冰刀鞋刀桥结构差异对下肢表面肌电的影响

2022-03-22辛东升王占星闫文飞马英华程正平夏润亭陈上

皮革科学与工程 2022年2期

辛东升，王占星，闫文飞，马英华＊，程正平，夏润亭，陈上

（1.河北科技工程职业技术大学，河北邢台 054000；2.中国皮革制鞋研究院科技研发中心，北京 100015；3.中国皮革制鞋研究院（晋江）有限公司，福建晋江 362200）

1 前言

冬奥会以速度区分成绩的滑冰分为“短道速滑”和“速度滑冰”，两者的距离和装备均有不同。短道速滑的个人最长距离为3000 m；距离5000 m以上时则为速度滑冰，也称大道速滑。短道速滑冰刀鞋的冰刀是固定式冰刀，冰刀与鞋身有两个固定点；而大道速滑冰刀鞋的冰刀与鞋身只有一个固定式连接点，第二个连接点是可分离的[1]。大道分离式冰刀也称克莱普冰刀（KLAP）冰刀，它最早起源于荷兰，1997年被批准冬奥比赛使用。克莱普冰刀的最大特点是改变了运动员蹬离期的背屈角度，运动员的动能能够得到更大释放，从而使得该项赛事屡破世界纪录。然而随着应用，克莱普冰刀的缺点也日益显现出来。李宝贵[2]研究发现克莱普冰刀鞋改变的只是膝踝关节的背屈角度，而对于跖趾背屈的改善不大，节能效果也不明显；并且克莱普冰刀鞋在大道速滑启动和冲刺阶段也存在一定的短板。

近期，本课题组将其刀桥的结构进行了重新改进设计，发现其能量回归效果有了很大的改善。本文主要采用无线表面肌电系统测试和分析了冰刀鞋刀桥结构的差异对运动员下肢表面肌电的影响。

2 测试

2.1 受试运动员和测试用鞋

本研究选取了4 名省队运动员，其中国家金星二级运动员1 名，金星一级运动员3 名。测试地点为吉林省长春市国家冰上训练基地速滑馆。运动员年龄（18±2）岁；体重：（58.75±8.30）kg；身高：（174.30±3.60）cm。受试者标准为：（1）速滑专业训练持续3年以上；（2）近6 个月下肢未发生过严重运动损伤；（3）下肢肌力正常（5 级）；（4）踝关节跖屈、背屈正常（-15°～+42°）；（5）膝关节无膝超伸和膝过屈；（6）鞋号为法码43#，两双鞋的鞋身相同，对比鞋采用普通克莱普冰刀，改进鞋采用改进型克莱普冰刀。对比鞋刀桥为常规结构，改进鞋安装了带弹簧组装件的刀桥其后跟高度比对比鞋增加了3 cm（图1）。

图1 刀桥结构不同的对比鞋与改进鞋

2.2 测试设备和测试场地

设备为YW-wireless16 通道便携式无线表面肌电测试仪。

跑道长度400 m，半圆形半径为36.5 m，直道长度84.39 m；热身赛道宽度4 m。

2.3 测试程序

（1）首先对受试者进行下肢各关键关节的活动度进行评估，对足型特征部位的翻角度进行测量（表1、图2）。

表1 受试者下肢关节活动度及足型翻角度测试表Tab.1 Test of lower limb joint range of motion and foot shape

图2 受试者下肢关节活动度及足型翻角度测量

（2）将表面肌电采集器（电极）固定到运动员的下肢被测试肌肉位置处。

受试者穿着统一的比赛专业服，电极放置时先用医用酒精将皮肤消毒，如果有死皮角质需要将其清除，如果是多毛皮肤需要将毛发剔除干净。

为确定电极被放置的准确位置，此过程中，受试者要不断进行相关屈伸动作。

肌电采集器分别贴在股直肌（左腿CH00、右腿CH01）、胫骨前肌（左腿CH02、右腿CH03）、股二头肌（左腿CH04、右腿CH05）、腓肠肌内侧头（左腿CH06、右腿CH07）（图3）。左右腿各4 个电极，双腿一共8 个电极。

图3 电极放置位置

为了防止电极在运动中移位和脱落，需要用医用外敷贴进行二次覆盖加固（图4）。电极放置后运动员肌肉应当无压迫或松弛感，外敷贴对皮肤无牵拉感。

图4 电极在皮肤上的固定

（3）将数据采集盒使用专用带固定在受试者背后，以对受试者胸部不造成压迫感和呼吸顺畅为准（图5）。

图5 数据采集盒的固定

（4）设备安装完成后让受试者在场地上自由滑行一圈进行适应，并测试肌电信号是否通顺、稳定、完整。

（5）正式测试。

先让受试者穿着普通刀桥结构的克莱普冰刀鞋进行5000 m 测试。然后休息1 h，等运动员疲劳度完全消失后穿着改进刀桥结构的克莱普冰刀鞋进行第二次测试。运动员休息期间不能暴饮暴食，可适当饮水。测试时，数据采集人员在起滑开始前30 s 向教练员发出预备指令，并启动设备系统进行数据采集。结束时，运动员在终点前方100 m 处减速并掉头缓速停止。

