（运动人体科学专业论文）髋关节角度变化对膝关节屈伸力量及其表面肌电信号的影响.pdf

j 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 一 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存稠汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在l 月解密后适用本规定。 非涉密论文口 。 研究生签名： 导师签名：缘 期：型堕乏坠 髋关节角度变化对膝关节屈伸力量及其表面肌电信号的影响中文摘要 中文摘要 研究目的：通过对不同髋关节角度下膝关节的屈伸过程中力与表面肌电信号 指标进行测定，以及对不同髋关节角度下膝关节屈伸的力学指标与相应双关节肌 的表面肌电信号之间的相关性进行分析，以期寻找到不同髋关节角度下膝关节的 运动规律。 研究方法：本实验应用c o n t r e x 等速肌力测试和训练系统，对1 1 名受试 者不同髋关节角度下，膝关节最大等长收缩及等速运动中进行测试，同时对股外 侧肌、股直肌、股内侧肌与股二头肌进行表面肌电信号的采集及记录，；分析不同 髋关节角度下膝关节肌力及表面肌电信号特征，以及肌力与表面肌电信号指标的 相关性。 研究结果：最大等长收缩时，不同髋关节角度下，膝关节屈肌峰力矩、屈伸 肌力矩比、屈伸肌平均功率均呈非常显著性差异；等速向心运动时，不同髋关节 角度下，膝关节屈伸肌峰力矩、屈伸肌力矩比及屈伸肌平均功率均呈显著差异； 等速离心运动时，不同髋关节角度下，膝关节伸肌峰力矩及平均功率、膝关节屈 伸肌力矩比均呈显著性差异。不同髋关节角度下，股二头肌r m s 呈显著性差异。 研究结论：最大等长收缩时，膝关节屈伸肌力量及表面肌电信号指标不仅受 膝关节角度的影响，也受髋关节角度的影响：等速向心运动时，不同髋关节角度 下，膝关节屈肌的力量及股二头肌的表面肌电信号指标出现显著性变化；等速离 心运动时，不同髋关节角度下，膝关节周围肌肉的表面肌电信号指标均未出现现 显著性变化。 关键词：髋关节； 角度；膝关节；力量；表面肌电 作者：李新梅 指导教师：王国祥教授 髋关节角度变化对膝关节屈伸力量及其表面肌电信号的影响 a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fk n e ea n d a c t i v i t y t e r i s t i c so fk n e em u s c l e sd u r i n gf l e x i o na n d e x t e n s i o na td i f f e r e n th i p a n g l e s a b s t r a c t p u r p o s e s ：t h r o u g ht h i se x p e r i m e n t , e x e r c i s e sw e r ec a r r i e do u to nai s o k i n e t i c m a c h i n e ，a n da tt h es a m et i m eb i p o l a re l e c t r o m y o g r a p h i es i g n a l s ( s e m g ) w e r er e c o r d e d f r o ms u r f a c ee l e c t r o d e so nm a j o rm u s c l e so fk n e ea tv a r y i n gh i pa n g l e s t h ea i mo ft h i s s t u d ) , w a s t o v e r i f y t h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fk n e ea n dt h e a c t i v i t y c h a r a c t e r i s t i c so fk n e em u s c l e sd u r i n gf l e x i o na n de x t e n s i o ne x e r c i s ea td i f f e r e n th i p a n g l e s t h ea u t h o rw a n t st oa f f o r dr e l e v a n td a t ef o ra n a t o m y m e t h o d s ：e l e v e ny o u n gh e a l t h ym e nv o l u n t e e r e dt op a r t i c i p a t ei nt h es t u d y 1 1 1 e y p e r f o r m e dm a x i m u r ni s o m e t r i ca n di s o k i n e t i ck n e ef l e x i o na n de x t e n