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摘 要: 目的:1)建立量化分析肌肉协调性的方法;2)分析肌肉协调性对运动技术 的影响。研究方法:以我国六名优秀20 km竞走运动员研究对象,同步采集运动员在3.6 m/ s和4.3 m/s直线运动时膝关节角度与股二头肌和股直肌表面肌电信号,并建立了肌电时序 特 征的定性分析和肌电数组和肌电模型相关性的定量分析肌肉协调性的方法。研究结果:股直 肌和股二头肌在肌电的时序特征上表现出明显的协调性特征,而且二者的肌电数组和肌电模 型与膝角相关性较高(r>0.70),但运动员间肌电模型一致性较差(r=0.339)。结 论: 1)本研究采用的对竞走运动中股直肌和股二头肌肌电时序的相关性分析方法是可以作为一 种分析肌肉协调性的手段。2)竞走速度的提高引起了股直股和股二头肌的协调性下降。 对膝关节技术的影响表现为:摆动腿在后摆阶段时膝角增大、着地瞬间膝角减小。
关键词:同步肌电;肌肉协调性;竞走;膝关节角度
中图分类号:G804.2 文献标识码:A 文章编 号:1007-3612(2010)09-0049-03
The Coordination of Rectus Femoris and Biceps Femoris andIts Impact on Knee Joint Angle during Race Walking
YU Hongyan1, WANG Weixing2,MAO Lijuan1
(1. Physical Education Department of Shanghai Jiao Tong Univer sity, Shanghai 200030,China; 2. Beijing Sport University, Beijing 1000 84,China)
Abstract: Purpose: To find a method to analyze muscles coordination by synchron ized surface electromyography (SEMG) and its impact on event technique. Method:6 elite 20Km race walkers are selected as the subject of the study. While theyare walking in the 3.6m/s and 4.3m/s respectively, the SEMG signal of rectusfemoris(RF), biceps femoris(BF)and kneel angle in synchronous way are recorded a nd then analyzed by comparing the correlation between RF and BF SEMG signals.Co nclusion: During walking, RF and BF showed the character of coordination, and th e coefficient between kneel angle and SEMG signal is more than 0.70, but the co efficient between six athletes is low(r=0.339).Conclusion: SSEM is an effectiv e method for measuring muscular coordination. 2)There is a coordination betw een BF and RF during the walking of elite race walkers, and it can be decrease i n higher space. The impact is that support leg’s knee joint angle is smaller a nd swinging leg’s knee joint angle is bigger.
