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功率自行车不同踏蹬形式运动中下肢肌疲劳s e m g 的变化特征中文摘要 中文摘要 目的： 通过对表面肌电图相关指标变化的分析和研究，探讨功率自行车不同负荷与 踏蹬频率运动中下肢肌表面肌电图的变化特征。通过对i e m g 、m f 进行曲线优度 拟合，以获得曲线拟合方程通式，分析肌肉疲劳拟合曲线的特点及其影响肌肉疲 劳的主要因素。 方法： i 受试者为苏州大学体育学院8 名男性青年，利用m o n a r k 功率自行车，对受试 者在不同负荷以及不同踏蹬频率下进行测试至疲劳，同时对股直肌、股外侧肌、 股内侧肌、胫骨前肌、腓肠肌内侧头和腓肠肌外侧头进行表面肌电信号的采集与 记录。分析i e m g 与m f 指标的变化，并用m i n i t a b 1 5 统计软件，按照在f 检验的统 计学差异极为显著( p 0 0 0 1 ) 的前提下，选取判定系数r 2 最大，偏差的平方和最 小的原则，对实验结果进行曲线优度拟合。 结果： 1 功率自行车1 5 0 w 不同踏蹬频率运动中，下肢肌i e m g 值随运动时间的延长 而增加；3 0 0 w - 4 0 r 与3 0 0 w - 6 0 r 功率自行车运动中，下肢肌i e m g 值随运动时间的 延长呈现出先上升后下降的趋势；3 0 0 w - 8 0 r 功率自行车运动中，下肢肌i e m g 值 随运动时间的延长而下降；递增负荷运动中，下肢肌i e m g 值伴随运动时间的延 长而增加。 2 功率自行车1 5 0 w 不同踏蹬频率运动中，下肢肌m f 值随运动时间的延长呈 现出先上升后下降的变化趋势；3 0 0 w 不同踏蹬频率运动中，下肢肌m f 值随运动 时间的延长而下降；递增负荷运动中，下肢肌m f 值随运动时间的延长呈现出先 上升后下降的变化趋势。 3 功率自行车1 5 0 w 不同踏蹬频率运动中，各组间i e m g 和m f 值比较具有 显著性、非常显著性差异( p 0 0 5 或p 0 0 5 ) 。 。 中文摘要功率自行车不同踏蹬形式运动中下肢肌疲劳s e m g 的变化特征 4 功率自行车1 5 0 w 运动中，i e m g 与m f 指标的最优拟合曲线均为三次项曲线， 曲线拟合方程通式为：y = b o + b l x + b 2 x 2 + b 3 x 3 。功率自行车3 0 0 w 运动 i e m g 与 m f 指标的最优拟合曲线均为二次项曲线，衄线拟合方程通式为：y = b o + b l x + b 2 x 2 。 结论： 1 功率自行车1 5 0 w 运动中，运动单位被动员的数量随运动时间的延长而增多； 肌纤维的募集形式由运动初始快肌纤维募集数量逐渐增多向慢肌纤维募集比例增 高转变；运动单位动员数量及快肌纤维的募集比例随着踏蹬速度的增加而增加。 2 功率自行车3 0 0 w 运动中，运动单位被动员的数量随运动时间的延长呈先多 后少或直接减少的变化趋势；肌纤维的募集形式从运动初期的快肌纤维募集为主 逐渐向慢肌纤维募集比例增高转变；运动单位动员数量及肌纤维的募集形式随着 踏蹬速度的增加无显著性变化。 3 功率自行车递增负荷运动中，运动单位被动员的数量随运动时间的延长不 断增多，肌纤维的募集形式也由运动初始快肌纤维募集数量逐渐增多向慢肌纤维 募集比例增高转变。 4 功率自行车1 5 0 w 运动中，肌肉疲劳的拟合曲线均为三次项曲线，提示影响 肌肉疲劳的主要因素有三个；3 0 0 w 运动中，肌肉疲劳的拟合曲线均为二次项曲线， 提示影响肌肉疲劳的主要因素有二个。 关键词：功率自行车；踏蹬形式；表面肌电图；肌肉疲劳；曲线拟合 l l 作者：马国际 指导老师：吴明方( 教授) s e m g s i g n a lc h a n g e so nl o w e rl i m bm u s c u l u s f a t i g u ed u r i n gc y c l i n ge x e r c i s ep r o c e s s a b s t r a c t o b i e c t i v e ： t oa n a l y s i sa n dr e s e a r c ht h ec h a n g e so ft h er e l e v a n ti n d i c a t o r so fs u r f a c ee m g , t o e x p l o r e t h ec h a n g e so ft h er u l e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n t l o a da n d d i f f e r e n tf i e q u e n c i e s p o w e ro fb i c y c l e s i n t h el o w e rl i m bm u s c l em o v e m e n t s ； b yg o o d n e s sv a l u ec a lv ef i t t i n go fi e m c m f , o b t a i nt h eg e n e