t i o nc o n t r a c t i o na t t h r e ep o s i t i o n so fv a r y i n gh i pa n g l e s s u b j e c t sw e r er e q u e s t e dt op e r f o r mt h ef o l l o w i n g t a s k s ：( 1 ) m a x i m a lv o l u n t a r yi s o m e t r i cc o n t r a c t i o n sa tk n e ej o i n t3 0 06 0 0 a n d9 0 0 ( 0 0 - - f u l l e x t e n t i o n ) ；( 2 ) m a x i m a l f l e x t i o na n de x t e n t i o ni s o k i n e t i cc o n c e n t r i cc o n t r a c t i o na t 6 0 0 ，12 0 0 , a n d18 0 0 s ；( 3 ) m a x i m a lf l e x t i o na n de x t e n t i o ni s o k i n e t i ce c c e n t r i cc o n t r a c t i o n a t6 0 0 a n d12 0 0 s 。s i m u l t a n e o u s l y , t h es e m gs i g n a l sw e r er e c o r d e df r o mr e t u s f e m o r i s ，v a s t u sm e d i a l i s ，v a s t u sl a t e r a l i s ，a n db i c e p sf e m o r i sm u s c l e s p e a kt o r q u ea n d a v e r a g ep o w e rw e r e c a l c u l a t e d 弱m e c h a n i c a lp a r a m e t e r ；n o r m a l i z e dr o o t m e a n s q u a r e ( r m s ) o fs e m gw a sc a l c u l a t e d 觞a l li n d e xo fs e m ga m p l i t u d e r e s u l t s ：i nm a x i m a lv o l u n t a r yi s o m e t r i cc o n t r a c t i o nm o d e ，a td i f f e r e n th i pa n g l e s ， p t , f ea n da ps h o wr e m a r k a b l ed i v e r s i t y i ni s o k i n e t i cc o n c e n t r i cm o d e ，a tt h es a m e v e l o c i t ya n dd i f f e r e n th i pa n g l e s ，t h em u s c l ef o r c ea n dt h es u r f a c ee l e c t r i cs i g n a li n d e x o ff l e x o rs h o wr e m a r k a b l ed i v e r s i t y i ni s o k i n e t i ce c c e n t r i cm o d e ，a tt h es a m ev e l o c i t y a n dd i f f e r e n th i pa n g l e s ，t h em u s c l ef o r c eo fe x t e n s o rs h o wr e m a r k a b l ed i v e r s i t y ，b u tt h e s u r f a c ee l e c t r i cs i g n a li n d e xs h o wn os i g n i f i c a n td i v e r s i t y c o n c l u s i o n s ：i nm a x i m a lv o l u n t a r yi s o m e t r i cc o n t r a c t i o nm o d e ，k n e e - j o i n t i l s t r e t c h e sa n dt h es u r f a c ee l e c t r i cs i g n a li n d e xo fm u s c l ea l en o to n l yd u et ok n e e - j o i n t a n g l e ，a l s od u et oh i p - j o i n ta n g l