Key words: synchronized surface electromyography; muscle coordination; r ace walking; knee angle
协调性是人体重要的一项运动素质之一。如何量化分析运动过程中参与动作完成的肌肉 间的协调性以及肌肉的协调性对运动技术的影响,一直是国内外学者面临的一个难题。本研 究以竞走项目为例, 提出了一种基于同步肌电时序的相关性来分析肌肉协调性的方法,并 进一步探讨了肌肉协调性对运动中膝关节角度的影响。
1 研究对象与方法
1.1 研究对象 以我国6名国际健将级20 km竞走运动员为研究对象。受试者平均年龄(21.5±3.1)岁 ,平均身高(168.7±6.2)cm,体重(58.5±8.5)kg。
1.2 测试方法
1.2.1 股直肌与股二头肌表面肌电测试 表面肌电信号的采集与分析均通过芬兰Mega公司出品的MegaME3000P表面肌电测试系统 获取。ME6000T16采样频率1 000 Hz,共模抑制比(CMRR)值为110 db,最大漂移噪音绝对值≤ 1.6 μV,带通滤波范围8～500 Hz。选用双极Ag/AgC1圆盘电极贴于左腿的股直肌和股二 头肌肌腹。
1.2.2 Qualisys红外远射运动技术测试 采用Qualisys三维高速红外远射运动测试系统,拍摄频率每秒250帧,膝关节标志点的 确定采用的是外侧骨性标志的方法[1],6名运动员分别以3.63 m/s和4. 31 m/s 两种速度进行直线运动。
2 结果与分析
2.1 肌肉协调性的同步肌电分析
2.1.1 定性分析 从股直股和股二头肌的解剖学功能分析,股直肌和股二头肌分别在膝关节的屈和伸的动 作中担当主动肌。竞走是膝关节屈伸交替,连续向前迈进的周期性运动项
投稿日期:2009-12-31
基金项目:国家科技部课题(课题编号2006BAK37B03)。通讯作者:王卫 星。
作者简介:于红妍,讲师,博士,研究方向运动训练与体质健康。
目,所以,从理论上分析,股直肌和股二头肌在膝关节的屈伸动作中建立一种协调的工作关 系。在本研究中,将股直肌与股二头肌在完成三个复步中的积分肌电值按着时间顺序在同一 坐标内进行拟合(以运动员F1为例),可以直观地分析出二块肌肉在协调性方面的建立的工 作关系。
肌二头肌肌电时序图
众多的研究结果已经证明,肌肉的表面积分肌电与肌肉用力程度之间存在高度相关关系 [2-4]。通过运动员肌电对应的同步运动技术图像分析可以看出,左腿股直头肌的 放电 活动从左腿前摆阶段开始逐渐增强,而此时股二头肌几乎处于非活动状态,股二头肌放电幅 度明显增加出现着地支撑至后蹬结束阶段,完成伸大腿功能。在3.6 m/s速度下,左腿后摆 时 相内,二块肌肉匀无明显的放电现象,出现了“共同间歇期”。因此说,在行走过程中,膝 关节表现出屈与伸的外部动作特征,使股直肌和股二头肌肌电信号表现出“一张一弛”交替 放电的特征。当速度提高到4.3 m/s时,股直肌与股二头肌在低速下表现良好的协调性受到 了 影响,例如,在摆动腿在后摆阶段时,股二头肌和股直头肌的共同“间歇期”消失,而且在 不同动作时相,出现了共同放电的放电现象。但是二块肌肉仍表现出了较明显的放电节奏性 和规律性,这一特征为二块肌肉具有协调性特征提供了实证依据。
2.1.2 定量分析 上述分析可以证明,运动过程中,股直肌和股二头肌的积分肌电在时序特征上表现出了 良好的周期性和稳定性特征,二者在工作过程中建立了一种稳定而协调的工作关系。因此, 在定量分析股直肌和股二头肌协调性时,通过股直肌和股二头肌肌电模型的相关性分析来判 断二者协调性的依据。相关系数越高,说明肌电信号越稳定、时序性越好。具体操作方法介 绍如下:
1)肌电幅值和关节角度归一化处理。首先,把一个复步内股二头肌和股四头肌肌电幅值 的连续变化数据求绝对值,然后将一个复步的周期肌电数据150等分, 每一段内取中位数完 成去嗓音和时间归一化处理。同时根据竞走技术动作特点将膝关节角度肌电信号同步,并对 膝关节角按150等分进行上述的时间归一化处理后即可得到了一次单步周期内同步采集的股 直肌和股二头肌肌电数组,可以用一个表2×150的矩阵A,如图示。该操作过程在Excel表格内 完成。