r a lf o r m u l a , t oe 7 p l o r et h e n a t u r eo ft h ef a t i g u ec u r v e f i t t i n g ，a n dt h e na n a l y z e st h em a i nf a c t o r sa f f e c tt h ef a t i g u e m e t h o d s ： 1 t h es u b j e c t si s8y o u n gm e nc o m ef r o ms u z h o uu n i v e r s i t yp ec o l l e g e ，a l l s u b je c t sd os p o r t sb yd i f f e r e n tf r e q u e n c i e sp o w e ro fi nt h em o n a r k p o w e rb i k e ，e v e r y m i n u t ei n c r e m e n t s2 0 w ：t om a i n t a i ns p e e d6 0 r m i n e v e r ye x e r c i s ep r o g r a me n d e dw h e n t h es u b j e c t sa r eu n a b l et om a i n t a i nt h ep r o v i s i o n ss p e e da n dg e tf a t i g u e u s i n gs u r f a c e e l e c t r o m y o g r a p h yt e c h n o l o g y , r e a l - t i m em o n i t o r i n ga n dr e c o r d i n gt h ew h o l es u r f a c eo f l o w e rl i m bm u s c l ee m g b yi e m ga n dm fc h a n g e s w i t hm i n i t a b 15s t a t i s t i c a ls o f t w a r e ， a c c o r d i n gt ot h eft e s ti se x t r e m e l ys i g n i f i c a n ts t a t i s t i c a ld i f f e r e n c e ( p 0 0 01 ) u n d e r t h ep r e m i s eo fs e l e c t i n gt h el a r g e s tc o e f f i c i e n to fd e t e r m i n a t i o nr 2 ，t h es q u a r ea n dt h e s m a l l e s td e v i a t i o np r i n c i p l e ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ec u r v ef i t r e s u l t s ： 1 15 0 wo fp o w e rb i c y c l e ，d i f f e r e n tp e d a l i n gf r e q u e n c yo fm o v e m e n t ，t h ei e m g i n c r e a s e dw i t ht h ee x e r c i s et i m e ；3 0 0 w - 4 0 ra n d3 0 0 w - 6 0 rp o w e rc y c l i n g ，t h el o w e r l i m b m u s c l ei e m gf i r s tr i s e t h e na n dt h e nd e c r e a s e d ；30 0 w - 8 0 rp o w e rc y c l i n g ，t h el o w e r 1 i m b m u s c l ei e m gd e c r e a s e dw i t he x e r c i s et i m e ；i n c r e m e n t a le x e r c i s e t h el o w e rl i m b m u s c l ei e m gi n c r e a s e dw i t he x e r c i s et i m e 2 15 0 wo fp o w e rb i c y c l e ，d i f f e r e n tp e d a l i n gf r e q u e n c yo fm o v e m e n t ，t h em f i n c r e a s e dw i t ht h em o v e m e n tt i m ea n dt h e nd e c r e a s e dt r e n d ；3 0 0 wo fd i f f e r e n tp e d a l i n g f r e q u e n c yo fm o v e m e