3 数据处理与分析方法

采用美国加州RLA 分类法[3]，将步态周期的时相分为摆动期和支撑期两个阶段，支撑期在滑冰运动中称为蹬冰期，它又分为触冰、承重、蹬冰三个阶段。将5 名运动员的肌电图及其数据进行叠加平均处理，取其平均值。将测试结果数据导入EXCELL表格，应用SPSS20.0 软件对EXCELL 统计数据进行分析。各项数据之间的平均值采用（x均±s）表示，组间独立样本采用t 检验，显著性水平差异为（P＜0.05）。RMS(均方根)肌电数据需要进行全波段整流处理，以保证数据的可靠性。

4 结果分析

4.1 步态周期用时

从表2 看出：

表2 大道速滑步态周期用时比例Tab.2 Gait cycle time ratio during highway speed skating

（1）对比鞋左腿的总用时（06∶53∶01）大于右腿（06∶48∶12），改进鞋左腿总用时（06∶39∶05）也是大于右腿（06∶37∶03），改进鞋左右腿总用时均小于对比鞋。

（2）对比鞋摆动期左腿用时（41%）小于右腿用时（42%），蹬冰期左腿用时（59%）大于右腿用时（58%）；改进鞋摆动期左腿用时（37%）小于右腿用时（38%），蹬冰期左腿用时（63%）大于右腿用时（62%）。对比鞋和改进鞋分别在摆动期、蹬冰期出现了相同的规律。

（3）同一步态周期比较，对比鞋摆动期左、右腿的用时（41%、42%）均大于改进鞋的（37%、38%），蹬冰期左、右腿的用时（59%、58%）均小于改进鞋的（63%、62%）。改进鞋的蹬冰期用时增加。

4.2 单位时间内肌肉IMEG

从表3 看出：

表3 大道速滑单位时间肌肉IEMG 对比表Tab.3 Unit time muscle IEMG comparison during highway speed skating

（1）改进鞋的双腿胫骨前肌的IEMG 放电、腓肠肌内侧头的IEMG 放电情况都与对比鞋具有显著性的差异。

（2）对比鞋左腿IEMG 的最大放电数值出现在胫骨前肌（52.295），最小值出现在股直肌（5.555）；对比鞋右腿的IEMG 的最大放电数值出现在胫骨前肌（640.235），最小值也是出现在股直肌（21.505）。

（3）改进鞋左腿IEMG 的最大放电数值与对比鞋类似，也是出现在胫骨前肌（84.275），最小值出现在腓肠肌内侧头（10.475）；改进鞋右腿IEMG 的最大放电数值出现在腓肠肌内侧头（251.555），最小值出现在股二头肌（15.395）。

4.3 振幅曲线

从图6 看出：

图6 大道速滑肌肉RMS 振幅曲线对比图

（1）整体来看，对比鞋与改进鞋的RMS 曲线有明显差异。对比鞋的RMS 曲线振幅较大；改进鞋RMS 曲线振幅相对较小，整体呈现一种平滑趋势。

（2）振幅变化最为显著的是对比鞋的腓肠肌内侧头（左腿CH06、右腿CH07），它与改进鞋的振幅有显著差异。并且左腿振幅大于右腿，但是左腿频率不如右腿。

（3）振幅对比较为明显的是对比鞋的胫骨前肌（左腿CH02、右腿CH03）。它与改进鞋也有较大差异。

（4）股直肌（左腿CH00、右腿CH01）在两双鞋的对比中曲线振幅数值差异最小。

4.4 肌肉贡献率

从图7 和表4 得出所有肌肉发力（即做功）的大小等级排列如下：

图7 肌电贡献率图像

表4 大道速滑肌肉贡献率排序表Tab.4 Ranking of muscle contribution rate during highway speed skating

（1）对比鞋左腿：胫骨前肌（52.295）＞股二头肌（23.965）＞腓肠肌内侧头（17.855）＞股直肌（5.555）；测试鞋右腿：胫骨前肌（640.235）＞股二头肌（48.565）＞腓肠肌内侧头（36.265）＞股直肌（21.505）；虽然右腿与左腿的肌肉发力大小的规律相同，但是右腿总体做功普遍大于左腿。

（2）改进鞋左腿：胫骨前肌（84.275）＞股直肌（69.515）＞股二头肌（39.995）＞腓肠肌内侧头（10.475）；对比鞋右腿：腓肠肌内侧头（251.555）＞胫骨前肌（142.045）＞股直肌（80.545）＞股二头肌（15.395）；右腿出现了与左腿肌肉发力大小不同的排列规律；同对比鞋，改进鞋的右腿各肌肉做功普遍大于左腿。

