呈负相关。

4. 行时表面肌电图分析

肌电积分值：肌肉疲劳的重要指标，表示单位时间内的放电总量，是根据参加运动的肌肉数量和每个肌肉放电的电量来确定的。将肌电信号通过EMGworks Analysis 把肌电原始数据导入，通过绝对平均值法把原始的肌电信号绝对值化。将肌电信号的时间长度分为9段，每段100s，总共900s.通过分段分析每一段的iEMG值来分析肌电信号。将肌电信号分段，对每段肌电信号的肌电积分值进行采集。每阶段的肌电积分值如图8所示。

从图8可以看出，表面肌电积分信号在骑行运动的900s时间中，股内侧肌IEMG值最大，变化也较为明显，肌肉放电量最大。与前面肌电RMS值比较一致。股直肌的肌电积分值略大于股外侧肌的肌电积分值，这与他们的RMS值恰好相反，但相差不大。其次是半键肌的肌电积分值，和RMS值一样，其总体趋势表现为先上升后下降。肌电积分值最小的是股二头肌，说明骑行运动过程中放电量是最小的。各部位肌电积分值的排列大小：股直肌>股直肌>股外侧肌>半腱肌>股二头肌。从IEMG值和RMS值上可以看出，当IEMG值较大的时候，RMS值也比较大，两者之间有一定的相关关系，且呈现正相关。

将股直肌0-900s的肌电积分值相加，得到总的肌电积分值27.5，同样的方法可以得到股内侧肌、股外侧肌、股二头肌、半腱肌的总的肌电积分值分别为：27.5、37.8、23.1、11.9、15.1。可以知道他们的总的肌电积分值为115.4.用每组肌肉的总肌电积分值除以115.1就可以得到股直肌、股内侧肌、股外侧肌、股二头肌、半腱肌在骑行过程中各自的肌电活动的贡献率，通过分析发现：总的放电量较大的为股内侧肌，其次是股直肌和股外侧肌，半腱肌和股二头肌的总放电量较小。与RMS值的分布完全一致。

5. 结论

从肌电信号中可以看出，五组肌肉的IEMG值、RMS值得大小是股内侧肌>股直肌>股外侧肌>半腱肌>股二头肌，股内侧肌是骑行运动的最大发力肌肉，前部肌肉放电总量远大于后部肌肉。骑行过程中最重要的肌肉为股内侧肌、股直肌和股外侧肌。股二头肌对骑行过程影响较小。随着运动时间的继续，肌电信号IEMG值、RMS值、单次放电脉冲的放电时间逐渐减弱，就放电时间而言，300s-600s相较于1-300s放电时间减少了40%，600s-900s相较于0-300s的放电时间减少了53%，可以发现，骑行时间的持续，机体逐渐疲劳，肌电信号逐渐减弱，肌电信号也受到影响。平均RMS值、IEMG值的大小与运动舒适性在0-900s中呈现呈负相关，随着时间的继续增长，平均RMS值、平均IEMG值与运动舒适性成正相关。而单个脉冲的放电时间与服装舒适性一直成正相关，他们随着时间的增长而降低。