n t ，t h em fd e c r e a s e dw i t ht h em o v e m e n tt i m e ；i n c r e m e n t a l i l l a b s t r a c t s e m gs i g n a lc h a n g e so nl o w e ri i m bm u s c n l u sf a t i g u ed u r i n gc y c l i n ge x e r c i s ep r o c e s s e x e r c i s e ，t h em fs h o w i n gat r e n do fi n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s e dw i t ht h et i m e 3 t h e r ea r es i g n i f i c a n to rv e r ys i g n i f i c a n td i f f e r e n c e ( p 0 0 5o rp 0 0 5 ) 4 15 0 wo fp o w e rc y c l i n gm o v e m e n t i e m ga n dm fi n d i c a t o r sa l et h eb e s tt h r e e f i t t i n gc u r v e ，t h ec u r v ef i t t i n ge q u a t i o n ：y = b 0 + b lx + b 2 x 2 + b 3 x 3 n ei e m ga n dm fo f b i c y c l e3 0 0 wm o v e m e n ti n d i c a t o r sf i t t i n ge q u a t i o n ：y = b 0 + b l x + b ：x z c o n c l u s i o n ： 1 15 0 wo fb i c y c l ep o w e rm o v e m e n t ，t h en u m b e ro fm u s c l ef i b e r sa r ei n c r e a s e d w i t he x e r c i s et i m e 2 3 0 0 wo fp o w e rc y c l i n gm o v e m e n t ，t h en u m b e ro fm u s c l ef i b e r sa r ef i r s t i n c r e a s e da n dt h e nr e d u c t i o nw i t he x e r c i s et i m e 3 i n c r e m e n t a lc y c l ee x e r c i s e ，t h en u m b e ro fm u s c l ef i b e r sa r ei n c r e a s i n g 诮t l lt h e e x e r c i s et i m e 4 15 0 wo fp o w e rc y c l i n ge x e r c i s e ，m u s c l ef a t i g u ec u r v ef i t t i n gc u r v ea l et h r e ei t e m s ， i n d i c a t i n gt h a tt h e r ea l et h r e em a i nf a c t o r so fm u s c l ef a t i g u e ，a n d3 0 0 wm o v e m e n t ， m u s c l ef a t i g u ea l et h eq u a d r a t i cc u r v ef i t t i n gc u r v e ，s u g g e s t i n gt h a tt h em u s c l ef a t i g u e a r et w om a i nf a c t o r s k e yw o r d s ：l o w e rl i m bm u s c l e ；s u r f a c ee l e c t r o m y o g r a p h y ；m u s c l ef a t i g u e ；c u r v ef i t t i n g w r i t t e n b y ：g u o j im a s u p e r v i s e db y ：m i n g f a n gw u 功率自行车不同踏蹬形式运动中下肢肌疲劳$ e m g 的变化特征1 引言 1 1 选题依据与意义 1 引言 表面肌电图( s e m g ) 信号是从皮肤表面通过电极引导、记录下来的神经肌肉 系统活动时的生物电信号。它与肌肉的活动状态和功能状态之间存在着不同程度 的关联性。因而能在一定程度上反应神经肌肉的活动。 目前，运动科学领域中s e m g 信号分析主要集中在时、频分析两个领域，主 要指标有积分肌电值( i e m g ) 和中值频率( m f ) 。