仰卧起坐运动中上腹部肌肉肌电变化特点分析

陈玉婷

(福建师范大学体育科学学院，福建 福州 350007)

腹肌力量的强弱对于一个运动员在激烈的对抗中保持自己身体平衡和背部不受伤起到了十分关键的作用。提高腹肌力量有助于增强身体稳定性，提高速度、耐力和关节的活动范围。本实验采用按脚曲腿仰卧起坐，是在一名同伴的帮助按脚的情况下，被测者以身体平躺仰卧在垫子上，两腿屈膝，两手曲臂，十指交叉放于耳朵后侧再向内侧一点(大约后脑正中间再向外一点)的位置，利用腹肌收缩，腰部发力，上体径直起来，慢慢后仰复原。仰卧起坐是一项强壮腹部肌肉力量的体能锻炼，适当的仰卧起坐练习能增强肌肉灵活性，有助于背部肌肉的伸展，韧带和脊椎均可同时得到拉伸，调节中枢神经系统，提高机体免疫功能，从而提高身体对疾病的抵抗力。在日常生活中，很多人都盲目地认为仰卧起坐是一项很好的减腹部肌肉的运动，但其实它只是一项腹肌训练的方法。腹直肌在仰卧起坐中起着重要的作用，腹直肌是核心区力量训练中的主要核心肌群[1]，它不仅能提高技术水平，而且提高运动成绩，发挥了重要的作用。腹直肌锻炼效果的评价，可以用表面肌电仪来测试。采用引导电极将肌肉兴奋时的电变化经过引导、放大和记录所得到的电压变化，可记录单个运动单位甚至单个肌纤维的电活动。表面肌电(sEMG) 是从人体皮肤表面通过肌电记录下来的神经肌肉活动时发放的生物电信号，它与肌肉的活动状态和功能状态之间存在着不同程度的关联性，因而，能在一定的程度上反映神经肌肉的活动[2-3]。在研究前，查阅关于这方面的资料，结果发现前人对仰卧起坐运动时肌肉肌电的研究比较少。本文中，通过检测仰卧起坐运动时腹直肌的sEMG的多种信号活动情况反映出肌肉的积分肌电值、均方根振幅进行研究分析，有助于进一步解释在仰卧起坐运动中上腹肌(腹直肌)肌肉肌电的变化特点，旨在试图找出肌电变化的一般规律，减少训练调控过程中的盲目性，提高身体素质训练的实效性，为有效的锻炼腹直肌提供技术参考，为提高训练效率，建立科学的训练方法提供参考依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

随机抽取13名体科院大三，健康状况良好的男生作为研究对象，所有被试者无重大运动损伤，自愿参与本次测试项目，进行30秒的按脚曲腿仰卧起坐练习，基本情况见表1。

表1 研究对象基本情况

1.2 研究方法

1)文献资料法。根据研究需要，通过在期刊网和图书馆查阅了大量关于肌电方面的相关文献资料，并进行分析和阅读，了解前人对该方向的研究现状，未发现有关仰卧起坐上腹部肌肉肌电方面的研究，设计本研究实验方案。还查阅了关于仪器使用说明、参数指标使用说明等资料，掌握仪器操作技术，正确粘贴电极方法。同时向专业的教师咨询、请教关于肌电技术方面的相关知识、寻找肌肉的方法、实验注意事项以及肌电图的分析方法。

2)实验法。实验地点：福建师范大学生理实验室。

主要实验仪器设备及用品。利用美国BIOPAC公司生产的MP150型多导电生理记录仪(16通道)1台，该仪器是目前世界上应用广泛，功能强大的电脑化多导生理记录。采样率可以自由设定，最大达到400 000点/秒。在线或离线数字滤波功能可对原始信号进行抗干扰处理。刺激器输出可以由软件设计输出波形大小，形状，间隔。电脑一台，一次性电极，75 %酒精，脱脂棉，剃须刀，固定导线医用胶布，橡皮膏，纸巾等若干。