e ；i nk n e ec o n c e n t r i ce x e r c i s e ，t h ed i f f e r e n ta n g l e so f h i p ， k n e ef l e x o rf 0 r c ea n ds u r f a c ee m gi n d i c a t o r ss h o w e ds i g n i f i c a n tc h a n g e s ；i ni s o k i n e t i c e c c e n t r i ce x e r c i s e ，a tt h ed i f f e r e n ta n g l e so fh i p ，t h e r ea l en os i g n i f i c a n tc h a n g e si nk n e e m u s c l ee m gp a r a m e t e r s k e yw o r d s ：h i p ：a n g l e ：k n e e m u s c l ef o r c es e m g l i l w r i t t e n b y ：l ix i n m e i s u p e r v i e db y ：w a n gg u o x i a n g 目录 1 前言1 1 1 选题依据l 1 2 文献综述一1 2 实验对象与方法1 1 2 1 实验对象1 1 2 2 方法1 1 3 实验结果一1 6 3 1 不同关节角度下膝关节屈伸肌群的肌力特征研究1 6 3 2 不同关节角度下膝关节周围肌肉的表面肌电特征研究一2 7 3 3 不同关节角度下膝关节力学指标及其表面肌电指标的相关分析3 4 4 分析与讨论一3 6 4 1 不同关节角度对膝关节屈伸肌峰力矩的影响3 6 4 2 不同关节角度对膝关节屈伸肌力矩比的影响3 7 4 3 不同关节角度对膝关节屈伸肌平均功率的影响3 9 4 4 不同关节角度对膝关节周围肌肉的r m $ 值的影响3 9 4 5 膝关节力学指标及表面肌电指标的相关性4 0 5 结论? 4 2 6 参考文献：4 3 7 攻读硕士学位期间公开发表的论文”4 8 8 致谢4 9 髋关节角度变化对膝关节屈伸力量及其表面肌电信号的影响 1 前言 址 ：- 1 月l j舌 1 1 选题依据 对膝关节周围的肌肉，尤其是股四头肌、股二头肌和半腱肌、半膜肌功能以 及它们在膝关节运动中起的作用是当今运动人体科学的研究热点。等动测试系统 ( c y b e x ，b i o d e x 等) 的出现，为研究关节肌肉群的功能提供了新的定量评定 手段。近年来，国内外研究者将等速测试这一技术应用于运动训练实践，得出了 不少有价值的结论，研究主要包括肌力矩、关节运动角度、角速度、肌肉群功率 等相关内容，为运动员的专项训练提供了依据。 尽管等动测试的方法为在体肌肉的研究提供了新的手段，然而以往应用等动 测试系统进行的相关研究仅限于针对单关节运动的实验室研究，肌肉在单关节运 动中发挥的作用与其在多关节复合运动中的机能不全相同，尤其是一些对关节运 动起重要作用的多关节肌( 如下肢的股直肌、股二头肌等) ，它们在单关节与多关 节复合运动中功能表现出很大差别。所以，依等动测试评定实际运动中肌肉( 群) 功能，必须考虑多关节肌的因素。然而，多关节复合运动的肌力测定使用现有的 配件现无法检测到。针对此缺陷我们可以研究，变换其中一个关节角度或位置对 另一关节的影响。从而找到关节之间用力最大及协调最佳的最适范围，以指导运动实 践。 膝关节屈伸力矩的变化主要受膝关节角的影响，但是它与髋关节角的关系也 是不容忽视的。运动实践说明，在一定的髋关节角和膝关节角下，某些运动动作 才能收到最佳效果。从国内外研究报道及本实验室的研究成果来看，多集中于研 究同一髋关节角度下膝关节的活动规律，而关于髋关节角度变换对膝关节活动影 响的文献尚不多见。 本文主要通过对不同髋关节角度下膝关节的屈伸过程中力与表面肌电信号指 标进行测定，以及对不同髋关节角度下膝关节屈伸的力学指标与相应双关节肌的 表面肌电信号之间的相关性进行分析，以期寻找到不同髋关节角度下膝关节的运 动规律。 1 2 文献综述 1 2 1 膝关节及其周围肌肉的解剖学特征及多关节肌的工作特点 l 前言 髋关节角度变化对膝关节屈伸力量及其表面肌电信号的影响 膝关节是人体关节中构造最复杂、最大的关节，位居踝、髋关节之间，是下 肢关节活动的枢纽。它在人的的生活、生产劳动和体育运动中占有重要的地位， 几乎所有的体育运动项目都需要膝关节直接、间接参与。 膝关节周围有三组肌肉，分别为前外侧、内侧和后侧肌群。前外侧肌肉包括： 股四头肌，缝匠肌、阔筋膜张肌；后侧肌群包括：股二头肌、半腱肌、半膜肌。 内侧肌群包括：大收肌、短收肌、耻骨肌、长收肌、股薄肌。其中，缝匠肌、股 直肌与股二头肌以及半腱肌、半膜肌均为双关节肌，它们在单关节运动中发挥的 作用与其在多关节复合运动中的机能不全相同，在体育运动中容易发生“主动不 足和“被动不足 现象。 