i e m g ：是指肌电信号经整流滤 波后求单位时间内曲线下面积的总和，反应了一定时间内参与活动的运动单位放 电总量，及肌电信号随时间发生的强弱变化。m f ：是指骨骼肌收缩过程中肌纤维放 电频率的中间值。 肌电信号发源于作为中枢神经一部分的脊髓中的运动神经元，是电极所接触到 的许多运动单位发放的动作电位的总和。表面肌电信号在形态上具有很强的随机 性，在信号分析过程中通常将其视为平稳或准平稳随机信号。电生理研究表明，每一 运动神经元都具有本身的发放阈值和募集等级，在肌肉关节和脊髓细胞之间存在本 体感觉纤维即存在反馈通道，因此运动神经系统本质上是一个高度非线性的动力学 系统。近年来，随着人们对神经肌肉系统非线性本质的深入研究和生物信号分析理 论的进步，将非线性数学分析手段应用于s e m g 的分析，提取出与肌肉功能状态间具 有更好关联性的信号特征，已成为s e m g 研究领域的发展趋势。曲线拟合分析方法以 表面肌电信号具有非线性信号特征为基础，分析肌肉疲劳过程中生物电信号的变 化特征，能准确反应疲劳过程中肌肉的活动状态和功能状态，进一步分析影响疲 劳的主要因素，是目前国内外表面肌电图基础和应用研究的新趋向。 从国内外的研究现状来看，对尝试应用曲线拟合分析方法对表面肌电图进行 分析和研究国内外尚处于起步阶段，将其应用于功率自行车不同踏蹬形式运动至 疲劳的研究鲜见报道。鉴此，本实验深入研究功率自行车不同负荷与踏蹬频率运 动中下肢肌表面肌电图的变化特征，并对i e m g 、m f 进行曲线优度拟合，以获得 曲线拟合方程通式，分析肌肉疲劳拟合曲线的特点及其影响肌肉疲劳的主要因素。 i 引言功率自行车不同踏蹬形式运动中下肢肌疲劳s e m g 的变化特征 1 2 文献综述 1 2 1 肌电介绍 1 2 1 1 表面肌电概要 表面肌电图( s u r f a c ee l e c t r o m y o g r a p h y ，s e m g ) 技术是通过肌电图仪采集肌 肉表面电信号并加以分析的方法，表面肌电信号是从皮肤表面通过电极引导记录 下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号，他与肌肉的活动状态和功能之间存在 着不同程度的关联性，因而能在一定程度上反映神经肌肉的活动。 肌电信号记录常用的有针电极、线电极和表面电极。表面电极和针电极均由 各种不同的金属及合金制成，包括不锈钢、银氧化银、镍铬等材料。实验室测试 对象一般为正常人体，运动中要求肌肉收缩，由于表面电极是无创伤的，因此成 为首选。肌电图测量一般要用三个电极，两个电极放在动作电位可以被测量和放 大的部位，第三个电极为接地电极，安放电极前，应该刮掉测量部位的体毛，并 用细砂和无水乙醇清洁皮肤，使用导电膏，以减少皮肤电阻对肌电信号的影响。 大多数学者认为，表面电极的位置应尽量靠近肌腹中心，便于从菱形肌获得最大 的肌电信号。c a r b e e r y t l 】认为，将电极贴在肌肉收缩的几何中心，电极方向顺着肌 纤维的纵轴方向，这样所测得的肌电信号最为可靠，且两电极相聚2 3 厘米，地线 接在靠近电极而运动时相对稳定的地方，这样所采集的肌电信号最为稳定。 表面电极不能记录单根肌纤维的肌电活动，也不能反映深部肌肉的肌电活动， 他只能记录电极下或其周围肌肉的电活动，他是所测肌肉群肌电反映的总和，可 以综合反映该部分肌肉的活动程度。表面肌电图采集的是一维时间序列信号。它 是表面引导电极触及的多个运到单位时所产生的电极变化在时间和空间的叠加。 从生理角度看与肌肉的纤维组成解剖结构以及不同机能状态和活动状态下的参加 活动的运动单位数量，不同运动单位的放电频率，运动单位活动的同步化程度， 运动单位募集模式等均有关。同时皮下脂肪厚度、体温变化也会影响检测结果。 脂肪组织对检测结果的影响在肌肉放松时较肌肉运动时大，但是不影响双侧的对 称性【2 1 ，肌电信号可以由随意收缩和电诱发引出，随意收缩肌电信号是许多运动单 位动作电位的总和。一系列运动单位动作电位是不同步的，形成的总和肌电信号 是不规则的。电诱发时，由于外界刺激，运动单位动作电位同步产生了一个确切 的诱发反映，即m 波。这种记录方法可以帮助我们确认最表面运动单位，较随意 收缩产生的肌肉疲劳更迅速，获得的肌电信号变动小，更加稳定【3 1 。 2 功率自行车不同踏蹬形式运动中下肢肌疲劳s e m g 的变化特征l 引言 1 2 1 2 表面肌电信号的测量指标 表面肌电信号是将神经肌肉系统活动时的生物电变化在皮肤表面加以引导、 放大、显示和记录所获得的一维时间序列信号，早期的肌电图仅根据波形有无、 形状是否规则、波形密集程度等做粗略的分析，如用计算器计算面积，肉眼数出 多少束波，计算频率等等。近年来随着计算机的迅速发展，使肌电图的定量分析 成为可能。表面肌电信号分析包括时域分析和频域分析。其检测具有非损伤性、 实时性、多靶点测量等优点。表面肌电信号分析是应用信号分析的理论和方法描 述和发现表面肌电信号变化规律和特点的手段和方法1 4 1 。时域分析能够为我们提供 肌纤维的放电时间、放电总量、放电频率、放电振幅等，特别是在运动技术动作 分析上有它的独特之处【5 】，而频域分析可为我们分析提供以下信息：不同类型肌纤 维的动员情况，神经肌肉的供能状态，某种频率放电的集中趋势，在实际应用中， 应同时使用时域和频域分析。 ( 1 ) 时间域分析 时间域是指可以在在时间维度上反应肌电曲线的变化特征的评价指标，是从 电位偏离基线到恢复至基线的一个时间过程。主要指标有积分肌电( i e m g ) ，平 均振幅( m a ) ，均方根振幅( i 洲s ) ，时程( d u r ) 等。 积分肌电( i e m g ) ：i e m g 是指所得肌电信号经整流滤波后求单位时间内曲 线下面积的总和，反应一定时间内参与活动的运动单位放电总量，即在时间不变 的前提下，其值的大小在一定程度上反映参加工作的运动单位数量多少和每个运 动单位的放电大小。 均方根振幅( 1 洲s ) ：是放电有效值，其大小决定肌电幅值的变化，一般认 为与运动单位募集和兴奋节律有判6 1 。 平均振幅( m a ) ：反映肌电信号的强度与参与的运动单位数目及放电频率 同变化程度有关。 ( 2 ) 频率域分析 频率域分析是指在频率方面评价肌电信号的指标分析，主要分析方法是将时 域信号通过快速傅立叶转换( f f t ) ，获得表面积电信号的频谱或功率谱，它们可 反映表面肌电信号在不同频率分量的变化，故能较好地在频率维度上反映表面积 电信号的变化特征【钔。 与时域指标对比，频域指标有以下优势：在肌肉疲劳过程中均呈明显的直 1 引言功率自行车不同踏蹬形式运动中下肢肌疲劳s e m g 的变化特征 线递减型变化，而时域指标的变化则有较大的差异；频域指标时间序列曲线的 斜率不受皮下脂肪厚度和肢体维度的影响，而时域指标则易受影响。频域指标 时间序列曲线的斜率与负荷持续时间明显相关，而时域指标的相关不明显【7 1 。频域 分析主要指标有平均功率频率( m p f ) 、中值频率( m f ) 、时间m p f 曲线的斜率 ( m p f s l o p e ) 和时间m f 曲线斜率( m f s l o p e ) 等。 平均功率频率( m p f ) ：是指过功率谱曲线重心的频率。一般认为m p f 在 反映较低负荷收缩时的灵敏度较蒯引。 中值频率( m f ) ：是指骨骼肌收缩过程中肌纤维放电频率的中间值。m f 在 抗噪声干扰方面具有优势，并且刻画频谱特征变化要优于m p f ，但敏感性却低于 m p f 。 m p f s l o p e 和m f s l o p e 表示时间与m p f 与m f 曲线的斜率，代表运动过程 中m p f 或m f 的相对变化。在肌肉的运动过程中，肌肉疲劳、频谱左移，表现为 m p f 值下降，所以m p f s l o p e 作为评价肌肉疲劳的指标【9 - i ，由于缺乏统一的评价 标准，评价缺乏客观性。另外有人发现，这两种斜率之间m p f 随负荷时间延长的 下降幅度明显大于m f t l 2 j 1 2 1 3 表面肌电信号在体育科研方面的应用 上世纪5 0 年代在体育科研领域开始应用，但因操作和分析等方面的难度一直 应用较少。9 0 年代后随着信号分析技术和计算机的结合在此领域日益广泛，肌电 图的操作也大大简化，这有力地推动了其在体育领域的应用，目前表面肌电技术 在运动选材、运动生物力学分析、运动训练监控与评价、运动损伤及运动心理学 等领域都有广阔的研究前景。 随着国内对运动医学科学化、现代化的重视，肌电作为一种检测肌肉电活动 的手段在运动医学领域内有相当广阔的应用前景。肌电技术在以下几个方面还有 待于进一步探索：( 1 ) 运动选材中的应用。在运动员选材时，对象一般都是少年， 如果将肌电用于这一年龄组并研究其特点，可能对运动选材提供帮助。( 2 ) 运动 状态实时监测中的应用。肌电活动能反映肌肉用力的方式，也许可以作为技巧性 较高的运动项目如羽毛球、跳高等纠正错误动作的监测方法之一。实时的录像与 肌电信号同步则更能有效地起到纠正动作的作用【乃1 。( 3 ) 肌肉损伤康复方面的应 用。由于肌电活动与肌肉的形态、质量有一定的关系。如果可以同时结合肌肉成 像技术，即对肌肉形态的改变就更能从电活动与形态学的角度进行一个对比研究。 4 功率自行车不同踏蹬形式运动中下肢肌疲劳s e m g 的变化特征 1 引言 1 2 2 表面肌电信号非线 生动力学分析一曲线拟合分析 在体育科学研究中，我们时常需要从一组测定的数据去求函数) ，= f ( x ) 的表 达式。多项式插值虽然在一定程度上解决了由函数表求函数的近似表达式问题， 但用它来解决曲线拟合问题，是有明显缺陷的：首先，由实验提供的数据通常带 有测试误差，如果要求近似曲线严格地通过所给的每个数据点，就会使曲线保留 着原有的测试误差，当个别数据的误差较大时，插值效果显然是不理想的；其次， 由实验提供的数据往往较多，用插值法得到的近似表达式，明显地缺乏实用价值。 鉴于这种情况，我们考虑放弃严格通过所有数据点这一要求，而采用别的方 法去构造近似曲线，以尽可能反映所给数据的趋势。下面介绍一种常用的曲线拟 合方法，即最小二乘法。拟合问题的最小二乘法，不要求拟合曲线通过所有结点， 而只要求近似函数在结点x i 上的偏差的平方和达到最小值。按照这个要求去确定 拟合曲线比插值法更能反映客观实际。这是因为插值法所确定的多项式曲线，必 须通过所有结点，就会使曲线保留着一切测量误差，这是我们所不希望的。因此 我们采用最小二乘法求曲线拟合，就可避免这些缺陷。