30秒全力蹬踏自行车运动中下肢肌肉协同活动特征研究

王乐军 徐仰才 马国强 牛文鑫 邱俊 龚铭新 王钰婷

1同济大学体育教学部运动与健康研究中心（上海 200092）

2上海中医药大学体育部（上海 2012034）

3上海体育科学研究所（上海 200030）

4同济大学医学院（上海 200092）

在人体自主运动过程中，中枢神经系统控制下的各关节肌肉的协同收缩活动是产生适宜关节净力矩和顺利完成运动任务的基本条件[1，2]。对人体肌肉协同活动特征的考察，为深入探讨人体运动的神经肌肉控制机制提供了重要途径[3]，是运动科学研究者关注的热点问题[4-6]。所谓肌肉的协同收缩特征，是指各肌肉在收缩时间和收缩强度两个维度上的表现特征和相互关系[7]。在当前研究中，基于表面肌电信号获取运动中主要肌肉的激活时间、激活强度（力量）、协同收缩比率等指标，是考察肌肉协同活动最主要的方法[1，7，8]。

30秒全力蹬踏自行车运动是人体运动能力评定和运动员专项训练的常用方法。运动过程中，随着蹬踏持续时间的增加，下肢肌肉疲劳程度逐渐加深，在引起运动表现下降的同时，下肢肌肉活动在中枢神经系统控制下也处于不断变化和调整中[9]。在此过程中，了解下肢各主要用力肌肉的功能状况及各肌肉协同收缩活动会发生怎样的变化，对于从理论层面深入认识该运动的神经肌肉控制机制，以及从实践层面科学指导运动训练及预防运动损伤都有重要的指导作用。

前期研究发现，全力蹬踏自行车过程中，股直肌，股内、外侧肌，腓肠肌等肌肉均被最大程度地募集[7，10]。此时，各肌肉的活动和对运动任务的贡献表现出不同的特征。例如，在自行车蹬踏运动中，单、双关节肌的功能似乎表现出差异性：单关节肌在蹬踏运动中一直以主要用力肌肉参与运动，而双关节肌则主要在不同蹬踏阶段内肌肉力矩由近端关节（髋、膝关节）向远端关节（踝关节）传递时发挥重要作用[8，11，12]。Schenau[13]的研究发现，臀大肌/股二头肌和股肌/腘绳肌的协同收缩在髋、膝关节的肌肉力矩传递和优化踏板力方向等方面发挥重要作用。但前期对于30秒全力蹬踏自行车运动的生物力学研究，大都集中于运动的总体表现和各关节的力学活动方面，对30秒全力蹬踏自行车运动过程中下肢肌肉功能状况及协同活动的变化特征并未完全知晓。

本研究通过记录30秒全力蹬踏自行车运动过程中下肢主要肌肉的表面肌电信号，考察各肌肉的放电频率、收缩强度、激活时间和肌肉协同收缩比率等指标随运动时间变化的特征，揭示30秒全力蹬踏自行车运动过程中下肢主要用力肌肉的协同活动规律，为深入研究该运动的神经肌肉控制策略提供基础，同时也为指导运动员进行科学化训练提供理论依据。

1 对象与方法

1.1 研究对象

上海市场地自行车运动员10名，其中男7名，女3名，年龄21.5±4.7岁，身高175.0±8.3 cm，体重75.4±10.9 kg。受试者身体健康状况良好，测试时无神经肌肉系统疾病；实验前24 h未从事剧烈运动，无肌肉疲劳症状。精神状态良好，无睡眠不足、精神萎靡等不良状态。实验前告知教练员和受试者相关测试方法、程序及注意事项，并签订研究内容知情同意书。

1.2 实验程序

在上海市体育科学研究所竞技体育研究二中心的实验室进行测试。采用Wattbike Pro风阻功率测试车进行自行车蹬踏负荷实验，该功率车具有空气（1～10档）和电磁（1～7档）两套阻力系统。将电磁阻力设为1档，空气阻力档为受试者可以产生最大输出功率所对应的档位。受试者测试空气阻力档位设置在6～10之间。该设置在40 rpm和130 rpm的蹬踏频率下分别对应45～55 W和785～1045 W的输出功率。