多关节肌之所以存在主动不足与被动不足，是因为它们要跨过两个以上关节， 如作屈髋同时伸膝的动作时，股直肌就是在一屈一伸的特殊状态下工作，这必然 造成肌力的分散【1 】。如，跨栏运动中，当运动员摆动腿上摆时，要求迅速屈髋伸膝， 如果股四头肌平时训练强度不够，力量素质差，即使股后肌群抗拉阻力减少到最 小程度，也难将小腿摆至过栏的高度，所以造成被动踢栏这种情况属于屈髋与伸 膝的原动肌功能性主动不足。其次，同样是摆动腿上栏时，由于运动员平时忽略 了股后群伸肌的柔韧性与伸展性练习，所以，即使屈髋与伸膝肌群的功能性主动 不足已减少到最低限度，但因对抗肌群有较大的抗牵拉阻力，从而抵消了部分原 动肌的力量而造成踢栏。这是由对抗肌股后伸肌群的功能性被动不足所致。 1 2 2 膝关节等速测试的研究 1 2 2 1 等速运动及等速肌力测试 等速运动，指运动的过程中，运动的角速度恒定而外加阻力变化的动态运动。 等速肌力测试是1 9 6 9 年由p e r r i n e 等提出并建立的动态肌力评价方法。测试过程中， 等速肌力测试仪所产生的负荷阻力与肌肉收缩的实际力矩输出相匹配，从而使肌 肉在整个关节活动范围内或处于各种不同角度时均能承受相应的最大阻力，产生 相应的最大张力和力矩输出。 等速测量与训练系统自1 9 7 0 年由美国c y b e x 公司发明以来，作为一项肌肉功 能测试和训练的新技术，被广泛应用于运动医学和康复医学的研究和临床工作中。 从国内外研究报道来看，等速测试主要应用于临床康复医学领域，多以膝关节损 伤患者为研究对象，对于正常人群和运动员的研究相对较少1 2 。3 1 。 等速肌肉测试在等速仪器提供的恒定速度和顺应性阻力条件下，可获得一系 2 髋关节角度变化对膝关节屈伸力量及其表面肌电信号的影响l 前言 列肌肉特性参数，如力矩、做功、功率及耐力等，被认为是肌肉测试最准确最客 观的方法之一，因此等速肌力测试得到了广泛的应用【4 】。近年来，随着等速测量与 训练技术的日臻完善与成熟，国内外研究者将这一技术应运于运动训练实践，得 出了不少有价值的结论。 1 2 2 2 等速测力系统对于膝关节的研究 国内外众多专家学者及科研人员应用等动肌肉功能测试和训练技术做了大量 的相关研究，其中有关膝关节的研究文献数量所占比重最大【5 j 。 ( i ) 不同运动项目膝关节肌等速测试的对比研究 随着等速测试范围的扩大，测量项目的不断增多，部分学者对不同项目运动 员同一组肌群力量的差异进行了评价比较，以找出不同项目同肌群的主要差异 及各自的肌力特征，从而揭示长期系统训练对运动员膝关节的影响，为运动员有 针对性的进行训练提供科学依据。 郭权【6 】通过对篮、排球两项目各1 0 名一级运动员膝关节进行等动测试分析， 发现两项目运动员膝关节肌力特征最主要差异在于伸肌离心收缩能力和屈肌向心 收缩能力，即排球运动员伸肌的离心收缩能力及向心收缩时产生的峰值力矩远差 于篮球运动员；膝关节主对抗肌肌力比和同一肌群的离心与向心峰力矩比率上也 存在一定差异，这种差异可能与两项目运动员起跳方式有关。z a k a s l 7 + 分别对篮球 与足球、短跑与越野跑及正常人群的优势侧膝关节肌力特征进行了比较，发现： 篮球运动员的屈伸肌峰力矩值均高于足球运动员，但相对峰力矩指标间不存在显 著性差异；在5 0 0 0 s 的高速测试下，短跑组的伸肌相对峰力矩明显高于越野跑组， 且越野组的屈肌相对峰力矩超过了伸肌。孙晓等【8 】通过c y b e x 6 0 0 等速测试系统， 对辽宁省优秀短跑、自行车、游泳运动员2 5 人( 男1 4 人、女1 1 人) 进行了等速向 心膝关节肌力测试，经过统计对比分析发现，短跑运动员屈膝肌的峰值力矩较大， 而自行车运动员有很强的伸膝力量；自行车运动员的相对峰力矩大于短跑、游泳 运动员。檀志宗等【9 】通过对2 8 名自行车、手球、足球女运动员进行等速测试，研究 发现，慢速运动时三组运动员屈伸肌最大力量无显著性差异，但是屈肌相对最大 力量却存在显著性差异，自行车运动员屈肌峰力矩最大，其次是足球和手球；快 速运动时，无论是绝对快速力量还是相对快速力量，均表现出三类运动项目的显 著性差异，自行车运动员的屈伸肌快速力量都明显高于足球和手球运动员。曹峰 锐等【lo 】运用瑞士生产的c o n t r e x 等动测试仪，通过对广东省女子曲棍球队和广 髋关节角度变化对膝关节屈伸力量及其表面肌电信号的影响 队运动员的膝、踝关节进行等速向心测试，发现女手队员膝关节屈 的比例合理，女曲队员右膝关节屈伸肌力量比值偏高，应加强右膝 的训练。 ( i i ) 不同运动等级膝关节等速肌力特征的对比研究 资料显示，对于不同运动等级的运动员膝关节肌群等速测试的研究较少，然 而此类研究的意义较大。通过对同一项目不同运动等级运动员主要工作肌群的测 试，我们可以找出一般运动员与优秀运动员之间的差异，从而对进一步针对一般 运动员进行训练提供理论指导。 陈周业等【l l 】通过对男子跳高_ 、二级运动员下肢肌力的测试分析，发现一级 运动员起跳腿膝关节的屈、伸肌力距显著大于二级运动员；- 级运动员两腿膝关 节伸肌离心肌力矩显著大于二级运动员；与向心肌力相比，一级运动员更具有膝、 踝两关节离心肌力的优势。