2)建立一个由股直肌和股二头肌组成的肌电数组。按照上述步骤建立一个矩阵后,就建 立了一个包含150个取值点的股直肌(A1)和股二头肌(A2)肌电信号幅值和时间归一化 后的肌电数组。 3)建立股二头肌和股直肌肌电模型。对运动员在三个复步周期内得到的肌电数组进行叠 加平均,本研究一共截取了三个复步,所以将每个复步的肌电数组相加求平均,得到由股二 头肌和股直肌组成的肌电模型, 表示为2×150的矩阵B。
4)肌电数组以及肌电模型之间的相关性分析。肌电数组或肌电模型之间的相关系数,可 以定量描述股直头肌与股二头肌的协调关系。把股直肌与股二头肌肌电数组与肌电模型进行 相关分析,相关系数定义为RAB。与膝角相关分析的方法同上。 求出不同速度下每一个运动员股二头肌和股直肌肌电数组和肌电模型的相关系数,然后将六 名运动员求得的相关系数进行求平均值。计算结果如表1-2。 表1 3.6 m/s速度时股直肌和股二头肌肌电数组与肌电模型平均相 关系数相关系数R复步1 复步2复步3总平均值
表1,表2中数据显示,6名运动员无论在较低速度下还是较高速度下,股直肌和股二 头肌肌电数组与肌电模型平均相关系数在0.7以上,说明股直肌和股二头肌具有较好的协调 性,但是较高速度时的协调性较低速时低,说明二者间的协调性受到了速度的影响,这也与 上面定性分析结果相一致。另外,我们将3.6 m/s速度下,6名运动员之间的肌电模型进行 了相关分析。结果显示,运动员肌电模型之间的相关性较低(平均为r=0.339)。这表 明,运动员在技术动作特征一致的情况下(膝关节的屈与伸),股二头肌和股四头肌在放电 特征上表现出了个体性差异。
以上定性和定量分析肌电信号的结果显示,肌肉积分肌电时序的相关性分析方法是可以 作为量化分析肌肉协调性的手段。
2.2 股直肌和股二头肌的协调性对膝关节角度的影响 在3 .6 m/s和4.3 m/s速度下,6名运动员膝关节角度与肌电模型相关系数较高,分别为0.87 和0.69,说明6名运动员在完成膝关节屈伸这一相同动作中,股直肌和股二头肌发挥了相 同的功能和作用,这也与股直肌和股二头肌解剖学功能相吻合。但是高速下的相关系数明显 小于低速下的,说明股直肌和股二头肌间协调性的下降引起了运动中膝关节角度的变化。
为了明确股直肌与股二头肌之间协调性对膝关节角度影响,分别将运动员在3.6 m/s和4 .3 m/s两个不同速度下,左腿膝关节角度在一个复步内的角度变化进行了对比,如图3(以 运 动员F1为例)。对比发现,运动员在低速和高速下左腿膝角的变化随着技术动作的变化而产 生了一定的差异,其中最为明显的变化是角度曲线发生了“右移”。这一变化,在技术的外 部特征上主要表现为:1)后蹬结束后,3.6 m/s速度时的膝角比4.3 m/s时的小。说明 低速度下,大小腿能够以较小的折叠状态进行后摆,这是竞走技术的经济性和实效性的主要 体现。2)在着地支撑阶段,低速度下的膝角比高速度下大。低速下6名运动员膝角平 均为172.7°,而高速下膝角平均为168.2°。从竞走裁判规则要求可知,前腿从着地瞬间 到垂直位 置必须始终伸直”,而此时,在较高速度运动时膝角的相对下降将对技术判罚不利, 容易形成技术上的犯规。这种技术与股直肌和股二头肌的协调性下降有着相关关系,但是 这种技术变化是否与其它原因有关还有待于今后进一步的研究。
3 结 论
1)本研究采用的对竞走运动中股直肌和股二头肌肌电时序的相关性分析方法是可以作为 一种分析肌肉协调性的手段。
2)竞走速度的提高引起了肌直股和股二头肌的协调性下降。对膝关节技术的影响表现为 :摆动腿在后摆阶段膝关节角度增大、着地时膝关节角减小。
参考文献:
[1] MARILYN A. CAIRNS.A biomechanical analysis of race walking gait [J].Med.Sci.Sports Exerc,1986,18,4:446-453.
[2] 吴剑锋.基于肌电信号的人体下肢运动信息获取技术研究[D].浙江大学博士论文 ,2008.
[3] 雷敏.非线性时间序列分析及其在动作表面肌电信号中的应用研究[D].上海交通 大学博士论文,2006.