5 结果讨论

从表面肌电测试结果来看，对比鞋与改进鞋在步态周期、单位时间放电量、振幅曲线和肌肉贡献率四个方面均存在显著差异。这说明冰刀刀桥结构设计对于大道速滑运动员的能量回归具有重要影响。

（1）从步态周期测试结果来看，改进鞋左右腿总用时均小于对比鞋，这说明刀桥结构改进后的克莱普冰刀鞋其整体速度得到了提升。根据能量守恒公式：P=mv，（动量=质量×速度），当运动员身体重量不变的情况下，其速度增加动量也随之增加。由冲量与动量转化公式Ft=mvt-mv0可知，当时间t越少，所用力量F 也就越小，肌肉力量越小所消耗能量越低。所以，刀桥结构改进后的克莱普冰刀鞋降低了运动员的能量损失。

对比鞋和改进鞋左腿的总用时都大于右腿，说明运动员的左腿为持重腿（也称发力腿），其发力时间较久，这与步态蹬冰期左腿用时大于右腿相一致。

从摆动期和蹬冰期横向对比结果来看，改进鞋蹬冰期左右腿用时均大于对比鞋，这说明在蹬冰期（接触冰面）人体能量得到增强，摆动期（足部悬空）能量消耗减少。

（2）单位放电量IEMG 这一指标反映的是一定时间内肌肉中参与活动的运动单位的放电总量，它主要用于分析肌肉在单位时间内的收缩特性[4-5]，它是反映肌肉做功的最直接指标之一。

通过对比鞋IEMG 值可以看出，其左右腿最大值都出现在胫骨前肌，这说明对比鞋能量消耗最大的肌肉是胫骨前肌。胫骨前肌是踝踝关节跖屈的重要肌肉，它在足部蹬冰期发挥着主要作用[6]。这一结果符合速滑运动的人体生物力学原理。

但是，通过分析对比鞋的IEMG 值发现，改进鞋右腿的IEMG 最大值出现在了腓肠肌内侧头，这说明改进刀桥结构对运动员的发力肌肉部位产生了改变。这与刀桥后端弹簧高度增加有直接关系。随着弹簧高度的增加，踝关节跖屈角度增大，运动员身体重心前倾，腿部蹬冰期发力跖屈运动省略，发力肌肉由原来的胫骨前肌变为了腓肠肌。

此外，在腓肠肌内外侧头的力矩对比中，因为腓肠肌外侧头较内侧头粗大，其承担着更多的放电任务[7-8]，其IEMG 值的可信度较好。这也是下肢表面肌电试验通常选取内侧头的一个主要因素。

另外，虽然改进鞋左腿IEMG 最大值也出现在了胫骨前肌，但是其数值（84.275）远低于右腿腓肠肌内侧头（251.555），这与其左腿作为持重腿的习惯发力有关。从改进鞋右腿腓肠肌内侧头IEMG 数值（251.555）来看，其数值远低于对比鞋右腿胫骨前肌数值（640.235），这说明改进后的刀桥结构能量消耗低于普通克莱普冰刀鞋的。

（3）从RMS 振幅曲线来看，对比鞋与改进鞋差异较大。RMS 振幅曲线是一个判断肌肉活动时程、肌电活动强度的重要指标[9-11]。它是下肢表面肌电测试的一个有力工具。如果RMS 曲线振幅越大，说明该肌肉做功越强[12-13]。同时，能量消耗也越高。

测试结果显示改进鞋RMS 曲线振幅整体上明显小于测试鞋，这说明改进刀桥结构后的对比鞋能量消耗低于测试鞋，其中腓肠肌内侧头是变化最大的一个变量（左腿CH06、右腿CH07）。这说明刀桥的后跟高度对胫骨前肌做功具有减弱作用。这一结果也与IEMG 测试结果相吻合。

在该曲线图像中股直肌（左腿CH00、右腿CH01）的曲线绝对数值差异波动较小，这说明两双鞋的刀桥结构差异对该肌肉放电影响不大。这与该肌肉距离足踝较远，位置偏高有一定的关系。

（4）从肌肉贡献率测试结果来看，改进鞋的肌肉做功大小次序与对比鞋有所不同。对比鞋的胫骨前肌做功排在第一位，而改进鞋的腓肠肌内侧头排在第一位。这一结果与IEMG 测试结果一致。说明了改进后的刀桥结构降低了胫骨前肌的能量损失。

根据左、右腿肌电数值可以看出，对比鞋和改进鞋的移动腿做功均大于持重腿。这说明，刀桥结构改进对于移动腿的能量回归改善作用更强。

肌肉贡献率还可以判断人体冠状面肌肉链的整体做功分布[14-15]。从测试结果来看，大道速滑运动时的主要做功肌肉集中于膝关节以下的小腿区域。其中以胫骨前肌和其拮抗肌腓肠肌为主。而膝关节以上的股直肌和股二头肌（互为拮抗肌）做功居于次要位置。