刘振堂等【1 2 】对跳高专项男生进行等速测试研究表明， 膝关节向心收缩时，一级男生起跳腿伸肌1 2 0 0 s 时的峰力矩大于二级男生，其他力 量成份未见显著性差异，说明一、二级运动员的重要差异表现为起跳腿快速力量 不同。 ( i i i ) 不同收缩状态下膝关节的肌力特征 吴毅【1 3 】等通过对健康男青年膝屈肌和伸肌进行等速和等长肌力测试研究，发 现膝屈曲6 0 0 时，离心收缩和等长收缩的肌力( 峰力矩) 都明显大于向心收缩，而 离心收缩和等长收缩相比无显著性差异；屈肌与伸肌峰力矩的比率( h q ) 在向心 测试和离心测试时有一定的差异，向心测试的h q 比值略大于离心测试的比值。成 鹏【1 4 】等采用b i o d e xi ia p 型多关节等速测试及康复系统通过对4 0 名青年男性膝关 节等速屈伸运动的测定，研究发现伸膝肌群向心收缩时的峰力矩、相对峰力矩、 平均功率等指标均大于离心收缩，屈膝肌群的这种差异以慢速时显著。 大量的研究资料证实，等速测试中膝关节的屈伸肌峰力矩随着角速度的增加 而减小。成鹏等【”】通过对2 0 例健康人膝关节进行等速离心收缩测试，并用统计学 方法观察不同速度下膝关节屈肌和伸肌峰力矩、相对峰力矩和屈肌伸肌比值的变 化，结果显示速度对膝关节屈肌和伸肌峰力矩和相对峰力矩影响显著，对屈f 申比 值的影响不显著。吕新颖等【16 】应用等速测力系统应用等速测力系统对3 6 例健康受 试者左侧髋关节、膝关节屈伸肌群在不同角速度下收缩的峰力矩、到达峰力矩的 关节角度、到达峰力矩的时间等指标进行测量，结果显示髋、膝关节屈伸肌群收 4 髋关节角度变化对膝关节屈伸力量及其表面肌电信号的影响 1 前言 缩的峰力矩随设定角速度的增大而减小。 另外，有研究显示等速测试中肢体的角度和运动的时间对测试结果有着直接 的影响。卢德明等【1 7 1 对膝关节在不同收缩幅度时的等速肌力进行了测试，研究发 现，随着运动幅度的不断增大，膝伸、屈肌群的峰力矩值、峰力矩角度、到达峰 力矩时间、总功、平均功率均相应增大。在起始角相同、结束角不同的测试中， 膝关节肌群峰力矩、总功、平均功率的屈伸比，随着运动幅度的增大而增大；但 是在结束膝角相同、起始膝角不同的测试中，膝关节肌群峰力矩、总功、平均功 率的屈“申比均随着运动幅度的增大而减小。成鹏等【1 8 】对2 0 例正常男性膝关节等速 向心收缩进行测试，研究了角度和时间因素对测试结果的影响，提示二者对结果 影响显著，尤以角度因素更为明显。 ( ) 不同损伤情况下膝关节的等速测试及康复研究 运用等速技术通过肌力测试可对运动员膝关节出现的多种运动系统伤病进行 评价，获得较为准确的肌肉功能评价的定量指标，对设计合理的、有针对性的康 复训练方案有一定的指导意义。此类研究较多见，且意义重大。 o r c t 脚d 【1 9 】在对胭绳肌损伤的研究中指出，损伤程度与6 0 。s 时p t 值有显著 相关。王煜【2 0 】在对膝损伤患者的研究中，力矩。损伤程度关系方面，也报道了相似 结果，并且指出受伤膝关节伸肌群的平均力矩和峰力矩，与对侧正常膝关节相比， 低于1 0 以上，可以作为膝关节损伤诊断和康复评定的有意义指标之一。余晓杰 1 2 1 】等通过对单侧膝关节骨性关节炎患者患侧和健侧膝关节进行向心和离心收缩的 研究发现，膝关节骨性关节炎患者存在股四头肌向心收缩和离心收缩肌力的下降， 肌力损失百分比大于1 0 ，以及胭绳肌低速向心肌力的下降，指出膝关节骨性关节 炎患者应加强股四头肌离心收缩的训练。 1 2 3 膝关节表面肌电信号的研究 1 2 3 1 表面肌电信号简介 、 表面肌电信号( s e m g 信号) 是从皮肤表面通过电极引导、放大、显示和记录 下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号1 2 2 1 ，信号形态具有较大的随机性和不稳 定性f 2 3 1 。研究表明，s e m g 信号来自大脑皮层运动区，形成于外周肌肉众多运动单 位的生物电活动在时间和空间上的总合1 2 3 五5 1 。 通常从肌电图仪器上所获得的表面肌电信号是一种原始的一维时间序列信 号，表现为一种类似噪声的准随机信号，主要由神经肌肉系统活动的生物电信号 5 l 前言髋关节角度变化对膝关节屈伸力量及其表面肌电信号的影响 和各种噪声信号组成。其中噪声信号主要来自检测仪器、环境电磁干扰、界面运 动干扰以及信号的不稳定性。表面肌电信号的幅值为1 0 0 - 5 0 0 0 “v ，其峰一峰值约 为0 - - 6 0 0 0 p v ，有用的信号频率成分在0 - - 5 0 0 h z 范围内，主频介于5 0 - 1 5 0 h z 之间， 干扰范围一般介于0 , 6 0 h z 瞄州。 s e m g 信号与肌肉的纤维组成、解剖结构、肌肉不同活动水平和机能状态下参 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 及运动单位募集模式相关联【2 7 j 。 