下肢表面肌电特征分析及其在运动服中的应用

曹丹

摘要：得到下肢表面肌电特征以及在运动服设计中的应用。采集8名青年男性一个完整单步周期的腹外斜肌、长收肌等16块下肢体表肌肉的肌电信号和同步视频，将单步周期分为着地缓冲、垂直支撑、后蹬、折叠前摆、下放摆落、下压着地六个阶段，分析积分肌电值、放电耗时和肌肉活动状态三个指标。得到基础理论和满足下肢肌肉功能需求的运动服产品。为运动类服装技术和产品开发提供了设计依据，同时也为肌肉工作的工效学分析、疲劳判定、技术动作合理陸分析等方面提供理论参考。

关键词：表面肌电技术 单步周期 肌肉功能 运动服

中图分类号：TS941.17文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2019）11-0026-04

引言

骨骼肌是人体运动的动力源，没有它的收缩就不能引起任何运动。在跑的过程中，上肢摆动的主要作用是保持身体平衡，下肢则要承受大于体重3-5倍的力，了解跑步过程中单步周期的肌肉活动特点，对于下肢的肌肉力量训练、运动技术的合理性、防止运动损伤和肌肉疲劳具有重要意义。肌电是神经、肌肉兴奋发放生物电的结果。是产生肌力的电信号根源，是表示肌肉收缩信息最直接、最简单的途径，表面肌电在分析单块肌肉工作特性中具有明显的优势，并且还能辅助分析肌群之间的相互协作方式，能在一定程度上反映肌肉的活动状态，且对人体无创伤、操作简便。运用表面肌电和摄像同步测试方法，深入分析跑步单步周期的肌肉活动特征，以进一步了解跑步运动项目单步周期肌肉活动规律和技术动作特点，并辅助得到运动服设计方法。

一、研究对象与方法

（一）实验对象

从体校招募了8名男性受试者，受试者基本情况如表1。所有受试者身体状况较好，实验前48h内未从事剧烈运动以保持肌肉的良好状态，所有受试者实验前均知晓实验流程并同意自愿参与。

（二）实验方法

1.着装状态。受試者在实验过程中仅穿着运动短裤和运动鞋。

2.测试内容。选取下肢右侧腿作为测试对象，以6km/h的速度使受试者在跑步机上匀速跑步10秒，记录下原始肌电数据。

3.测试部位。选取以下与跑步运动密切相关的下肢16块体表肌肉作为测试对象：（1）腹外斜肌;（2）长收肌;（3）阔筋膜张肌;（4）股直肌;（5）股外侧肌;（6）股内侧肌;（7）臀中肌;（8）臀大肌;（9）半腱肌;（10）半膜肌;（11）股二头肌长头;（12）腓骨长肌;（13）胫骨前肌;（14）腓肠肌内侧;（15）腓肠肌外侧;（16）比目鱼肌。测试肌肉的点位置如图1。

4.实验设备。意大利Cometa公司制造的Mini Wave Plus型无线遥测表面肌电分析仪，测试电极和电极片。实验电脑（自带摄像头），Load跑步机。

5.测试环境。单独的恒温、恒湿气候控制室，室温20℃±2℃，相对湿度50%±2%，风速≤1m/s。

6.测试过程。首先，实验开始之前要求所有实验相关人员关闭手机等通讯设施，避免噪声、电磁场辐射等对其产生干扰;其次，粘贴电极之前要对目标肌肉体表皮肤用75%浓度酒精擦拭以达到清洁的目的，每块肌肉贴两个电极片，连接一个参考电极。粘贴电极片时要注意：（1）电极片贴于肌腹处;（2）两个测试电极片中心间距不超过2Cm.方向平行于被测肌肉长轴，参考电极靠近测试电极不超过10CM;（3）参考电极与测试电极的导联线要保持平整;（4）所有电极应牢牢固定于体表，尽量避免松动和脱落;再次，实验以手动操作电脑的方式使肌电仪与跑步机保持同步，采集肌电数据的同时也采集跑步同步视频。