在正式实验开始前，每位受试者首先以90 rpm的蹬踏频率在功率测试车上进行5分钟的热身活动，热身的负荷设置为空气阻力档位3。热身活动结束后，受试者休息3分钟，之后进行正式的实验测试。受试者先在测试车上保持准备姿势，之后通过TJ-Motion 2.0同步触发器同步触发Wattbike Pro功率测试车软件记录系统、表面肌电测试仪和摄像机闪光灯。记录5秒钟受试者在肌肉完全放松情况下的表面肌电信号，之后指示受试者以最快速度完成30秒全力蹬踏自行车运动。每位受试者以能产生最大输出功率所对应的功率车档位进行蹬踏。记录输出功率、蹬踏频率、下肢关节运动学数据和下肢主要用力肌肉的表面肌电信号。

输出功率和蹬踏频率数据采用Wattbike功率自行车配套的运动参数记录仪（Wattbike performance computer，WPC）进行采集。下肢关节运动学数据采用一台JVC GC-PX10高速摄像机进行采集。摄像机固定于受试者正侧面，主光轴正对受试者髋关节中心，拍摄频率为50 fps，后期经插帧获得100帧/秒的运动序列图片。表面肌电信号采用ME 6000 P8表面肌电信号测试系统（Mega Electronics System，Finland）进行采集，测试肌肉包括：右侧股直肌（rectus femoris，RF）、股肌（vastus，VAS；包括股内侧肌和股外侧肌）、腘绳肌（hamstring muscle，HAM；包括股二头肌和半腱肌）、胫骨前肌（tibialis anterior，TA）、腓肠肌外侧头（gastrocnemius，GAS）、比目鱼肌（soleus，SOL）等共6个肌肉群的8块肌肉。实验测试前，首先对测试肌肉表面皮肤进行去毛和75%酒精棉球擦拭等处理，采用双电极引导法进行表面肌电信号测试，两测试电极间距2 cm置于测试肌肉的肌腹部，与肌纤维走向平行。信号采样频率设置为1000 Hz。采集到的表面肌电信号另存为ASCII文件后作为后期分析的数据源。实验后对表面肌电信号数据、功率自行车测试数据与摄像机拍摄的运动视频数据进行同步处理[6]。

1.3 数据处理与分析

实验测试完成后，将表面肌电信号数据、自行车蹬踏输出功率、蹬踏频率数据和运动影像数据导出。基于运动影像数据对自行车每个蹬踏周期的时间起止点进行划分。sEMG数据导出后，通过MATLAB 2009Ra软件编程实现sEMG数据的处理与分析工作，主要分为以下步骤：

（1）表面肌电信号分段

基于蹬踏运动学数据对各蹬踏周期的表面肌电信号起止点时刻进行记录，每个蹬踏周期的起始点设置为右侧自行车曲柄蹬踏至上位死点位置对应的时刻（TDC）。此外，将30秒表面肌电信号按照等时间间隔划分为0～5、5～10、…25～30秒共6个蹬踏运动阶段（每段5秒钟）。

（2）sEMG滤波

采用四阶Butterworth滤波器对采集的sEMG进行带通滤波处理，滤波频率10～500 Hz，滤波模式为零相位偏移滤波。

（3）sEMG全波整流和包络线值计算

通过对滤波后的sEMG取绝对值，获取全波整流sEMG信号。对全波整流后的信号以20 ms时间窗口宽度移动计算均方根振幅指标（root mean squared value，RMS），以此获得sEMG的包络线值。

（4）时间轴标准化

将每位受试者在每个蹬踏周期内的数据标准化为100个数据点。时间标准化参照Winter[14]所建议的方法进行操作。假设某蹬踏周期共有原始采样点数为n，则标准化为100个数据点时，第i个标准化的数据datai对应的原始数据序号，则

其中，datai为第i个标准化后的数据（i∈[1，100]），datak为第k个标准化前的数据，floor(k)为不大于k的最大整数，ceil(k)为不小于k的最小整数。

（5）包络线值标准化

对于每位受试者蹬踏运动中的包络线值，分别相对于该受试者在蹬踏运动中所计算包络线值的最大值做标准化处理，标准化公式如下：

其中，RMSi为标准化前的值，RMSi为标准化后的值，RMSmax为当前受试者的最大值。

（6）计算股肌和腘绳肌肌电包络线值

基于前期文献，分别将股内侧肌VM和股外侧肌VL的包络线值进行平均，以此作为股肌（vastus，VAS）的包络线值。将股二头肌和半腱肌的包络线值进行平均，以此作为腘绳肌（hamstring，HAM）的包络线值。