1 2 3 2 表面肌电信号的分析方法 在肌电图发展的早期，肌电信号的分析与处理主要是通过直观的观察或做一 些简单的统计处理。随着现代电子技术的发展，产生了多种肌电信号的分析处理 方法与手段。如对肌电信号的时、频域分析法，参数模型法，小波分析法，分形 和混沌分析法，以及人工神经网络，关联维度等。 其中线性分析的时、频域分析，是s e m g 信号分析中的重要组成部分。时域分 析是将肌电信号看作时间的函数【2 8 1 ，用来刻画时间序列信号的振幅特征，主要包 括积分肌电值( i e m g ) 、均方根值( 1 m s ) 、平均振幅( m a ) 等。i e m g 是指对所 得表面肌电信号进行整流滤波后求单位时间内曲线下面积的总和，它可以反映肌 电信号随时间进行的强弱；r m s 用来描述一段时间内放电平均变化特征，是放电 的有效值，其大小取决于肌电幅值的变化，一般认为与运动单位募集程度和兴奋 节律的同步化有关。由于两者均可在时间维度上反映s e m g 信号振幅的变化特征， 因此，常被用于实时地、无损伤地反映肌肉活动状态，具有较好的实时性。 频域分析是对s e m g 信号进行快速傅立叶转换( f f t ) ，获得s e m g 信号的频 谱或功率谱。它可反映s e m g 的信号在不同频率分量的变化，所以能够较好的在 频率维度上反映s e m g 的变化【2 9 1 。在频域分析方面，常用平均功率频率( m p f ) 和中位频率( m f ) 两种指标进行分析。m p f 表示的是过功率谱曲线重心的频率； m f 是指骨骼肌收缩过程中肌纤维放电频率的中间值【3 0 1 。由于s e m g 的f f t 频谱曲 线并非呈典型的正态分布，因而从统计学角度而言，使用m f 刻画s e m g 的频谱 特征的变化要优于m p f ，但在具体的科研实践中人们发现，在反映肌肉的活动状 态和功能状态上m p f 的敏感性优于m f 。 随着计算机技术和现代信息处理技术的不断提高，小波分析方法和非线性动 力学分析方法作为一种更有效更新颖的肌电信号分析方法已越来越成熟。杨建群 6 髋关节角度变化对膝关节屈伸力量及其表面肌电信号的影响l 前言 等【3 1 】用非线性动力学中的复杂度、关联时间、关联维和李雅普诺夫指数和熵五个 物理量，对一对收缩肌和舒张肌进行分析，得出结论作为分析判定肌肉处于收缩 状态还是舒张状态，除了常规的e m g 变化幅值大小可以为标志量外，还可以用这 些非常规的非线性的特征量来标标志或量度。 目前利用多重分形思想( m u l t i f r a c t a la p pr o a c h ) 来研究表面肌电信号，即从信 号分形的不同层次上来研究系统的整体特征，随着研究的不断深入可能会得到一 些其他方法得不到的新结论。国内学者杨军等【3 2 】为了获得更多的表面肌电信号的 信息和获取更好的表面肌电信号分类的识别率，利用双谱分析和主元分析相结合 方法对肌电信号进行了分类研究，研究表明双谱分析和s v d 分析相结合的方法可 以获得较高的动作识别率，尤其是s v d 分解在延迟取得较大时，获得了很高的识 别率。 1 2 3 3 膝关节肌群表面肌电信号的研究 ( i ) 膝关节肌群疲劳状态时表面肌电信号的研究 通过对膝关节肌群表面肌电信号的特征进行研究，可以实现疲劳状态的定量 描述，探讨利用s e m g 评价肌肉疲劳的新方法，拓展表面肌电图的临床应用。许多 研究发现，运动肌肉疲劳时，表面肌电图信号会产生明显的变化：表面肌电信号 的时域值上升，而频域指标中的平均功率频率下降。 蔡明明等【3 3 】通过对竞走运动员2 0 k m 定量负荷竞走训练中股外侧肌和胫骨前肌 进行全程的表面肌电信号的时频域分析发现，竞走结束前股外侧肌与胫骨前肌的 肌电活动振幅较竞走开始时明显增高；竞走至1 5 k m 时出现a e m g 增高，m p f 下降， 提示该运动员在1 5 k m 时开始出现运动性疲劳。崔玉鹏【3 4 】通过对1 5 名男性大学生篮 球运动员进行等速测试至局部肌肉时表面肌电信号的研究发现，当出现局部疲劳 时股内侧肌、股外侧肌、股二头肌、半腱肌和半膜肌的均方根振幅均显著升高， 中值频率显著下降。李青青【3 5 】等研究t 4 例正常青年女性在伸膝6 5 。，负荷6 0 最大伸膝力的持续静态等长收缩情况下表面肌电图参数( m f 、m p f 、z c r 、a e m g ) 的变化规律，结果发现，四参数均呈三次项曲线变化，说明影响肌肉疲劳的主要 因素可能有3 个，但其确切机制仍有待进一步研究确定。王笃明等【3 6 】研究发现， 静态负荷诱发肌肉疲劳时，被试主观疲劳感r p e 得分与持续时间成显著正相关， 与s e m g 信号指标m p f 、m f 和复杂度成显著负相关，主客观指标反映肌肉疲劳状 态具有较高一致性。 7 1 前言髓关节角度变化对膝关节屈伸力量及其表面肌电信号的影响 目前在众多关于膝关节运动性疲劳时s e m g 特征的研究中，多将表面肌电信号 与其他生理生化指标相联系，以探讨影响表面肌电信号变化的生理因素。