拟合曲线反映了实验数据 的总的趋势。 表面肌电信号是神经肌肉电生理活动在皮肤表面的反应，具有典型的非线性 特征。非线性动力学研究的基本原理是，由少数变量的单一时间序列提取整个系 统的动力学特征，以构建肌肉机械活动与生物电变化之间的力电关系模型。目前， 对非线性动力学的研究主要从以下两方面展开： ( 1 ) 人工神经网络是目前受到广泛关注的信号处理方法，它模仿生物神经元 结构和神经信息传递机理，由许多具有非线性映射能力的神经元构成，神经元之 间通过权系数相连接构成自适应非线性动力系统，具有并行计算、分布式存储、 自适应学习等特点。人工神经网络的自组织、自适应学习以及优秀的容错性能使 其在系统辨识和模式识别方面得到广泛应用。 ( 2 ) 近年来利用数学、物理界的分形理论和混沌理论，对肌电信号进行定量 分析研究。利用分形理论对肌电信号进行分析的主要指标为分形维数。利用混沌 理论对肌电信号进行定量分析的主要指标为内嵌维数【l4 1 。混沌过程是具有确切性 机制的类随机过程，它具有非周期性、非随机性、非线性和对初始条件敏感等特 点，可以通过李雅诺夫指数、相平面图和功率谱等特征参数表示。 l 引言 功率白行车不同踏蹬形式运动中下肢肌疲劳s e m g 的变化特征 1 2 3 运动性疲劳的表面肌电图 1 2 3 1 运动性疲劳 ( 1 ) 概念 1 9 8 2 年第五届国际运动生物化学会议指出，疲劳是机体生理过程不能持续其 机能在某一特定水平上工作，或不能维持预定的运动强度。这一疲劳概念的特点 是：把疲劳时体内组织和器官的机能水平与运动能力结合起来评定疲劳的发生 程度。有助于选择客观指标评定疲劳，如心率、血乳酸、最大摄氧量和输出功 率在某一特定水平工作时，单一指标或各指标的同时改变都可用来判断疲劳。换 句话说，运动性疲劳就是指在运动过程中出现了机体运动能力暂时性降低，但经 过适当的休息和调整以后，可以恢复原有机能水平的一种生理现象。运动员运动 水平的提高就是一个疲劳一恢复一再疲劳一再恢复的良性过程【1 5 】。 ( 2 ) 产生机制 保护性抑制学说 无论是体力的还是脑力的疲劳，都是大脑皮质保护性抑制发展的结果。由于 大脑细胞长期兴奋就会导致消耗增多，当消耗到一定程度时，便产生了保护性抑制。 能量耗竭学说 能量耗竭学说认为运动性疲劳产生的原因是由于体内能源物质大量消耗所 致。能量的直接来源为a t p ，其在体内贮存量很少，需要不断的靠糖、脂肪、蛋 白质的代谢来补充。肌肉开始运动时，首先利用糖来供能，当体内糖被消耗了， 导致血糖含量下降，这时，脂肪就会成为能源而被大量利用。当体内的能源物质 被大量消耗，在供能上失去平衡，不能及时补偿，从而导致运动性疲劳的产生。 代谢产物堆积学说 代谢产物堆积学说认为产生运动性疲劳主要是某些代谢产物在肌组织中大量 堆积所致。运动时大量代谢产物，如乳酸在人体中大量堆积导致疲劳，还有尿酸、 尿素、肌酐、肌酸等这些物质在体内大量堆积也容易使肌肉活动发生障碍产生疲劳。 内环境稳定性失调学说 内环境稳定性失调学说认为运动性疲劳是由于血液p h 值下降，机体严重脱水 导致血浆渗透压及电解质浓度的改变等因素引起的。 突变学说 在1 9 8 2 年创立的突变学说，即运动时细胞内能量物质的消耗，神经肌肉代谢 6 功率自行车不同踏蹬形式运动中下肢肌疲劳s e m g 的变化特征 l 引言 的激素，酶调节免疫机能，肌肉活动性和兴奋性改变，当这些因素达到一定程度 时，为保护机体免于衰竭人体就会以疲劳形式表现出来【l 6 】。 自由基学说 自由基学说认为运动时，氧自由基脂质的氧化，内分泌调节机理下降，保护 性抑制等方面综合地对运动性疲劳进行解释的。 1 2 3 2 运动性疲劳的肌电图特征 运动性疲劳的e m g 改变与以下因素有关：运动方式、运动强度、运动时间、 运动性质、肌肉选择、肌肉的收缩方式、年龄、性别、受试者的自身状况、所用 的计算方法、电极安放的位置及间距等。因此，在众多的肌电图研究中，结论并 不完全相同。 ( 1 ) 等长收缩 k i l b o m 等【1 7 】肘屈肌以2 5 m v c 等长收缩做了观察，发现初始到力竭状态， 肌电图的m a 持续升高，力竭时达到最大值。扬丹【1 2 】等以等长负荷中肱二头肌疲 劳为模型。发现时域指标i e m g 和r m s 均随时间呈直线递减型变化。说明频域指 标在反映肌肉疲劳时其效果要好于时域指标。b e n d a h a n 1 8 】以前臂屈肌在6 0 m v c 静力收缩至力竭，肌电图低频段能量不断减少，高频段能量持续增加，但是在力 竭前下降。目前，比较一致的结论是i 在静力工作状态下，由初始状态到疲劳( 或 力竭) e m g 的振幅值随疲劳程度的加深而增加，频域值功率谱向低频方向漂移【， 可能是由于肌组织内p h 升高，引起肌细胞膜电位超极化，导致k + 外流，又会对 细胞膜电位产生超极化阻滞现象，从而肌细胞兴奋性下降，肌纤维传导速度降低， 从而导致肌肉放电频率向低频带转移【2 0 】 ( 2 ) 向心收缩和离心收缩 动力性工作至疲劳肌电图的变化与静力性工作相比较为复杂，研究结果也各 异。但是从总趋势看由初始态到疲劳态( 或力竭) 肌电图的振幅值增加，频域值 功率向低频转移。