[4] 余洪俊.表面肌电图评价肌肉的功能状况[J].中国临床康复,2002(23):3514 -15.
[5] 王健.SEMG信号分析及其应用研究进展[J].体育科学,2000,20(4):56-60.
[6] 杨丹.等长负荷诱发肱二头肌疲劳过程中SEMG信号变化[J].体育与科学.
[7] Wojtys EM, Wylie BB,Huston LJ. The effect of muscle fatigue on neuromuscu larfunction and anterior tibia transition on healthy knees. Am J Sports Med,1996, 24(5):615-621.
关键词:同步肌电;肌肉协调性;竞走;膝关节角度
中图分类号:G804.2 文献标识码:A 文章编 号:1007-3612(2010)09-0049-03
The Coordination of Rectus Femoris and Biceps Femoris andIts Impact on Knee Joint Angle during Race Walking
YU Hongyan1, WANG Weixing2,MAO Lijuan1
(1. Physical Education Department of Shanghai Jiao Tong Univer sity, Shanghai 200030,China; 2. Beijing Sport University, Beijing 1000 84,China)
Abstract: Purpose: To find a method to analyze muscles coordination by synchron ized surface electromyography (SEMG) and its impact on event technique. Method:6 elite 20Km race walkers are selected as the subject of the study. While theyare walking in the 3.6m/s and 4.3m/s respectively, the SEMG signal of rectusfemoris(RF), biceps femoris(BF)and kneel angle in synchronous way are recorded a nd then analyzed by comparing the correlation between RF and BF SEMG signals.Co nclusion: During walking, RF and BF showed the character of coordination, and th e coefficient between kneel angle and SEMG signal is more than 0.70, but the co efficient between six athletes is low(r=0.339).Conclusion: SSEM is an effectiv e method for measuring muscular coordination. 2)There is a coordination betw een BF and RF during the walking of elite race walkers, and it can be decrease i n higher space. The impact is that support leg’s knee joint angle is smaller a nd swinging leg’s knee joint angle is bigger.
Key words: synchronized surface electromyography; muscle coordination; r ace walking; knee angle