何伟等p 7 j 研究显示，细胞外高k + 是肌肉疲劳和活动肌m p f 值下降的主要因素之一，并可能 也是非活动肌i e m g 下降的原因之一。h + 不是疲劳形成的主因，并对肌电无直接影 响。张力等【3 8 】通过对划船运动员静力及动力性肌肉疲劳后的肌氧含量及e m g 参数 的研究，显示静力性运动时e t 值大幅度增大的时间大多出现在肌氧停止下降之 后，肌氧的降低程度与肌肉疲劳程度有关。动力性运动时血乳酸值随负荷而增加， i e m g 的变化趋势与血乳酸相似，i e m g 、o x y h b 、b l 值三者呈非常显著性相关， 表明肌肉疲劳时肌肉氧供和内环境的改变也是影响e m g 信号的重要因素。 ( i ：) 对不同运动项目的运动员膝关节肌群表面肌电信号的对比研究 范晓玲【3 9 】对赛艇及田径专项的运动员静力及动力性收缩中股直肌的表面肌电 信号进行了对比分析，研究发现赛艇运动员与田径运动员在进行等长收缩时，随 着运动时间的延长，两种项目运动员i e m g 值均出现上升，但两者的上升趋势有所 不同，赛艇运动员进行静力性等长收缩时，i e m g ，e t 值随着运动运动至中段出 现平台期，第四阶段稍有下降，然后第五阶段时i e m g 值上升至运动过程中的最高 值，而田径运动员i e m g ，e t 随着运动时间的延长持续升高至疲劳态。从此可以 看出赛艇运动员的力量耐力较田径运动员更好。而两种运动员在进行动力性收缩 时，i e m g 均随着运动时间的延长而下降。两者各项指标上项目变量与时间均无显 著性差异。但是在两者的s e m g 进行动力性收缩即时显示记录的图形上，两者具有 较明显的区别。赛艇运动进行运动时，从图形上看，肌电图形杂乱无章且总体呈 爆发性的增加，下肢运动时拮抗肌与主动肌进行动作时杂波较多。而优秀田径运 动员的波形发力时运动单位同步化高，波形规律无杂波，表明田径运动员从事此 动作时，肌肉之间配合协调，对动作技术掌握好且做功的效率高。田径运动员比 赛艇运动员在进行爆发形式的动力性收缩能够更好的完成。 ( ) 对普通人群及有训练经历者膝关节表面肌电信号差异性的研究 彭如心等【加】通过对普通学生及短跑训练专业学生3 0 s 全力踏蹬自行车过程中 股外侧肌的表面肌电信号进行分析，发现前后5 sa e m g 的下降幅度训练专业的学 生明显小于普通学生，提示在相同的时间内，普通的学生比训练专业的学生更显 进入疲劳状态。段子才等1 4 1 】对无训练经历的普通大学生及武术散打专业的大学生 进行6 周负重蹲起训练后股四头肌及胭绳肌表面肌电振幅变化的对比研究发现，训 髋关节角度变化对膝关节屈伸力量及其表面肌电信号的影响1 前言 练前测量负重蹲起最大重量时，与无训练者相比，有训练经历者股四头肌的三个 表浅肌肌腹表面i e m g 振幅较高，但二者之间的差异无统计学意义。6 周训练后， 所有受试者进行负重蹲起最大重量时伸膝主动肌的i e m g 振幅均有所下降，有训 练者股外侧肌和股直肌的降幅具有统计学意义，两组受试者训练后各肌肉的i e m g 平均值有趋近的倾向；作为动作拮抗肌的胭绳肌两个肌腹的i e m g 振幅有所降低， 但无统计学意义。 。 ( ) 表面肌电在膝关节运动损伤及康复中的应用研究 表面肌电作为一种简单、安全、无创的有关肌肉功能状况的评价及检测手段， 在膝关节运动损伤与康复中有着重要的作用。俞晓杰等【4 2 】通过对膝关节骨关节炎 患者膝屈伸肌表面肌电信号的研究发现，患侧股外侧肌和股二头肌在最大等长收 缩和下蹲运动时的肌电振幅均值小于健侧( p 0 0 5 ) ，而神经肌电生物反 馈组患者的v m o v l 神经肌电比率与治疗前比较差异有显著性意义( p 0 0 5 ) ； 提示采用神经肌电生物反馈仪配合髌股疼痛综合征患者的康复训练可促进股内侧 斜肌的募集。 1 2 4 关于等速测试及表面肌电变化同步研究膝关节活动的力电关系 非疲劳状态下肌肉活动的力一电关系特指肌肉在非疲劳状态下活动时肌力变 化与表面肌电( s e m g ) 信号特征变化之间的关系，是近年来备受关注的s e m g 信 号分析基础与应用研究的重要组成部分。国内外研究显示，关于膝关节周围肌肉 在收缩力与s e m g 信号的时域指标之间存在着比较一致的关系，即随着肌肉的收缩 9 l 前言髋关节角度变化对膝关节屈伸力量及其表面肌电信号的影响 力的增加，s e m g 信号的振幅是线性递增的，但也有在少数文献尤其是以动态运动 方式中发现的却是两者的曲线关系。 k e l l s e 等【4 7 】对膝关节伸屈肌群股四头肌和胭绳肌等动向心和离心收缩的研究 发现，同一速度肌肉离心收缩时e m g 活动( i e m g 值) 显著小于向心收缩，并且 随离心收缩速度的增加肌肉力量增大，e m g 活动( i e m g 值) 降低。这表明离心 收缩力量的增加并不伴随神经兴奋强度增高，反而出现抑制，而主要是肌肉弹性 成份的作用。b l a r s s o n 4 8 4 9 】研究了膝关节向心收缩时股直肌、股二头肌表面肌电 指标r m s 和m n f 与膝关节屈伸时峰值力矩的关系，研究显示其具有显著相关性。 