王瑞元【2 1 】等以十二名男大学生为受试对象观察在极限负荷斜蹲 过程中( 可分为离心、等长和向心收缩) 股外侧肌肌电信号的变化特点，发现i e m g 在各阶段随时间增高，在等长阶段和向心收缩阶段高于离心阶段。i e m g 在等长收 缩和向心收缩阶段对股外侧肌电信号变化的特异性优于离心收缩阶段。r o y 掣2 2 1 以4 名健康受试者为对象，观察他们重复抬起( 向心收缩) 放下重物( 离心收缩) 至疲劳过程中，腰部肌肉肌电图的变化，发现中心频率变化呈非线性，在一次十 1 引言功率自行车不同踏蹬形式运动中下肢肌疲劳s e m g 的变化特征 七和放下过程中，呈现出下降恢复交替出现的几个阶段。c r e n s h a w 等【2 3 】的研究中， 受试者分别为2 5 m v c 和7 0 m v c 负荷进行伸膝锻炼，同步记录其股四头肌表 面肌电信号，发现中值频率在两种负荷下都显著下降，但是以7 0 m v c 负荷时， 下降率为高。r m s 在两种负荷下都增加，以2 5 m v c 负荷时增加率为高。但j a n s e n 等【2 4 】记录了受试者进行递增负荷踏车至1 0 0 v 0 2 m a x 过程中股外侧肌的肌电信 号，发现中值频率随时间的延长而增加。k r o o n 等1 2 5 j 通过比较5 0 和4 0 m v c 为 负荷进行等长收缩、离心收缩和向心收缩至力竭的屈肘肌肌电图的变化特征。发 现了三种性质工作的i e m g , r m s 和m p f 的改变率比其他两种工作为高( p o 0 1 ) 。 t e s c h 等【2 6 】比较了骨外恻肌和股直肌在离心收缩和相信收缩时的肌电变化，发现 i e m g 在向心收缩时高于离心收缩。 ( 3 ) 等动收缩 w r c t c i n g 等【2 7 】以9 名案牍为受试者，让其在等动仪器上做伸膝动作至疲劳， 并观察股四头肌等动收缩的肌电变化，发现：m p f 在初期下降，随后进入稳定状 态；r m s 在最初7 次收缩中增加，随后出现波动，但是总的趋势是上升的。邱龙 潜【2 8 】等观察了肱二头肌在等速运动负荷下工作至力竭时的表面肌电信号特征，发 现i e m g 和r m s 虽在疲劳过程中呈递增性变化，但是他们的时间原则曲线变化类 型缺乏较好的一致性；然而m p f 显著下降，并且时间序列曲线呈单调递增趋势， 但与m f 的变化缺乏较好的一致性。g e r d l e 2 9 】采用了等动伸膝作为运动形式，记录 了完成7 0 次最大等动伸膝过程中股四头肌肌电图的变化，发现在最初的4 0 次收 缩阶段m p f 陡然下降，而后下降率有所降低。而v 抽d i e e n 【3 0 】研究了骶棘肌等动收 缩时发现肌电频谱改变与肌肉疲劳之间没有相关性。 1 2 3 3 运动性疲劳肌电图改变的机理 肌肉疲劳发生过程中肌电图频谱左移现象，目前有如下一些推测：( 1 ) 因快 运动单位很快疲劳而募集更多的未疲劳的慢运动单位参加工作。( 2 ) 疲劳时为了 维持肌肉应达到的张力而加强运动单位兴奋的同步化。( 3 ) 肌肉收缩时血流受阻， 使肌肉乳酸积累，导致运动单位传导速度下降。( 4 ) 肌肉疲劳时肌内压升高，使 血流受阻，引起肌膜兴奋，传导速度降低等。 目前认为与中枢与外周两方面因素共同作用有关，称为中枢机制和外周机制。 ( 1 ) 中枢机制 中枢机制主要指大脑皮层运动中枢的激活水平或中枢驱动以及运动神经元的 8 功率自行车不同踏蹬形式运动中下肢肌疲劳s e m g 的变化特征l 引 言 兴奋发放频率及其同步化程度等对肌电信号变化的作用途径和方式。k e n t - b r a u 等【3 1 】分别使用s e m g 和电刺激对静态运动负荷诱发肌肉疲劳过程中，中枢和外周 因素的作用进行了定量研究。发现，当受试者完成维持4 m i n 的最大静态运动负荷 后，m v c 下降到运动初期的2 2 ，最大电刺激肌力下降到运动初期的3 3 3 ，c a r 由0 9 4 下降到0 7 8 ，m v c 强直肌力比值由2 3 4 下降到1 2 5 ，i e m g c m a p 由3 2 9 下降到o 7 4 ，这些结果证明了中枢作用机制的存在。中枢机制的作用途径和方式 目前不完全清楚，可能与运动神经元的兴奋发放频率及其同步化程度有关。 ( 2 ) 外周机制 代谢性酸中毒 l i n d s t r o m 等【3 2 】认为：代谢性酸中毒引起自肌纤维兴奋传导速度下降，动作电 位波形变化是造成表面肌电信号时频特征变化的主要原因。主要支持证据是肌肉 疲劳过程中m p f 和m f c v 的变化具有高度的数据关联，但这种关联目前尚不完全 清楚。有人不同意此观点。w l e s 等【3 3 】发现，磷酸化酶缺乏，不能产生乳酸的疾 病患者，运动至疲劳时，同样产生肌电图频谱左移现象。 钾离子 钾离子是肌细胞内的一种重要的阳离子，在维持细胞膜电位的稳定和动作电 位大小方面发挥着重要作用。大量研究发现并证实：运动性肌肉疲劳过程中，肌 肉细胞内钾离子含量减少，而细胞外液钾离子含量增加。体外实验研究表明：当 细胞内k + 从1 8 2 m m o l 降至1 3 4 m m o l ，肌细胞膜电位就从7 5 m y 降至5 7 m v ，说明 细胞外高k + 可降低动作电位幅度，减慢兴奋传导速度，从而导致表面肌电信号频 谱左移。 