电机械延迟推算法在运动中的实证研究

张 延 申晋波.武汉生物工程学院，湖北 武汉 43045；.运城学院，山西 运城 044000

电机械延迟推算法在运动中的实证研究

张 延1申晋波2
1.武汉生物工程学院，湖北 武汉 430415；
2.运城学院，山西 运城 044000

电机械延迟（EMD）是动作反应时的组成部分，常被用来评价运动员神经肌肉功能状态。通常情况下测定EMD值需要复杂昂贵的装置，LiLi等人设计了一种新方法来测定EMD，此方法对实验设备的需求较低。本文通过对这种方法的分析指出了其中的问题和不足，并提出了改进措施。

电机械延迟 反应时 肌电图

20世纪60年代，学者Alfred Weiss应用肌电图方法分析人体动作，将动作的反应发生时间分为2个部分，即人体接受刺激（声、光等）到肌肉兴奋开始放电时间和从肌肉兴奋到产生机械收缩的时间，两者又被称为动作前时（pre-motor time，PMT）和电机械延迟（electromechanical delay，EMD）。从EMD发生的生理学机制看，EMD反映了电化学过程（即突触传递、动作电位传播和兴奋收缩偶联）和机械过程（即主动被动状态下的串联弹性元件的收缩）。据研究，EMD数值的长短受年龄、性别、遗传以及纤维类型等因素的影响[1]，此外，它还与运动训练[2]以及肌肉疲劳[3]等密切相关。

目前，EMD已成为评价运动员神经肌肉功能状态非常重要的指标。尤其是EMD与肌纤维类型相关关系，已引起运动训练领域的高度重视[4]，今后有望用EMD的测试取代对人体有损的肌肉活检判断肌纤维百分比的测量方法，为早期选材提供依据。

通常EMD值的测量需要精确的力量测定装置和肌电图检测技术，而且需要两种装置的同步连接以及相应的刺激装置，设备昂贵、实验设计复杂，不宜广泛应用。LiLi等人[5]在2004年提出了一种测定EMD的新方法，此方法无需昂贵复杂的力学测试仪器及实验，只需进行不同频率的功率车蹬踏并配合肌电图即可推算出EMD，作者的实验设计具有特殊性，本文特此介绍并加以评述。

1 理论依据

1.1 EMD在运动中相对恒定

EMD与许多因素有关，比如肌纤维类型(与快肌纤维百分比呈负相关)，年龄（儿童和老人EMD长于成人），遗传，疲劳（疲劳后EMD延长），肌肉本身状态，病理原因（如脑瘫病人的EMD相对较短）等[4,8]，但是某块特定肌肉的EMD值只受两个因素影响：（1）、肌肉收缩拉长串联弹性成分（SEC）的时间。（2）、兴奋-收缩偶联的时间。能影响以上两点的因素才能影响到EMD。从此，我们可以推论出，某快肌肉在固定模式的运动中，假定其没有疲劳的情况下，其EMD值是相对恒定的[6,7]。

1.2 动力激活假说（activation dynamics hypothesis）

介绍这一假说之前，先来看一下一些关于自行车的知识。如图片所示，此图片为车座及车蹬简化图，将自行车曲柄运动的区域分成不同的相功能区，上死点（TDC，top-dead-center）被定为圆周最高点，圆周按功能可分为E伸区，F屈区；又或分为T上区，B下区。为了定位方便将TDC固定为圆周最高点，而实际运动中，上、下死点位置并非固定不变的。脚踏连接的部位是称为曲柄，曲柄与TDC之间的角度称为曲柄角。图中所示右曲柄在超过TDC90°的位置，即曲柄角度为90°。

动力激活假说是Neptune等[9]在研究自行车在不同频率蹬踏运动时提出的，该假说认为：以不同频率蹬车时，肌肉活动的变化主要是由于动力激活的相位提前造成的，并非肌肉功能发生改变。可以进一步解释为，无论蹬踏频率大小，机械输出（即力的结果）都应该在相同的曲柄角度出现，而与之相应的肌电活动随着蹬踏频率的递增应该发生于更早的曲柄角度，即曲柄出现相位的提前。