（三）数据处理与分析

在数据处理上，原始表面肌电信号信号幅值范围100-5000uv.信号频率在0-500Hz.主频在50-150Hz之间。由于信号采集过程中的干扰信号介于0-60HZ的低频部分，人体肌肉神经信号集中在40-400Hz之间，所以需要对原始表面肌电信号进行降噪和滤波处理，选择介于高通滤波40Hz.低通滤波400Hz之间的表面肌电信号作为目标分析范围。在数据分析上，主要采用时域分析法中的积分肌电值（IEMG）反映单块肌肉放电有效值，结合放电耗时，将一个跑步单步周期划分为支撑期和腾空期两大块，并将支撑期、腾空期细分为着地缓冲、垂直支撑、后蹬、折叠前摆、下放摆落、下压着地六个阶段，更细致化、有目的性地去探索肌肉放电量、肌肉放电时间、肌肉活动状态。

二、结果与分析

（一）跑步单步周期参与肌群及动作分析

与人体运动有关且形成人体外形的肌肉群分为背肌群、颈前肌群、腹肌群、外骨盆肌群、内骨盆肌群、大腿屈肌群、大腿伸肌群、小腿屈肌群、小腿伸肌群9个肌群。其中，参与跑步的下肢主要肌群有（1）外骨盆肌群，包括臀大肌、臀中肌和臀小肌;（2）大腿伸肌群，包括半腱肌、半膜肌、股二头肌、股薄肌等;（3）大腿屈肌群，包括髂腰肌、股四头肌、阔筋膜张肌、缝匠肌等;（4）小腿伸肌群，包括胫骨前肌、趾长、拇长伸肌等;（5）小腿屈肌群，包括腓肠肌和比目鱼肌。

跑步动作技术的一个单腿运动周期可划分为着地缓冲、后蹬、折叠前摆和下压准备着地四个阶段。这四个阶段由支撑期和腾空期组成，支撑期可分为着地缓冲、垂直支撑和后蹬，腾空期可分为折叠前摆、下放摆落和下压着地。着地缓冲阶段划分点为摆动腿的脚掌着地瞬间，垂直支撑阶段划分点为身体重心达到最低点时，后蹬阶段划分点为支撑脚蹬离地面时，折叠前摆划分点为摆动腿折叠前摆摆至最高点时，下压着地阶段划分点为该腿的脚掌着地瞬间。

1.支撑期。在着地缓冲阶段，此刻腾空期正好结束，摆动腿的大腿积极向下压并带动小腿积极前伸并下扒，随后脚掌着地。着地瞬间，为了缓冲前制动，身体随惯性迅速推动踝、膝、髋关节的屈曲前移进入垂直支撑期。身体重心前移至支撑点垂直面，避免造成着地对三关节的冲击过大，使身体重心下降过多。同时，摆动腿的小腿因为惯性向支撑腿的大腿靠拢，同时摆动腿的膝关节折叠角度慢慢减小。随后身体总重心超过垂直支撑面，即进入了后蹬阶段。此时，摆动腿同侧骨盆送髋，迅速有力地屈膝向前上方摆出。支撑腿在摆动腿的拉动下，快速有力地伸展髋、膝、踝关节，推动身体重心向前运动。

2.腾空期。大腿随着蹬地后的惯性加速前摆，膝关节被动地折叠弯曲形成随势动作，然后大腿边折叠边前摆。大腿摆至最高点后，大腿积极下压，小腿随着大腿“鞭打式”着地，胫骨前肌向心收缩使踝关节背屈以加速脚着地。在下压着地时，伸髋（臀大肌、股二头肌）、屈膝（腓肠肌、比目鱼肌）关节帮助完成“鞭打”着地动作。

（二）数据采集

以6km/h的速度使受试者在跑步机上匀速跑步10秒，记录下原始肌电数据和同步跑步视频。图2为一个单步周期的原始表面肌电信号，将采集到的每个样本10秒肌电信号截取第5.7秒比较稳定的信号，从中选出一个单步周期。一个单步周期是指右腿开始着地缓冲状态到完成一周的运动再次回到着地缓冲，准备下压着地的状态，具体动作及一个单步周期中的单腿（图3中所示右侧腿）支撑期、腾空期运动阶段划分如图3。