3)实验步骤。 准备工作：为了确保正式实验的顺利进行，得到实验数据的真实可靠性高，在正式实验之前进行过多次预实验，通过预实验可以从中选择出最好的实验材料，可以准确的控制实验变量，这样可以为正式实验奠定基础、铺平道路，也可在预实验过程中检验实验设计的可行性和科学性，避免由于先期考虑不周和实验设计缺陷，而造成人力、物力、财力的浪费。预实验操作过程中也必须像正式实验一样才有意义[4]。预实验中遇到的问题，立即与专业教师沟通交流，掌握正确的实验操作技术，尽可能将对实验数据产生干扰的因素排除。

在测试前半小时应先开机预热机器，保证机器在一个平稳的状态下运行。设定肌电仪的采样标准：采样频率设定为1 000 Hz，采样时间为30 s，灵敏度为500 LV，扫描速度为40 ms/div，肌电信号放大倍数为1 000倍，高通滤波频率为60 Hz，低通滤波频率为500 Hz。正式实验前，先向被试者演示一遍实验过程，每一步均向被试者详细讲解测试注意事项并熟悉动作要领。

测试时间安排在上午进行，被试者在进行测试前应做好适度的准备热身活动，减少肌肉的粘滞性，充分调整肌肉到兴奋状态，不处于疲劳状态，使机体保持在运动兴奋情况下进行测试，确保测试数据的真实准确。

正式测试：

第一部分 讲解仰卧起坐动作要领

平躺仰卧在垫上，两腿屈膝，双肩胛骨着垫，腹部与大腿呈90度，大腿与小腿呈90度，两手指交叉贴于脑后，臀部不能离垫面，另一同伴压住脚面。动作开始时，上身离垫，收腹屈背，上身靠低头、含胸的力量起坐，双肘需触到膝盖，动作协调一致，然后后仰至双肩着垫子继续做下一个动作。

第二部分 测试步骤

第一步 测试前，根据身体姿势动作，确定腹直肌的电极贴放部位，把被试者的腹直肌人为的分为左右两侧。用剃须刀清理电极安放位置的体毛，然后用去脂酒精棉球对电极片贴放位置的皮肤进行去脂消毒处理，减少肌电信号在传输过程中的干扰及实验误差。

第二步 贴电极片时，将无电极的干扰电极片贴在手腕处，以排除身体静电的干扰。用橡皮膏固定肌电信号采集引导电极片后再用医用胶带固定电极及导线，采集信号电极粘贴应在肌肉隆起处，走向应和腹直肌肌纤维走向一致。

第三步 检查电极粘贴是否正常，随后调试测试仪器，观察肌电图谱，若波动平稳则说明电极粘贴正常，可以进行数据的采集；若为波动较大的折线则说明电极粘贴异常，此时应停止测试，检查电极粘贴的位置是否出现异常。

第四步 被试者练习测试动作，必须预先完成一次完整动作。测试员喊“开始”后，被试者即可进行测试。同时启动肌电仪，进行30s的数据的采集。采集期间，注意观察屏幕显示的电波和被试者的动作频率幅度，30s后仪器自动停止，此时，及时要处理并记录测试数据，保存并重置数据进行下一次测试。

第五步 肌电信号的分析处理，由于被试者之间存在个体差异性，不同被试者完成同一个完整动作时间的不精确性，为了方便定量分析和指标参数之间的比较，将sEMG信号标准化和指标参数标准化处理。

实验要求：实验前，要求测试者熟练掌握操作规程。要注意测量外界环境的温度，由于外界温度对信号采集有干扰，确保温度在仪器使用范围内保持适宜的状态，关闭手机，尽量避免周围环境的磁场、电波干扰，为了减少噪声干扰须保持测试环境安静。其中对于运动造成体表电极与皮肤之间细微的滑动和硬件电子元件热效应而造成参数的变化,采用非线性高通滤波的方法抑制基线漂移。[5]具体方法是把左右腹直肌的电信号通过中值滤波得到基线信号,与原左右腹直肌的肌电信号相减，最终得到滤波后的肌电图。试验成功最重要的是找准电极片的贴放位置，在实验过程中若电极粘贴位置错误，则无法正确测试出腹直肌的肌电图，电波图的形状十分混乱，得到的数据均为无效数据。最大限度地消除人为误差，保证测试数据的准确性，进而提高结果分析的有效性。