举例说明，假定EMD为60ms，臀肌在曲柄处于90°（相对于上死点）时产生力矩，此时若蹬踏频率为每分钟60转（即角速度ω为360°/s），可推断出产生肌电时曲柄角度应该比产生力矩的角度提前21.6°（60ms×360°/1000ms＝21.6°），应该在68.4°时产生。若此时蹬踏频率提升至每分120转，角速度ω变为730°/s，从假说推论，臀肌产生力矩的曲柄角度不变，仍为90°，同时EMD也不变，仍为60ms，而此时肌电起始的角度则提前了43.2°（60ms×720°/1000ms＝43.2°），在46.8°时产生。

2 公式推导

LiLi等人的实验把EMD恒定假说和动力激活假说结合起来，提出了一个无需测力的EMD新测算方法。将蹬车过程中肌肉收缩活动的各个环节（开始、结束和峰值）可用与之相关的曲柄角度θF来代表，θEMG是与之相关的肌电信号出现时的曲柄角度，EMD是电机械延迟，ω是角速度，根据Neptune等人[9]和Marsh等人[10]的研究，可以提出一个基本公式：

进一步可变形为：

根据公式2，代入不同踏速ω1和ω2 ，可得：

EMD×ω1＝ θF1 － θEMG1

EMD×ω2＝ θF2 － θEMG2

EMD是相对恒定的，而根据动力激活假说，θF1和θF2是一致的，所以可推导出：

通过公式（3），进行两种不同频率的蹬踏，并记录下各自肌电活动发生时的曲柄角度，便可以计算出EMD。

3 实验数据采集与分析

为了方便之后的讨论，有必要将该实验的实验控制和数据采集方法简单叙述一下。

实验选取16名大学生受试者，选择左腿胫骨前肌和比目鱼肌为测试对象，在两块肌肉上贴上两块间距2cm的银/氯化银电极以记录肌电数据。功率自行车恒定功率为250W，阻力随蹬踏频率变化而调整。坐高设定为受试者（站姿）100%大转子高度。

选取60、80、100rpm代表低中高频率。受试者的测试顺序都随机化以减少可能发生疲劳和学习效应等影响。每次测试，受试者要先蹬一分钟左右来达到稳定状态，然后采集10s数据。每个频率测试五次。通过运动学数据计算每次测试的平均频率。受试者每次测试后至少休息1分钟，每三次测试后额外多休息5分钟以避免疲劳。

运动学及肌电图数据都将被一个同步的运动分析系统采集下来，该系统通过一个2D、60Hz的摄像头拍摄反射标记来获得运动学数据，并通过Run Technologies EMG系统获得肌电信号数据。反射标记被放置在曲柄中心和车脚蹬轴来表示出曲柄臂，以便识别曲柄位置及计算平均蹬踏频率。这些标记的坐标被摄像头记录下来并通过运动分析系统自动转化为数据。

肌电数据采样率为960Hz，采用7Hz的低通无延迟滤波器将肌电信号平滑为线状。所有受试者的肌电信号都要跟各自最大值对比定标。这时可测得三个独立参数：开始、结束及峰值肌电。肌电开始和结束的阈值定为最大值的20%，当达到指定阈值时，肌肉就被认为处于活动状态。[11]

4 实验结果和讨论

从三种不同踏速中计算出的EMD值经方差检验无明显差异。所得胫骨前肌和比目鱼肌EMD均值分别为68.1和88.7ms，EMD值在之前文献提出的正常范围内（30-100ms）[12]，T检验揭示两者之间有统计学差异，且比目鱼肌EMD相对较长，与前人文献[13]中提出的比目鱼肌比胫骨前肌拥有更高的慢肌纤维百分比相一致。故作者认定实验结果是合理的。

5 关于此研究的一些疑问

5.1 关于动力激活假说

动力激活假说是Neptune等[9]在1997年研究自行车在不同频率蹬踏运动时提出的。David McGhie, Gertjan Ettema两人在2011年做了验证该假说的实验[14]，实验结果显示，随蹬踏频率的增加，力输出的相位（即曲柄角度）始终存在着积极的、有特点的变化，但没有探讨这一变化出现的原因。其结果是与假说相矛盾的。笔者对比了两者的实验方法，发现两者在实验控制上有不同之处：（1）前者的实验采用了自锁脚蹬，该装备可将鞋与脚蹬连在一起，使受试者在一侧下肢蹬踏时另一侧下肢可进行提拉，从而在踏蹬周期中任何一点都有做功力的存在，包括上下死点[15]。而后者的实验没有采用这一装备。（2）两者的实验对受试者骑车姿势均未做要求，受试者按自己喜好调节座高、姿势等。在骑行过程中，人和车有五处接触—车座、两个车把和两个踏板，这五个点之间的相对位置关系决定了骑行姿势，产生了座高、座管角、上体角度、曲柄长度以及足在踏板上的位置等诸多参数。这些参数都或多或少会引起一些人体解剖姿势和生理机能上的变化。一般的关于自行车的研究都是研究其中一个或几个因素，其余的作为常量。两者对此都没有足够重视，这很可能是导致实验结果不同的原因。