（三）数据分析

1.肌肉放电量。积分肌电值（IEMG）是指在一定时间内肌肉参与活动的运动单位总放电量，放电量越大，参与肌肉收缩的肌纤维数量越多，被测肌肉活动贡献度越大。图4是以支撑期和腾空期为界看一个单步周期中各肌肉的放电情况。如图4所示，在一个单步周期中，髋肌前群和长收肌、腓骨长肌、小腿后群在腾空期的肌肉活动贡献率比支撑期的要大，且小腿后群的放电主要集中在腾空期;胫骨前肌、大腿后群、髋肌后群在支撑期的肌肉活动贡献率比腾空期的要大;腹外斜肌、大腿前群支撑期、腾空期的肌肉活动贡献率较均匀。

图5显示了16块肌肉在一个单步周期各阶段的肌肉活动贡献率。如图5所示，小腿后群、腓骨长肌在折叠前摆下放摆落阶段出现大的肌肉爆发;大腿前群、阔筋膜张肌、髋肌后群在后蹬，准备折叠前摆阶段出现较大的肌肉爆发;大腿后群、胫骨前肌在垂直支撑，后蹬阶段出现较大的肌肉爆发;腹外斜肌和长收肌的肌肉表现较平稳无明显放电爆发现象。这些结果可为了解肌肉的活动状态，包括放电的先后顺序和各肌肉之间的相互协调关系，为各肌肉之间在跑步状态下的运作关系及运动服的设计提供参考。

图6为一个单步周期各肌肉放电量平均值，由图6可知：（1）16块下肢体表肌肉的总放电量排序依次是腓肠肌内侧、胫骨前肌、比目鱼肌、腓骨长肌、腓肠肌外侧、阔筋膜张肌、长收肌、臀中肌、股内侧肌、股外侧肌、股二头肌长头、半腱肌、半膜肌、股直肌、臀大肌、腹外斜肌;（2）在一个单步跑步周期中，小腿后侧、小腿前侧肌肉贡献率最大，大腿外侧阔筋膜张肌、大腿内侧长收肌次之，其次是后腰部臀中肌和大腿前侧股四头肌群较大，再次是大腿后侧肌群，腹部肌群的肌肉贡献率最低;（3）在合体类运动服装设计上，合理的服装压对提高运动员运动能力、抗疲劳以及内在肌肉功能都起到积极的作用。小腿后侧、大腿前侧、膝盖是跑步动力的主要来源且非常容易产生疲劳，故需要采用莱卡纤维与氨纶、涤纶、锦纶等高弹纤维混纺的高压、高弹面料，或采用罗纹和纬平针组织结构的纬编弹力面料来固定和减少肌肉振动从而避免不必要的能量消耗，另外可在这些部位增加压力带的设计来刺激肌肉反应增加爆发力。后腰臀部、大腿内侧、大腿后侧的疲劳度较高，可采用高弹、吸湿排汗、中压面料，如CoolMax纤维、Dri FIT和swift等排汗快干面料。小腿前侧为需低压区域不需要特別保护。

2.肌肉放电时间。由于每个人的跑步频率不同，每位受试者完成一个单步周期所需的总时间会有所区別，平均时间为1.08s.故采用百分比的方式来表示不同阶段所需的时间。图7为一个单步周期所有样本的支撑期、腾空期所需的时间百分比，可知受试者在跑步过程中支撑期比腾空期花的时间更多。

图8更为详细地显示了六个不同阶段所花时间的平均百分比，由图可知各阶段所花时间由大到小的排序依次为折叠前摆以-下放摆落、垂直支撑-后蹬、着地缓冲-垂直支撑、下放摆落-下压着地、后蹬-准备折叠前摆。