刘耀荣等【5 0 】采用i s o m e d 2 0 0 0 等速测力系统、m e 6 0 0 0 无线肌电遥测系统，同步 测试优秀跳跃运动员膝关节屈伸肌群在不同速度向心收缩过程中肌肉组织的力学及 肌电活动特性。发现，跳跃运动员膝关节屈伸肌群在6 0 。s 、1 8 0 。s 、3 0 0 。s 向 心用力时力矩、功随着速度增加逐渐下降，而功率随速度增大而增加( p 0 0 5 ) ，而与i e m g 呈高度相关( 尸 0 0 1 ) 。 上述研究结果提示，将等速运动时肌力变化与表面肌电结合起来分析，可为 研究运动员在不同运动速度及不同收缩状态下神经肌肉特征，科学监测与评价运 动员力量训练水平，设计合理的力量训练方法与手段提供依据。 关于等速运动过程中，膝关节周围肌肉表面肌电活动的研究虽然在一定的范 围内发现了一定的规律，但关于肌肉活动的力电关系，尤其对其规律的普遍性及 各规律的解释的合理性还需要更进一步的研究。 l o 髋关节角度变化对膝关节屈伸力量及其表面肌电信号的影响 2 实验对象与方法 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1 1 名男性大学生为本研究的测试对象。平均年龄 2 1 4 5 4 - 2 2 1 岁，身高1 7 2 4 0 2 0 7 c m ，体重6 8 4 0 士4 8 4 k g 。所有受试者均自愿参加 本实验，无髋、膝关节损伤病史，膝关节活动正常，且正式实验前2 4 小时内无剧 烈运动，均多次熟悉运动负荷及测试要求。 。 2 2 方法； 实验在苏州大学体育学院机能评定与康复实验室进行，测试时间为2 0 0 9 年3 月至4 月，仪器为瑞士c o n t r e x 公司产的等速肌力测试及训练系统和德国 b i o v i s i o n 运动生物电测试分析系统，测试前对系统进行常规标定，实验流程见下 图l ： 图1 实验流程图 2 2 1 等长测试过程及分析指标 2 2 1 1 姿势固定 将受试者固定于c o n t r e x 测力系统上，受试者分别为坐位、半卧位及仰卧 位，髋关节角度固定为9 0 。、1 3 5 。、1 8 0 。，固定方法及关节对位等严格按照 c o n t r e x 等速测试与训练系统使用手册的要求进行操作。受试者姿势固定见下 图2 ： 髋关节角度变化对膝关节屈伸力量及其表面肌电信号的影响 图2 测试过程中受试者姿势固定 2 2 1 2 等长测试的参数设置 选择c o n t r e x 的等长测试模式。用c o n t r e x 系统对受试者的惯用肢分 别在膝关节屈曲3 0 、6 0 、9 0 度( 伸直位为0 度) 进行最大主动收缩测试。在对每 一位测试对象进行测试前，均对其被测下肢及测试杆进行重力修正，重力修正过 程严格按照c o n t r e x 计算机上的命令执行，消除了重力因素对于测试精度的 影响。 测试时，各个角度的屈肌和伸肌分别进行测试，每次收缩的持续时间为5 s ，完 成一个测试后休息2 m i n ，以避免出现疲劳。同时对每个收缩过程全程进行表面肌 电图的记录。 2 2 1 3 测试指标 峰力矩( p t ) ：是膝关节屈伸运动过程中最大力矩的表达，可反映肌肉的最大 负荷情况，是目前肌力测定中最常用的基本指标，一般认为可以代表肌肉的最大 肌力，有较好的可重复性，是测试中的黄金指标。单位为n 1 1 1 。 屈伸肌力矩比( f e ) ：是屈伸肌峰力矩的比值，反应了主动肌和拮抗肌的力 量比值，是反映关节平衡状态的良好指标。， 2 2 2 等速测试过程及测试指标 2 2 2 1 姿势固定 将受试者固定于c o n t r e x 测力系统上，受试者分别为坐位、半卧位及仰卧 位，髋关节角度固定为9 0 。、1 3 5 、1 8 0 。，固定方法及关节对位等严格按照 1 2 一h p e 髋关节角度变化对膝关节屈仲力量及其表面肌电信号的影响2 实验对象与方法 c o n t r e x 等速测试与训练系统使用手册的要求进行操作。固定姿势见图2 。 2 2 2 2 等速测试的参数设置 选择c o n t r e x 的等速测试模式。用c o n t r e x 系统对受试者的惯用肢膝 关节屈伸运动分别做等速向心和等速离心测试。在对每一位测试对象进行测试前， 均对其被测下肢及测试杆进行重力修正。等速向心运动的角速度分别设定为6 0 。 s ，1 2 0 。s ，1 8 0 。s ，等速离心运动的角速度分别设定为6 0 。s ，1 2 0 。s ，每 次完整的屈伸为一个运动循环，其中慢中速测试时各屈伸5 次，快速测试时屈伸 1 0 次。不同角速度之间的休息时间为2 m i n 。同时对屈伸运动的全过程进行表面肌 电信号的采集。 2 2 2 3 测试指标 峰力矩( p t ) ：是膝关节屈伸运动过程中最大力矩的表达，可反映肌肉的最大 负荷情况，是目前肌力测定中最常用的基本指标，般认为可以代表肌肉的最大 肌力，有较好的可重复性，是测试中的黄金指标。单位为n m 。 平均功率( a p ) ：是单位时间内做功的大小，反应肌肉做功的效率。平均功率