G. Sarre和R. Lepers两人也在2007年做了一个验证EMD蹬踏测定法的实验，其实验结果显示，随蹬踏频率的递增，峰值力矩的曲柄角度提前，并提出应考虑这一峰值力矩变化原因以改进EMD蹬踏测定法。在对比了其实验方法后发现，其实验同样没有控制蹬车的各姿势参数，而Li等人的实验则采用了100%大转子站姿长作为座高。不同座高对自行车运动员下肢工作状态必然有影响[15]，很可能就是这一因素导致了两者的不同。

总之，动力激活假说是该方法的理论基础，希望今后的研究能在严格控制实验条件的基础上对该假说进行验证。

5.2 蹬踏自行车时的圆滑度

前苏联自行车运动训练专家B.B.吉莫申科夫通过长期研究发现，自行车运动员在圆周踏蹬过程中，牙盘各点瞬间角速度越趋向恒定，越有利于运动员体能的发挥，并首先提出“圆滑度”概念，应用“圆滑度”来评定运动员踏蹬技术的优劣。从“圆滑度”可以得知，自行车蹬踏时并非是匀速圆周运动，曲柄在不同位置时由于下肢关节角度不同和蹬踏角度不同导致“有效力”不同，在曲柄旋转一周的过程中，其角速度是不均匀的。郑晓鸿[16]等研究了我国女子优秀场地自行车运动员的踏蹬状态，发现圆滑度与训练水平有很大关系，且受蹬踏频率

影响，在100~130rpm时圆滑度较好，低于此频率则逐渐变差，在85rpm以下时圆滑度极差。Li等人的实验采用60、80和100rpm的频率，且受试者非专业运动员，可推知其蹬踏圆滑度应该不高。

Li等人的EMD蹬踏测试法假定蹬踏是匀速圆周运动，公式中的参数角速度ω是通过蹬踏频率计算出的，是曲柄旋转一周的平均角速度。由于圆滑度低，蹬踏时实际角瞬时速度ω'必然与计算出的平均角速度ω不同，也就是说，从产生肌电至产生力矩这一时段的平均角速度与通过蹬踏频率计算出的平均角速度之间是有差异的。这一差异必然会导致计算结果产生误差。建议测试方法加以改进，采用更高的蹬踏频率以提高圆滑度，减少误差。

6 结语

希望今后的研究能在严格控制实验条件的基础上对动力激活假说及EMD蹬踏测定法进行验证。需要控制的实验条件有座高、座管角、上体角度、曲柄长度以及足在踏板上的位置等诸多可能影响下肢关节角度和生理机能变化的参数。

虽然文献提出的EMD蹬踏测定法存在一些问题，但仍不失为一个很好的思路，就如同作者LiLi在文献中所述，此方法无需昂贵复杂的力学测试实验，提供了一个研究神经肌肉特性的新途径。

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A Empirical Research of Electrical Machinery Delay Calculation Methods in Sport Evaluation

Zhang Yan1Shen Jinbo2
(1.Wuhan Institute of Bioengineering, Wuhan Hubei 430415, China; 2. Yuncheng University, Yuncheng Shanxi 044000, China)

Electromechanical delay (EMD) is a part of the reaction time, is often used to calculate athletes neuromuscular functional status. Though testing the value of EMD needing complex device, Li Li and his fellows proposed a new method that can be used to calculate electromechanical delay (EMD) with less complex device. The paper analyzes the problems and shots of Li’s method, and puts forward suggestions and solutions for the method.

Electromechanical delay Reaction time electromyography

G812

A

2096—1839（2016）08—0131—04

1.张 延(1986~),男,硕士,助教。研究方向:运动人体科学。