（7）计算肌肉激活时间和肌肉协同收缩率

基于步骤（5）的包络线值数据，分别计算每个蹬踏周期内各导联肌肉的激活时间。肌肉激活的标准定义为：大于安静状态所记录均值的3倍标准差以上，且持续50 ms以上。基于表面肌电信号确定肌肉激活时间的示意图如图1所示。基于步骤（5）和（6）所得包络线值，分别计算肌肉协同收缩率CAI胫骨前肌/比目鱼肌、CAI股肌/腓肠肌、CAI股肌/腘绳肌。肌肉协同收缩率参照Lewek等[15]的公式计算。

图1 基于表面肌电信号确定肌肉激活时间示意图

（8）获取不同蹬踏阶段肌肉活动参数

基于步骤（2）滤波后的数据，分别计算各阶段sEMG的中值频率（median frequency，MF）指标。此外，分别对6个蹬踏阶段内各蹬踏周期的各肌肉肌电包络线值、激活时间和肌肉协同收缩率进行平均化处理，获取各蹬踏阶段内各指标的平均值和标准差。

1.4 数据的统计分析

选用KS检验（Kolmogorov-Smirnov test）对分析数据进行正态性检验。根据数据的分布特征选用适宜的统计推断方法。采用重复测量设计的方差分析对不同蹬踏阶段内各测试指标的差异性进行检验。各测试指标与蹬踏持续时间的相关关系采用Pearson相关性分析进行检验。P＜0.05为差异有统计学意义。数据的统计分析工作在SPSS 13.0软件环境下完成。

2 结果

2.1 30秒全力蹬踏运动中输出功率和蹬踏频率变化特征

30秒全力蹬踏运动中输出功率和蹬踏频率随运动时间变化的曲线如图2所示。各受试者蹬踏频率和输出功率均值在开始蹬踏后快速增加，其中蹬踏频率和输出功率分别在第5秒和第3秒处达到最大值，之后随运动时间延长逐渐减小直至运动结束。在运动结束即刻，蹬踏频率和输出功率相对于最大值的下降率分别达到21.51%±5.40%和56.17%±9.91%。

2.2 30秒全力蹬踏运动中各肌肉肌电幅值和频率变化特征

30秒全力蹬踏自行车运动过程中各测试肌肉sEMG包络线值随蹬踏时间变化的曲线如图3所示。各测试肌肉sEMG的RMS平均值随蹬踏时间变化的曲线如图4所示。重复测量设计的方差分析结果显示，不同蹬踏运动阶段对股直肌、股肌、腓肠肌和比目鱼肌4块肌肉的RMS值具有影响，结果有统计学意义（股直肌：P=0.024；股肌：P=0.000；腘绳肌：P=0.378；胫骨前肌：P=0.659；腓肠肌：P=0.010；比目鱼肌：P=0.001）。RMS与运动持续时间的相关分析结果显示，股直肌、股肌、腓肠肌、比目鱼肌随运动持续时间的增加表现出单调递减趋势，结果有统计学意义（股直肌：r=-0.337，P=0.013；股肌：r=-0.451，P=0.001；腓肠肌：r=-0.349，P=0.010；腓肠肌：r=-0.611，P=0.000），而腘绳肌和胫骨前肌RMS随蹬踏运动时间变化无统计学意义（腘绳肌：r=0.007，P=0.960；胫骨前肌：r=-0.094，P=0.499）。

图2 30秒全力蹬踏运动中输出功率和蹬踏频率变化曲线

图3 各测试肌肉表面肌电信号包络线值随蹬踏时间的变化曲线

图4 各测试肌肉表面肌电信号RMS平均值随蹬踏时间变化的曲线

30秒全力蹬踏自行车运动过程中各测试肌肉表面肌电信号MF随蹬踏运动持续时间变化的曲线如图5所示。随着蹬踏运动持续时间的增加，大部分测试肌肉的MF呈现出单调递减的变化趋势。重复测量设计的方差分析结果显示，股直肌、股肌、胫骨前肌、腓肠肌在6个蹬踏运动阶段内的MF指标具有差异，结果有统计学意义（股直肌：P=0.000；股肌：P=0.000；腘绳肌：P=0.922；胫骨前肌：P=0.002；腓肠肌：P=0.023；比目鱼肌：P=0.205）。MF与运动持续时间的相关分析结果显示，股直肌、股肌、胫骨前肌、腓肠肌随运动持续时间的增加表现出单调递减趋势，结果有统计学意义（股直肌：r=-0.380，P=0.005；股肌：r=-0.367，P=0.006；胫骨前肌：r=-0.286，P=0.036；腓肠肌：r=-0.294，P=0.031），而腘绳肌和比目鱼肌MF的单调递减趋势无统计学意义（腘绳肌：r=-0.035，P=0.799；比目鱼肌：r=-0.092，P=0.510）。