3.肌肉活动状态。图9以各肌肉爆发点的爆发时间和爆发顺序为依据，归纳了肌肉在跑步过程中的肌肉活动状态。如图9所示，腹外斜肌、长收肌呈持续性放电且无明显的放电爆发点，在跑步起始阶段放电较大;阔筋膜张肌呈持续性放电，在后蹬，左腿支撑阶段肌肉放电最活跃，之后在下放摆落-下压着地阶段放电较活跃;腓骨长肌在跑步开始阶段放电较活跃，在足尖离地下放摆落阶段肌肉达到爆发点，之后无明显放电;胫骨前肌在跑步开始至足尖离地阶段肌肉就开始爆发，之后无明显放电;臀部和大腿前侧股四头肌、大腿后侧肌群、小腿三头肌呈规律性放电，都有各自的肌肉爆发点。

从分阶段肌肉爆发点来看，着地缓冲-垂直支撑阶段，腹外斜肌、长收肌、腓骨长肌放电较活跃，胫骨前肌此时放电爆发，并积极参与小腿的下压着地动作。

垂直支撑-足尖离地阶段，大腿伸肌群（半腱肌、半膜肌、股二头肌）处于放电爆发点，它们积极帮助伸髋屈膝，参与支撑腿的后蹬动作，此时小腿前外侧肌群（胫骨前肌、腓骨长肌）仍持续放电。

后蹬-左腿支撑阶段，臀大肌和臀中肌放電爆发，积极后摆大腿及伸髋并参与后蹬动作，大腿屈肌群中的股四头肌和阔筋膜张肌也达到最活跃期，先参与后蹬时的伸膝动作，再使髋关节屈带动小腿前摆。小腿屈肌群（腓肠肌内侧、腓肠肌外侧、比目鱼肌）开始出现放电爆发，此时使膝关节屈，参与摆动腿的折叠前摆至最高点的动作。腓骨长肌也开始出现肌肉放电爆发。

脚尖离地下放摆落阶段，腓骨长肌和小腿屈肌群处于肌肉爆发阶段，放电量处在一个单步周期中的最高点。

下放摆落下压着地阶段，腹外斜肌、长收肌和阔筋膜张肌较活跃。

三、下肢表面肌电特征在运动服中的设计应用

根据实验所得的下肢肌肉单步周期放电量、放电时间、肌肉活动规律和技术动作特点等结果，得知了下肢各部位的功能需求，结合文献检索得到的舒适性需求，提出了如表2所示的运动服设计创新的方法，此方法基于下肢表面肌电特征，对下肢不同人体部位在促进肌肉爆发力、稳定核心肌群、减少肌肉拉伤和吸湿排汗方面提出了不同的功能需求，也为本文后期的运动服设计提供了理论依据。

图10-12为基于下肢表面肌电特征的运动服设计实例。此款运动服装的分割线设计依据为实验所得的功能需求及设计创新方法，同时满足人体肌肉走向和活动规律。裤装分片设计共6片，结构分割较少、缝份儿较少可减少服装面料与皮肤的摩擦，注重服装的舒适性。大腿前部、小腿为一整片高压高弹面料，大腿后侧和内侧为一整片弹力较大的四面弹面料，前档部、后腰部为排汗网眼面料，在裤腰内侧特别缝缀了一块硬质网眼以起到固定腰部核心肌群的作用，大腿前外侧、小腿后侧增加了压力带的设计以减少肌肉震动。

结论

以上实验数据分析与结果表明，运用表面肌电技术能很好地反映与跑步有关的下肢肌群各肌肉贡献率、放电先后顺序、肌肉活动状态和肌肉之间的相互协调关系;对于把一个跑步单步周期支撑期、腾空期划分为着地缓冲、垂直支撑、后蹬、折叠前摆、下放摆落和下压准备着地六个阶段，通过积分肌电值（IEMG）、放电耗时百分比、肌肉爆发阶段的活动状态去分析单步周期肌肉协作的研究方法具有准确性和实用性。可以帮助了解跑步运动项目单步周期肌肉活动规律和技术动作特点的同时，更重要的是能为运动类服装技术和产品开发提供设计依据，同时也为肌肉工作的工效学分析、疲劳判定和技术动作合理性分析等方面提供一定的参考价值。