疲劳状态下静态屈肘时肱二头肌的表面肌电特征研究

杨红梅 彭知 孙明运 周多奇

(安庆师范大学体育学院 安徽安庆 246133)

肌电是骨骼肌在静止或收缩时，由肌纤维动作电位的传导和扩布，而发生的一系列动作电位变化[1]。表面肌电作为一种简单、方便、无创伤检测评定方法，在临床医学、体育科研中已经得到广泛的运用。表面肌电用于分析训练前后肌肉的疲劳情况，对运动员进行综合评定，调整和制订更具有针对性的运动训练及恢复身体机能的方案，广泛地运用在运动学及运动康复等领域[2-4]。

肱二头肌是人体上肢运动中非常重要的肌肉。通过实验研究肱二头肌的表面肌电特征，既可提高对肌肉的专门性训练，又可为肌肉损伤康复提供理论支持。

肌肉功能的具体状态影响频域分析法数值的变化[5]。目前，信号分析的发展趋势是从时域分析法向频域分析法不断发展与过渡的过程，二者紧密联系，缺一不可。随着生活方式的改变，办公室人群长期久坐，并使用上肢完成工作，导致肱二头肌产生慢性疲劳，当肌肉疲劳时，其表面肌电特征如何变化，值得探讨。因此，该文对静态屈肘动作中肱二头肌疲劳时表面肌电特征进行研究。

1 研究对象及方法

1.1 研究对象

如表1所示，某师范大学20名在校大学生受试者概况。确认20名实验对象所示身体状况良好，无酗酒等现象，2年内没有肱二头肌损伤的病史，实验前48h正常生活，未进行任何剧烈运动。

表1 受试者概况

2.2 研究方法

2.2.1 实验法

（1）实验仪器及器材

DELSYS、自制150°量角器、哑铃（女4kg、男6kg）、剃须刀、酒精棉球等。

（2）软件分析系统

EMG Server for Delsys。

（3）实验现场图

如图1所示，实验过程中为确保肘关节角度，用自制量角器进行测量，同时加强对受试者的保护。

图1 实验现场（肘关节夹角150°）

（4）实验过程

首先，对该研究所选取受试者，依次进行1～20号的编排。按照规定的动作和承受负荷依次进行实验。所有实验对象均采集肱二头肌肌电信号。

其次，室温保持在25℃，所有实验对象均采用肱二头肌（以右臂为例）肌腹最隆处，用剃须刀清除表面汗毛、体表油脂、汗液等可能会影响肌电信号采集的异物，并用医用酒精擦拭干净。将电极片贴于肱二头肌肌隆起处，电极与肌纤维平行放置，信息采集者观察接收到的信号是否正常。

再次，让受试者坐于板凳上，躯干保持正直，右臂自然前伸，用自制量角器控制肘关节的角度为150°，肘关节保持不动，准备动作完成后，向信号采集者发送指令，将哑铃4kg（女）、6kg（男）放置于受试者手中，受试者保持不动，保护与帮助者站于受试者正前方，双手置于哑铃下方2～5cm处，在受试者疲劳且无法坚持时，测试完毕，数据采集完成。

最后，实验全部结束后，整理器材，将仪器妥善归位。

2.2.2 数理统计法

对肌电数据滤波、平滑处理，对肌电数据进行EMG分析处理，算出均方根振幅值（RMS）、积分肌电值（IEMG）、中位频率（MDF）和平均频率（MPF），并求得平均数和标准差，再利用Excel进行图表绘制。