4)数理统计法。把所有MP150型多导电生理记录仪采集到的原始信号，通过acpkonwledge3.9系统软件进行分析统计，肌电信号图谱显示在电脑屏幕上，并进行专业处理分析得到滤波后的电波图谱。数据统计分析前先对肌电图谱的图谱成像，数据真实可靠性进行筛选，去除误差较大的肌电图谱，再从得到的所有被试者的腹直肌肌电图谱中获取肌电最大值(Max)、最小值(Min)、标准偏差(Standard Deviation)、积分肌电(Integral)、均方根振幅(RMS)等数据，利用WPS office-Microsoft Excel专业版及SPSS17.0软件对得到的所有肌电数值进行统计学处理。处理后的数据均用平均数±标准差表示，左右腹直肌的肌电值的差异性检验采用均数的显著性检验，进行单侧t检验是否具有差异性。

2 结果与分析

2.1 仰卧起坐运动中腹直肌的肌电进行时域分析

时域分析是将肌电信号看作时间的函数，从而用来刻画时间序列信号的振幅特征，主要包括积分肌电值(IEMG)、平均振幅(MA)、均方根值(RMS)等；积分肌电是指把所得肌电信号经整流滤波后单位时间内曲线下面积的总和，它能够反映肌电信号随时间进行的强弱变化[6]。肌电积分常被用于分析肌肉在单位时间内的收缩特性[7]。

均方根值(RMS)和iEMG一样也可在时间维度上反映sEMG信号振幅的变化特征，它直接与EMG信号的电功率相关，具有更加直接的物理意义。平均振幅(MA)反映肌肉电信号的强度与参与的运动单位数目。

2.2 仰卧起坐运动中腹直肌的肌电特征

本研究要求被试者仰卧在垫子上，进行30 s的仰卧起坐，平均每2 s完成一次动作。通过MP150型多导电生理记录仪采集的30 s肌电信号，经过滤波处理后，截取每位被试者18～20 s之间的肌电电波图谱进行相关的参数分析。

2.2.1 对13位被试者的左右腹直肌的肌电图谱的振幅对比分析

表2 左右腹直肌肌电振幅(MA)分析(mv)

由表2可知,左腹直肌最大振幅>右腹直肌最大振幅；右腹直肌最小振幅>左腹直肌最小振幅；右腹直肌振幅平均值>左腹直肌振幅平均值。通过对左右腹直肌平均振幅进行置信度为95%的t检验，左腹直肌平均振幅与右腹直肌平均振幅是否具有显著性差异，统计学计算统计量的值为t= 0.0134,查分布表得t0.05(12)=1.782，故P>0.05,所以，左右腹直肌平均振幅的方差相比无显著性差异。从振幅来看，表明左右腹直肌参与活动的运动单位数目、参与收缩的肌纤维数量、放电频率同步化程度具有相似性。

2.2.2 对13位被试者的左右腹直肌的肌电图谱的积分肌电对比分析

表3 左右腹直肌积分肌电(IEMG)分析(mv/sec)

由表3可知,左腹直肌最大积分肌电>右腹直肌最大积分肌电；左腹直肌最小积分肌电<右腹直肌最小积分肌电；左腹直肌积分肌电平均值>右腹直肌积分肌电平均值。通过对左右腹直肌积分肌电进行置信度为95 %的t检验左腹直肌积分肌电平均值与右腹直肌积分肌电平均值是否具有显著性差异，统计学计算统计量的值为t= -11.0416,查分布表得t0.05(12)=1.782, 故P<0.05,所以，左右腹直肌的积分肌电相比存在显著性差异，且差异较大。