图5 各测试肌肉表面肌电信号MF指标随蹬踏时间变化的曲线

2.3 30秒全力蹬踏运动中各肌肉激活时间和协同收缩比率变化特征

30秒全力蹬踏自行车运动过程中各测试肌肉激活时间随蹬踏运动持续时间变化的曲线如图6所示。重复测量设计的方差分析结果显示，股直肌、股肌、腓肠肌在6个蹬踏运动阶段内的激活时间具有差异，结果有统计学意义（股直肌：P=0.009；股肌：P=0.000；腘绳肌：P=0.101；胫骨前肌：P=0.969；腓肠肌：P=0.020；腓肠肌：P=0.757）。激活时间与运动持续时间的相关分析结果显示，股直肌、股肌、腘绳肌、腓肠肌随运动持续时间的增加表现出单调递减趋势，结果有统计学意义（股直肌：r=-0.276，P=0.033；股肌：r=-0.574，P=0.000；腘绳 肌 ：r=-0.332，P=0.010；腓 肠肌 ：r=-0.273，P=0.035），而胫骨前肌和腓肠肌激活时间的单调递减趋势无统计学意义（胫骨前肌：r=-0.087，P=0.507；腓肠肌：r=-0.025，P=0.847）。

图6 各测试肌肉激活时间随蹬踏时间变化的曲线

30秒全力蹬踏自行车运动过程中测试肌肉协同收缩比率随蹬踏运动持续时间变化的曲线如图7所示。重复测量设计的方差分析结果显示，协同收缩比率CAI胫骨前肌/比目鱼肌、CAI股肌/腓肠肌在6个蹬踏运动阶段内的激活时间具有差异，结果有统计学意义（CAI胫骨前肌/比目鱼肌：P=0.001；CAI股肌/腓肠肌：P=0.004；CAI股肌/腘绳肌：P=0.457）。协同收缩比率与运动持续时间的相关分析结果显示，CAI胫骨前肌/比目鱼肌随运动持续时间的增加表现出单调递增趋势；CAI股肌/腓肠肌表现出单调递减趋势（P均＜0.05）。而CAI股肌/腘绳肌未表现出有统计学意义的单调变化趋势（CAI胫骨前肌/比目鱼肌：r=0.413，P=0.001；CAI股肌/腓肠肌：r=-0.363，P=0.004；CAI股肌/腘绳肌：r=-0.035，P=0.791）。

图7 各测试肌肉协同收缩比率随蹬踏时间变化的曲线

3 讨论

30秒全力蹬踏自行车运动作为一种持续时间较短的剧烈运动形式，可反映人体ATP-CP及糖酵解无氧供能能力[16，17]。在整个运动过程中，随着运动持续时间的延长，下肢主要用力肌肉的疲劳程度逐渐加深，在引起肌肉功能状况发生变化的同时，各肌肉的活动水平和激活时间也随着运动持续时间的增加而不断产生调整变化。

本研究中，随着蹬踏运动持续时间的增加，输出功率和蹬踏频率逐渐下降，至运动结束即刻，输出功率均值相对于最大值下降了56.17%，与前期30秒等速和等阻力全力蹬踏自行车运动结束即刻功率相对于功率最大值50%左右的下降率接近[18，19]。此外，本研究中股直肌、股二头肌、腓肠肌、比目鱼肌sEMG的MF指标随运动时间变化的趋势与我们前期研究及国外相关文献的研究结果较为一致[20，21]。

在全力蹬踏自行车运动中，股直肌、股内侧肌、股外侧肌、腓肠肌等均被最大程度地募集[7，10]，因此全力蹬踏自行车运动极易诱发下肢相关肌肉的疲劳。本研究中，蹬踏频率和输出功率分别在第5秒和第3秒即开始下降，表明在运动开始后的第5秒左右，下肢肌肉即开始出现疲劳。从各测试肌肉sEMG的中值频率MF看，股直肌、股肌、胫骨前肌、腓肠肌的MF都随运动持续时间的增加表现出有统计学意义的单调递减趋势。MF作为sEMG评价运动性肌肉疲劳的经典指标，在大部分静态和动态运动中均表现出良好的随疲劳程度单调递减的变化趋势，已被广泛应用于疲劳负荷运动中局部肌肉疲劳的定量评价[22，23]。因此，本研究中MF指标研究结果表明，在30秒全力蹬踏自行车运动中，股直肌、股肌、胫骨前肌、腓肠肌的疲劳都非常明显。其中，股直肌的MF指标平均值下降了13.12%，显著高于其他测试肌肉，提示股直肌的疲劳程度是所有测试肌肉中最深的。这可能跟股直肌中的Π型快肌纤维含量较高有关[24]。