1 2 4 自行车运动过程中表面肌电图的研究现状 自行车运动在世界范围内普及较广，关于其研究较为悠久，自行车运动相关 研究已有数十年的历史，但不论是竞技体育方面还是全民健身方面，国外研究明 显走在国内研究前沿。自行车运动国外研究较为深入和广泛，主要集中于以下三 个方面：( 1 ) 运动学方法研究姿态、坡度和踏蹬频率改变对技术结构影响等问题； ( 2 ) 动力学主要运用配置了应变仪和压电负荷垫圈的脚踏板研究踏蹬力量特征， 以及逆动力学方法研究环节内在受力等问题；( 3 ) 运用肌电和计算机仿真技术研 究下肢神经肌肉系统工作特性，以及动力学建模等问题。目前，随人体运动神经 机制研究的不断深入，利用e m g 的研究方法日趋成熟，更多研究热点集中在踏蹬 9 l 引言功率自行车不同踏蹬形式运动中下肢肌疲劳s e m g 的变化特征 动作神经肌肉协调控制方面。 1 2 4 1 不同负荷运动过程中表面肌电图的研究 王国祥【3 4 】在不同运动负荷时肌肉氧含量与表面肌电图的变化特点研究中，发 现i e m g 值在4 0 至8 0 r m i n 之间呈现缓慢上升趋势，而1 0 0 和1 2 0 r m i n 时则快速 增加。刘兵【3 5 】在功率自行车递增负荷运动过程中股四头肌表面肌电信号的变化特 征研究中，发现随着运动负荷的逐级递增，表面肌电图呈现出振幅随之增高、i e m g 阈出现，以及积分肌电( i e m g ) 值和均方根振幅( r m s ) 值相应增加，中值频率 ( m f ) 值逐级减少的变化特征。还发现了递增负荷运动中，血乳酸浓度的变化趋 势与i e m g 值、v e 的变化相似，且v e 、v 0 2 以及血乳酸浓度均随运动负荷的递 增而增加，运动后血浆n a + 、k + 和c a + 的浓度较运动前升高。 1 2 4 2 不同踏蹬频率运动过程中表面肌电图的研究 袁鹏【3 6 】在场地自行车运动员踏蹬动作肌电研究中，发现，更高踏蹬频率下股 直肌( r f ) 活动显著提前至上提末段，r f 与臀大肌( g m ) 间拮抗机制表现为相 反改变，股二头肌( b f ) 股外侧肌( v l ) 始终保持正相关，有助于下踏阶段膝 髋间的净能量传递。就频率和e m g 关系在专业自行车运动员和非运动员间不同表 象的比较研究中发现，频率由4 5 r p m 提高至1 0 5 r p m 时，专业运动员在2 0 0 w 负荷 强度下峰值受力从5 0 0 n 下降到3 2 5 n ，在1 5 0 w 负荷强度下峰值受力从4 0 0 n 下降 至3 0 0 n 以下。非自行车运动员表现出同样变化趋势， 但峰值力矩相对偏低。n e p t u n e a s 】结果表明随踏蹬频率提高多数肌电信号一同提 前，而比目鱼肌却相对延后。腓肠肌、胭绳肌、股内侧肌活动度同时提高，臀大 肌和腓肠肌趋向于9 0 r p m 时的二次方，而胫骨前肌和股直肌与踏蹬频率无显著关系。 1 2 4 3 神经肌肉协调方面的研究 h o u t z 和f i s h e r t 3 9 】首次在自行车研究中运用肌电技术，对参与踏蹬动作的下肢 1 4 块肌肉基本功能进行分析，f a r i s 【4 0 】首次以神经肌肉协调观点研究平地坐位骑行 时肌肉活动和神经肌肉系统协调。g r e g o r 4 1 】对优秀自行车运动员的部分下肢肌肉 进行肌电图分析，并研究了骑行动作中工作肌之间的协调变化。c h r i s t i n e l 4 2 】依据仿 真模型研究最大速度骑行的踏蹬协调时认为，股内侧肌( v m ) 是整个周期内的主 要供能肌肉，占总供能的3 4 0 6 0 ，虽然g m a x 和b f 同为伸髋肌群，但由予g m 力 矩大于b f 力矩，二者分别提供了2 1 和9 。随频率提高g m 、b f 、v m 工作 区问提前和增大，是满足较高速度更高工作效率的需要，便于相同范围内增加踏 1 0 功率自行车不同踏蹬形式运动中下肢肌疲劳s e m g 的变化特征l 引言 蹬用力，进而提高总供能。n e p t u n e 4 3 1 应用p c f g ( p h a s e c o n t r o l l e dr u n e t i o n a l g r o u p s ) 方法研究时发现，胫骨前肌( t a ) 和r f 有其特有的协同方式以保证曲柄 的平滑过渡。l i 和g r a h a m t 4 4 j 对坐位和站立位不同姿态的用力协调进行比较研究， 发现在站立位时股直肌、臀大肌和比目鱼肌有更大的e m g 峰值振幅，臀大肌、股 直肌和股外侧肌较坐位有更多的活动范围，腓肠肌和股二头肌与坐位相比没有显 著区别。8 的坡度变化没有引起神经肌肉协调的显著改变，而在相同坡度时姿态 变化会提高或延长髋、膝伸肌的活动。综上所述，已有研究大多建立在对神经肌 肉协调的观点基础上进行的。 2 实验对象与方法 功率自行车不同踏蹬形式运动中下肢肌疲劳s e m g 的变化特征 2 实验对象与方法 2 1 实验对象 随机选择苏州大学体育学院8 名男性青年为本研究实验对象，年龄2 3 0 0 - a ：2 0 6 岁，身高1 7 6 4 - 0 4 3 m ，