由于左右腹直肌的积分肌电存在较大的差异，最大积分及肌电平均值左腹直肌都大于右腹直肌，而最小积分左腹直肌只是略微较弱与右腹直肌，但总的来说，左腹直肌积分肌电大于右腹直肌积分肌电，也就是说，左腹直肌的收缩强度较大。通过积分肌电反映出左右腹直肌在仰卧起坐运动过程中的用力大小，从生理学角度来看左腹直肌在18～20 s的仰卧起坐运动中肌电信号活动强，左腹直肌在活动时比右腹直肌用力大；从积分肌电情况来看，主要的发力集中在左腹直肌，但并不能就此直接说明左腹直肌重要作用，还需要分析左右腹直肌的发力顺序。因为在体育运动中，肌肉的激活顺序是非常重要的考虑指标，肌电图可以很好的评定某一个动作的肌肉放电现象，从而可以认定整个技术动作过程中的肌力特征，并判定出运动员训练程度的高低[8]。根据对13位被试者腹直肌机电图谱的观察分析发现，在仰卧起坐运动中，腹肌中的左腹直肌先放电，随后右腹直肌放电。通过调查，这13位被试者均是右手为优势手(比较左手更有力)，在仰卧起坐运动中，两手分别放于两耳再向内侧一点(大约后脑正中间再向外一点)的位置，利用腹肌收缩，腰部发力上身径直起来，在这个过程中，两手的发力在一定程度上影响了腹直肌的用力大小，在起来时，双臂前摆时与身体协调用力，可以借助身体的摆动用力，这样做更省力，右边的手臂是优势手，手臂发力比较大，对身体的摆动用力较大，使右边的腹直肌在起来时更省力，因此，左边的腹直肌较先发力，放电。据此推理，在仰卧起坐运动中，开始阶段以左侧腹直肌发力为主，然后是右侧腹直肌，这同时也表明左腹直肌的重要作用，左腹直肌的收缩强度大于右腹直肌。

2.2.3 对13位被试者的左右腹直肌的肌电图谱的肌电均方根对比分析

表4 左右腹直肌肌电均方根(RMS)分析

由表4可知,左腹直肌最大肌电均方根>右腹直肌最大肌电均方根；左腹直肌最小肌电均方根>右腹直肌最小肌电均方根；左腹直肌肌电均方根平均值>右腹直肌肌电均方根平均值。通过对左右腹直肌肌电均方根进行置信度为95%的t检验，左腹直肌肌电均方根平均值与右腹直肌肌电均方根平均值是否存在显著性差异，利用统计学计算统计量的值为t=-0.289 2,查分布表得t0.05(12)=1.782，故P>0.05，所以，左右腹直肌的肌电均方根相比无显著性差异。但左腹直肌的最大均方根振幅(RMS)略大于右腹直肌的最大均方根振幅，在一定程度上说明了左腹直肌比右腹直肌先进入疲劳，肌电信号的振幅越大，说明疲劳程度越大。

3 结论

1) 仰卧起坐运动中，左右腹直肌的积分肌电值存在明显的差异，左腹直肌积分肌电大于右腹直肌积分肌电，左腹直肌的收缩强度较大。

2) 在仰卧起坐运动中，左右腹直肌的振幅、肌电均方根均无显著性差异。左右腹直肌参与活动的运动单位数目、参与收缩的肌纤维数量、放电频率同步化程度具有相似性。在一定程度上说明了左腹直肌比右腹直肌先进入疲劳，肌电信号的振幅越大，说明疲劳程度越大。

3) 如果在实验前被试者先进行等长和等动肌力测试，就能结合积分肌电与肌力指标之间的关系，更有助于解释肌肉疲劳的现象，进一步指导专项腹肌训练。还可以在不同负重状态下进行仰卧起坐表面肌电采集实验，观察是否同样存在类似的肌电变化特征。

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