Martin等[25]的研究发现，在30秒全力蹬踏自行车运动中，髋、膝、踝三大关节做功功率的下降呈现出不同步性。这种不同步性理论上被认为与肌肉协同收缩变化的不同步性有关[20，25]。本研究所测试的6组肌肉中，只有股直肌、股肌、腓肠肌的肌电幅值和股直肌、股肌、腓肠肌、腘绳肌的激活时间随运动持续时间的增加表现出单调递减趋势。此外，各肌肉的疲劳程度也表现出不同的变化特征。

在自行车蹬踏运动中，单关节肌和双关节肌的功能似乎表现出差异性：下肢近端关节的单关节肌（臀大肌、股内侧肌、股外侧肌等）是蹬踏运动中主要的做功肌肉，而股直肌和腓肠肌等双关节肌肉主要在关键蹬踏周期的动力传递方面发挥重要作用[8]。其中，由近端单关节肌肉（臀大肌、股肌）收缩产生的动力，有50%以上是通过腓肠肌的活动转移到自行车蹬踏曲柄的；相比之下，股直肌在该动力转换中的作用比腓肠肌要小得多[26，27]。前期研究发现，股直肌和腓肠肌疲劳和活动量的减小会引起髋、膝、踝关节功率下降[25]。此外，股直肌和腓肠肌在优化自行车蹬踏转换阶段的外力方向方面亦发挥重要作用。股直肌和腓肠肌活动水平的下降会减小自行车蹬踏至上位死点和下位死点附近时脚与踏板的水平力，由此造成施加在踏板上切向力的减小和传递至曲柄动力的降低[13，27]。本研究中，股直肌和腓肠肌的肌电幅值、激活时间和MF随运动时间的延长逐渐降低，提示这两块肌肉疲劳程度增加和肌肉活动水平降低，这些变化无疑会引起蹬踏运动关节功率、运动效率和运动表现下降。

本研究协同收缩比率CAI股肌/腓肠肌随运动时间的延长逐渐下降，其均值在运动结束即刻相对于初始值下降了13.9%，而CAI股肌/腘绳肌无显著性变化，这与O'Bryan等[20]的研究结果一致。前期研究认为，双关节肌股直肌、腓肠肌与单关节肌股肌等肌肉的协同收缩率可以影响髋、膝、踝关节的做功量和功率分配。这些肌肉协同收缩率的降低会引起蹬踏动力的转移效率下降[13，20，27]。因此本研究中协同收缩比率CAI股肌/腓肠肌的下降提示在蹬踏运动过程中动力传递效率降低。

此外，我们还探讨了CAI胫骨前肌/比目鱼肌随蹬踏运动时间变化的情况。胫骨前肌和腓肠肌作为一对拮抗肌，其共收缩比率CAI胫骨前肌/比目鱼肌随运动持续时间的增加表现出显著的单调递增趋势。疲劳后拮抗肌共收缩水平的增加，可能跟神经肌肉系统代偿性调节由疲劳引起的关节稳定性下降有关[28]。拮抗肌共收缩比率的增加在疲劳后关节稳定性的提升和合理分配关节周围力的分布方面发挥重要作用，但其同时也会降低主动肌的收缩效率[29，30]。前期研究发现，以120 rpm的固定蹬踏频率进行30秒全力蹬踏自行车运动，在运动结束时踝关节功率下降了63%，显著高于髋关节和膝关节做功的下降率[25]。除了疲劳导致的肌肉力量下降因素，蹬踏运动中踝关节拮抗肌共收缩比率的增加也是该功率下降的原因。

4 小结

综上所述，在30秒全力蹬踏自行车运动中，股直肌、股肌、胫骨前肌、腓肠肌都出现较深的肌肉疲劳。在此过程中，下肢肌肉的活动呈现非同步性的变化，引起股肌-腓肠肌动力传递效率下降和踝关节拮抗肌共收缩比率增加。这提示在自行车专项训练中，应重点加强对股直肌、股肌、胫骨前肌、腓肠肌等肌肉速度耐力能力的训练，以延缓和减小这些肌肉疲劳的发生。此外，还应针对主要肌肉工作组，如股肌-腓肠肌、小腿屈伸肌群进行协同性训练。