协调性是人体重要的一项运动素质之一。如何量化分析运动过程中参与动作完成的肌肉 间的协调性以及肌肉的协调性对运动技术的影响,一直是国内外学者面临的一个难题。本研 究以竞走项目为例, 提出了一种基于同步肌电时序的相关性来分析肌肉协调性的方法,并 进一步探讨了肌肉协调性对运动中膝关节角度的影响。
1 研究对象与方法
1.1 研究对象 以我国6名国际健将级20 km竞走运动员为研究对象。受试者平均年龄(21.5±3.1)岁 ,平均身高(168.7±6.2)cm,体重(58.5±8.5)kg。
1.2 测试方法
1.2.1 股直肌与股二头肌表面肌电测试 表面肌电信号的采集与分析均通过芬兰Mega公司出品的MegaME3000P表面肌电测试系统 获取。ME6000T16采样频率1 000 Hz,共模抑制比(CMRR)值为110 db,最大漂移噪音绝对值≤ 1.6 μV,带通滤波范围8～500 Hz。选用双极Ag/AgC1圆盘电极贴于左腿的股直肌和股二 头肌肌腹。
1.2.2 Qualisys红外远射运动技术测试 采用Qualisys三维高速红外远射运动测试系统,拍摄频率每秒250帧,膝关节标志点的 确定采用的是外侧骨性标志的方法[1],6名运动员分别以3.63 m/s和4. 31 m/s 两种速度进行直线运动。
2 结果与分析
2.1 肌肉协调性的同步肌电分析
2.1.1 定性分析 从股直股和股二头肌的解剖学功能分析,股直肌和股二头肌分别在膝关节的屈和伸的动 作中担当主动肌。竞走是膝关节屈伸交替,连续向前迈进的周期性运动项
投稿日期:2009-12-31
基金项目:国家科技部课题(课题编号2006BAK37B03)。通讯作者:王卫 星。
作者简介:于红妍,讲师,博士,研究方向运动训练与体质健康。
目,所以,从理论上分析,股直肌和股二头肌在膝关节的屈伸动作中建立一种协调的工作关 系。在本研究中,将股直肌与股二头肌在完成三个复步中的积分肌电值按着时间顺序在同一 坐标内进行拟合(以运动员F1为例),可以直观地分析出二块肌肉在协调性方面的建立的工 作关系。
肌二头肌肌电时序图
众多的研究结果已经证明,肌肉的表面积分肌电与肌肉用力程度之间存在高度相关关系 [2-4]。通过运动员肌电对应的同步运动技术图像分析可以看出,左腿股直头肌的 放电 活动从左腿前摆阶段开始逐渐增强,而此时股二头肌几乎处于非活动状态,股二头肌放电幅 度明显增加出现着地支撑至后蹬结束阶段,完成伸大腿功能。在3.6 m/s速度下,左腿后摆 时 相内,二块肌肉匀无明显的放电现象,出现了“共同间歇期”。因此说,在行走过程中,膝 关节表现出屈与伸的外部动作特征,使股直肌和股二头肌肌电信号表现出“一张一弛”交替 放电的特征。当速度提高到4.3 m/s时,股直肌与股二头肌在低速下表现良好的协调性受到 了 影响,例如,在摆动腿在后摆阶段时,股二头肌和股直头肌的共同“间歇期”消失,而且在 不同动作时相,出现了共同放电的放电现象。但是二块肌肉仍表现出了较明显的放电节奏性 和规律性,这一特征为二块肌肉具有协调性特征提供了实证依据。
2.1.2 定量分析 上述分析可以证明,运动过程中,股直肌和股二头肌的积分肌电在时序特征上表现出了 良好的周期性和稳定性特征,二者在工作过程中建立了一种稳定而协调的工作关系。因此, 在定量分析股直肌和股二头肌协调性时,通过股直肌和股二头肌肌电模型的相关性分析来判 断二者协调性的依据。相关系数越高,说明肌电信号越稳定、时序性越好。具体操作方法介 绍如下:
1)肌电幅值和关节角度归一化处理。首先,把一个复步内股二头肌和股四头肌肌电幅值 的连续变化数据求绝对值,然后将一个复步的周期肌电数据150等分, 每一段内取中位数完 成去嗓音和时间归一化处理。同时根据竞走技术动作特点将膝关节角度肌电信号同步,并对 膝关节角按150等分进行上述的时间归一化处理后即可得到了一次单步周期内同步采集的股 直肌和股二头肌肌电数组,可以用一个表2×150的矩阵A,如图示。该操作过程在Excel表格内 完成。
2)建立一个由股直肌和股二头肌组成的肌电数组。按照上述步骤建立一个矩阵后,就建 立了一个包含150个取值点的股直肌(A1)和股二头肌(A2)肌电信号幅值和时间归一化 后的肌电数组。 3)建立股二头肌和股直肌肌电模型。对运动员在三个复步周期内得到的肌电数组进行叠 加平均,本研究一共截取了三个复步,所以将每个复步的肌电数组相加求平均,得到由股二 头肌和股直肌组成的肌电模型, 表示为2×150的矩阵B。