应用配对t检验和异方差t检验，差异设置为P＜0.05具有显著性差异，P＜0.01具有非常显著性差异。

3 结果

3.1 肱二头肌均方根值指标的变化

如图2、图3所示，肱二头肌非疲劳和疲劳状态下，女性受试者均方根振幅，具有显著性差异，P=0.03；男性受试者不具有显著性差异，P=0.11。

图2 女性肱二头肌均方根值（RMS）

图3 男性肱二头肌均方根值（RMS）

3.2 肱二头肌积分肌电指标变化

如图4、图5所示，肱二头肌疲劳和非疲劳状态下，女性受试者积分肌电值，具有显著性差异，P=0.039。男性受试者不具有显著性差异，P=0.15。

图4 女性肱二头肌积分肌电值（IEMG）

图5 男性肱二头肌积分肌电值（IEMG）

3.3 肱二头肌中位频率指标变化

如图6、图7所示，肱二头肌疲劳和非疲劳状态下，女性受试者中位频率，具有非常显著性差异，P=0.006。男性受试者不具有显著性差异，P=0.10。

图6 女子肱二头肌中位频率（MDF）

图7 男子肱二头肌中位频率（MDF）

3.4 肱二头肌平均功率

如图8、图9所示，肱二头肌疲劳和非疲劳状态下，女性受试者平均频率，具有非常显著性差异，P=0.009。男性受试者不具有显著性差异，P=0.07。

图8 女性肱二头肌平均频率（MPF）

图9 男性肱二头肌平均频率（MPF）

4 分析

该研究中，女性受试者肱二头肌疲劳和非疲劳状态下的均方根振幅值和积分肌电值都具有显著性差异，男性受试者肱二头肌疲劳和非疲劳状态下的均方根振幅值和积分肌电值都不具有显著性差异，但表面肌电时域指标均方根振幅、积分肌电均呈现出升高趋势，与前人的研究相似。如周永平等要求受试者手持哑铃进行持续等长收缩，研究表明为了使肌肉持续维持稳定的工作，持续有新的肌纤维参与运动，所以表面肌电呈上升趋势[6]；马文凯等强调指出运动疲劳使IEMG数值呈现升高的趋势，能够有效评价运动疲劳，但因为高异质性的影响IEMG不够稳定[7]；张非若等研究表明，上肢肌肉在重复运动中会产生疲劳反应，肌电幅度不断升高，如果再次增加负荷，疲劳会继续产生[8]；郭伏等人发现，表面肌电的时域指标IEMG呈现不断上升的趋势，频域指标MF呈现下降的趋势，是存在一定线性关系的[9]。

静态屈肘动作和动态伸肘动作表面肌电图的基本参数保持稳定。运动开始时，肌肉的运动单位电位放电频率逐渐增加，为频率高移；加大运动负荷继续运动，肌肉的运动单位数量进一步增加，并且出现频谱率继续高移，波动幅度也持续增加；继续加大运动负荷进行持续运动，表现为运动单位的电位重叠，并且波动幅度进一步加大，但是频率增加开始逐渐缓慢或趋于停止；运动持续至肌肉疲劳状态下，肌纤维兴奋传导的速度开始降低，但是波动幅度变化不大。运动负荷、运动方式、各部位的承受能力等都会影响疲劳时的肌电信号变化。齐瑞等人对轻偏瘫患者在最大等长收缩过程中肱二头肌进行研究，得出轻偏瘫患者的上肢康复治疗训练主要是伸肌侧肌力与抑制拮抗肌的收缩[10]。陈奇琛通过受试者利用不同健身器械针对肱二头肌进行练习，发现直臂哑铃弯举肌电信号变化的强度最大，训练效果最好[11]。

表面肌电在体育运动训练中的应用，不仅便于了解运动员肌肉的功能状况，还可以追踪训练中肌肉状态的变化，以及对运动后疲劳的状况及运动后恢复进行更好的监控[12]。

频域分析法包括该文采集的中位频率值和平均频率值，女性受试者肱二头肌疲劳和非疲劳状态下的都具有非常显著性差异，男性受试者肱二头肌疲劳和非疲劳状态下的都不具有显著性差异。男女在测试中均表现出疲劳现象，但是女生的频域特征下降明显，男生却无明显下降，原因可能是男女上肢绝对力量的差异，男生只需要较少的肌纤维及部分神经动员参与即可完成此次测试，虽然出现疲劳，也可能只是疲劳的开始，而女生由于力量弱，疲劳的程度要高于男生，在肌肉肌电频域下降表现突出；当然也存在男生对疲劳耐受性可能高于女生，男女神经肌肉控制策略有所区别等，导致男女肌肉肌电频率产生了如此差异。杨红春等[13]的研究揭示了肱二头肌等长收缩疲劳产生机制，该研究支持其观点。张肃[14]研究认为，人体上肢疲劳时，肱二头肌肌电频域指标变化较大，其肌电变化具有中枢共驱动的效应。王健等[15，16]研究发现，肱二头肌疲劳时平均功率频率和中位频率时间序列曲线均呈线性递减变化规律。宋海燕等[17]研究发现，男性与女性在肌肉力量利用方面有不同的侧重点。吴剑聪等[18]研究发现，肱二头肌疲劳前后MF变化率、MPF变化率等的比较均有统计学意义。梁明[19]、官娉[20]研究发现，脑卒中患者经过虚拟治疗前后肌肉表面肌电频域特征得到明显改变。袁爱国等[21]研究表明，MPF在反映肌肉功能水平差异方面具有良好的特异性和敏感性。林萍等[22]认为，疲劳过程中负荷水平、年龄、性别、人群等对主观感受变化具有一定的影响，说明男女对疲劳的感受具有一定的差异，也是导致男女肌电特征差异的因素。该研究的结果支持以上学者的研究结论。

5 研究局限

该研究存在一定的局限。首先，样本量较少；其次，在静态屈肘动作肱二头肌疲劳时表面肌电特征研究的实验中，由于场地器材的局限性，以及大多数学生在大学生活中缺乏身体锻炼，无法承受较大负荷量；肘关节的角度无法保证在整个实验过程中保持不变，在完成规定动作的过程中不得不使用其他肌肉进行协调辅助，导致最后的数据变化波动较大。

6 结语

肱二头肌是人体上肢运动中非常重要的肌肉。通过实验研究肱二头肌的表面肌电特征，既可以提高对肌肉的专门性训练，又可以为肌肉疲劳损伤康复提供理论支持。

静态屈肘动作中，肱二头肌疲劳时男女疲劳耐受程度不同，肱二头肌表面肌电均方根振幅、肱二头肌积分肌电值特征有一定区别；肱二头肌表面肌电中位频域、平均频率是反映肱二头肌疲劳敏感指标。