4)肌电数组以及肌电模型之间的相关性分析。肌电数组或肌电模型之间的相关系数,可 以定量描述股直头肌与股二头肌的协调关系。把股直肌与股二头肌肌电数组与肌电模型进行 相关分析,相关系数定义为RAB。与膝角相关分析的方法同上。 求出不同速度下每一个运动员股二头肌和股直肌肌电数组和肌电模型的相关系数,然后将六 名运动员求得的相关系数进行求平均值。计算结果如表1-2。 表1 3.6 m/s速度时股直肌和股二头肌肌电数组与肌电模型平均相 关系数相关系数R复步1 复步2复步3总平均值
表1,表2中数据显示,6名运动员无论在较低速度下还是较高速度下,股直肌和股二 头肌肌电数组与肌电模型平均相关系数在0.7以上,说明股直肌和股二头肌具有较好的协调 性,但是较高速度时的协调性较低速时低,说明二者间的协调性受到了速度的影响,这也与 上面定性分析结果相一致。另外,我们将3.6 m/s速度下,6名运动员之间的肌电模型进行 了相关分析。结果显示,运动员肌电模型之间的相关性较低(平均为r=0.339)。这表 明,运动员在技术动作特征一致的情况下(膝关节的屈与伸),股二头肌和股四头肌在放电 特征上表现出了个体性差异。
以上定性和定量分析肌电信号的结果显示,肌肉积分肌电时序的相关性分析方法是可以 作为量化分析肌肉协调性的手段。
2.2 股直肌和股二头肌的协调性对膝关节角度的影响 在3 .6 m/s和4.3 m/s速度下,6名运动员膝关节角度与肌电模型相关系数较高,分别为0.87 和0.69,说明6名运动员在完成膝关节屈伸这一相同动作中,股直肌和股二头肌发挥了相 同的功能和作用,这也与股直肌和股二头肌解剖学功能相吻合。但是高速下的相关系数明显 小于低速下的,说明股直肌和股二头肌间协调性的下降引起了运动中膝关节角度的变化。
为了明确股直肌与股二头肌之间协调性对膝关节角度影响,分别将运动员在3.6 m/s和4 .3 m/s两个不同速度下,左腿膝关节角度在一个复步内的角度变化进行了对比,如图3(以 运 动员F1为例)。对比发现,运动员在低速和高速下左腿膝角的变化随着技术动作的变化而产 生了一定的差异,其中最为明显的变化是角度曲线发生了“右移”。这一变化,在技术的外 部特征上主要表现为:1)后蹬结束后,3.6 m/s速度时的膝角比4.3 m/s时的小。说明 低速度下,大小腿能够以较小的折叠状态进行后摆,这是竞走技术的经济性和实效性的主要 体现。2)在着地支撑阶段,低速度下的膝角比高速度下大。低速下6名运动员膝角平 均为172.7°,而高速下膝角平均为168.2°。从竞走裁判规则要求可知,前腿从着地瞬间 到垂直位 置必须始终伸直”,而此时,在较高速度运动时膝角的相对下降将对技术判罚不利, 容易形成技术上的犯规。这种技术与股直肌和股二头肌的协调性下降有着相关关系,但是 这种技术变化是否与其它原因有关还有待于今后进一步的研究。
3 结 论
1)本研究采用的对竞走运动中股直肌和股二头肌肌电时序的相关性分析方法是可以作为 一种分析肌肉协调性的手段。
2)竞走速度的提高引起了肌直股和股二头肌的协调性下降。对膝关节技术的影响表现为 :摆动腿在后摆阶段膝关节角度增大、着地时膝关节角减小。
参考文献:
[1] MARILYN A. CAIRNS.A biomechanical analysis of race walking gait [J].Med.Sci.Sports Exerc,1986,18,4:446-453.
[2] 吴剑锋.基于肌电信号的人体下肢运动信息获取技术研究[D].浙江大学博士论文 ,2008.
[3] 雷敏.非线性时间序列分析及其在动作表面肌电信号中的应用研究[D].上海交通 大学博士论文,2006.
[4] 余洪俊.表面肌电图评价肌肉的功能状况[J].中国临床康复,2002(23):3514 -15.
[5] 王健.SEMG信号分析及其应用研究进展[J].体育科学,2000,20(4):56-60.
[6] 杨丹.等长负荷诱发肱二头肌疲劳过程中SEMG信号变化[J].体育与科学.
[7] Wojtys EM, Wylie BB,Huston LJ. The effect of muscle fatigue on neuromuscu larfunction and anterior tibia transition on healthy knees. Am J Sports Med,1996, 24(5):615-621.