表面肌電在體育科學(xué)研究領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展

李圓圓，張萬壽，陳 麗

(淮南師范學(xué)院體育學(xué)院, 安徽淮南 232000)

表面肌電在體育科學(xué)研究領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展

李圓圓，張萬壽，陳 麗

(淮南師范學(xué)院體育學(xué)院, 安徽淮南 232000)

肌電是唯一一個(gè)能連接神經(jīng)系統(tǒng)，并直接反映運(yùn)動(dòng)中肌肉收縮的電信號(hào)載體。本文主要運(yùn)用文獻(xiàn)資料法對(duì)表面肌電在體育科學(xué)研究領(lǐng)域中的應(yīng)用作一個(gè)簡要的回顧，從而了解肌肉收縮時(shí)神經(jīng)-肌肉的工作機(jī)制。研究結(jié)果表明：表面肌電技術(shù)涉足體育科學(xué)領(lǐng)域的研究雖尚處初級(jí)階段，但應(yīng)用極為廣泛，主要表現(xiàn)為用于評(píng)定肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的疲勞、肌電與肌力的關(guān)系、肌肉活動(dòng)的協(xié)調(diào)性與貢獻(xiàn)度以及運(yùn)動(dòng)選材等領(lǐng)域。

表面肌電；神經(jīng)-肌肉系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞；肌電疲勞域；肌電-肌力關(guān)系；肌肉活動(dòng)協(xié)調(diào)性

表面肌電信號(hào)是通過表面電極引導(dǎo)記錄下來的神經(jīng)肌肉活動(dòng)的一維時(shí)間序列信號(hào), 其變化與參與活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)單位數(shù)量﹑活動(dòng)模式和代謝狀態(tài)等因素有關(guān), 它能夠?qū)崟r(shí)﹑準(zhǔn)確地記錄肌肉在安靜和隨意收縮狀態(tài)下的各種電生理特性，因而在一定程度上能反映出神經(jīng)-肌肉的活動(dòng)特征，且操作起來簡便易行,對(duì)技術(shù)動(dòng)作的干擾小，具有不可替代的優(yōu)勢。

表面肌電技術(shù)如今已被廣泛應(yīng)用于臨床學(xué)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、現(xiàn)代康復(fù)學(xué)等各領(lǐng)域，此外它還被廣泛應(yīng)用于體育科學(xué)研究領(lǐng)域，如短跑測試、振顫訓(xùn)練測試、儀器的性能比較等，關(guān)于肌電的研究在國外可以追溯到17世紀(jì)，而國內(nèi)則起步相對(duì)較晚，以下主要是對(duì)近年來一些研究者們針對(duì)表面肌電在體育科學(xué)領(lǐng)域所作研究的歸納。

1 表面肌電在體育科學(xué)研究領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)展

1.1 運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞的電生理學(xué)評(píng)定

運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞特指肌肉在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生最大隨意收縮力量而造成輸出功率暫時(shí)性下降的生理現(xiàn)象。這種疲勞多產(chǎn)生于短時(shí)、高強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)中，當(dāng)然低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)如果長時(shí)間維持也會(huì)產(chǎn)生。因此，在工作環(huán)境中對(duì)肌肉疲勞的識(shí)別很重要，這對(duì)于體育運(yùn)動(dòng)，尤其是競技體育來說，延遲和減緩疲勞的產(chǎn)生無疑是眾多教練員和運(yùn)動(dòng)員所期望的。然而，因其產(chǎn)生機(jī)理涉及中樞神經(jīng)系統(tǒng)、外周神經(jīng)系統(tǒng)、肌肉的能量代謝等多種生理過程，其分析非常復(fù)雜。但值得一提的是，表面肌電信號(hào)特征的形成和變化與肌肉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的生理疲勞之間存在著不同程度的因果關(guān)系。

1.1.1 運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞的產(chǎn)生機(jī)制及鑒別方法

關(guān)于運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞的產(chǎn)生機(jī)制有如下解釋：(1)快肌運(yùn)動(dòng)單位在運(yùn)動(dòng)過程中往往易產(chǎn)生疲勞；(2)肌肉疲勞時(shí)伴隨肌內(nèi)壓升高，會(huì)使血流受阻，從而引起肌膜興奮、傳導(dǎo)速度降低；(3)肌肉收縮時(shí)血流受阻，還會(huì)造成乳酸堆積，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)單位傳導(dǎo)速度降低等[1-2]。

目前，對(duì)運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞的鑒別研究著重于對(duì)振幅和頻率特征的分析，其中振幅代表時(shí)域指標(biāo)，頻率代表頻域指標(biāo)。大量研究表明：肌肉在運(yùn)動(dòng)至疲勞產(chǎn)生的過程中，其表面肌電(以下簡稱sEMG)的振幅會(huì)逐漸增加，而平均功率頻率(MPF)則會(huì)下降。更有研究發(fā)現(xiàn)，后者作為疲勞的研究指標(biāo)更為可信。王奎等(2004)在其關(guān)于運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞的研究中比較了兩個(gè)常用的指標(biāo)。結(jié)果表明，與時(shí)域指標(biāo)相比，頻域指標(biāo)有如下幾種優(yōu)勢：(1)在肌肉疲勞產(chǎn)生過程中二者均呈明顯的直線遞減型變化，但時(shí)域指標(biāo)的變化不夠穩(wěn)定；(2)頻域指標(biāo)時(shí)間序列曲線的斜率與負(fù)荷持續(xù)時(shí)間相關(guān)度明顯，而時(shí)域指標(biāo)的相關(guān)度并不明顯；(3)頻域指標(biāo)時(shí)間序列曲線的斜率不受肢體圍度和皮下脂肪厚度的影響，而時(shí)域指標(biāo)則易受影響[3]。又如王瑞元等以不同速度、不同負(fù)荷對(duì)肱二頭肌進(jìn)行收縮實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)無論是快速收縮還是慢速收縮，肱二頭肌在疲勞前后的積分肌電(iEMG)均沒有明顯差異；而不論負(fù)荷大小，疲勞時(shí)的MPF都會(huì)下降[4]。此外，邱龍潛等也觀察了肱二頭肌在等速運(yùn)動(dòng)負(fù)荷下工作至力竭時(shí)的sEMG特征，再次證明iEMG和RMS(均方根振幅)在疲勞過程中的時(shí)間序列曲線的斜率變化缺乏較好的一致性，而頻域指標(biāo)中的MPF則明顯下降[5]。

上述關(guān)于運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞評(píng)定的研究發(fā)現(xiàn)，時(shí)域和頻域兩種分析指標(biāo)都很有效，尤其是頻域分析更為真實(shí)可信，此外相關(guān)研究者通過實(shí)驗(yàn)還證實(shí)了肌纖維的傳導(dǎo)速度也和肌肉疲勞直接相關(guān)[6-7]。

1.1.2 運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞與肌肉的收縮形式

研究表明，sEMG的平穩(wěn)特性除了與肌肉收縮的速度、力量、角度及肌纖維類型等因素有關(guān)，最重要的是還與肌肉的收縮形式有關(guān)，研究者普遍認(rèn)為：靜力性等長收縮時(shí)，因肌電信號(hào)的平穩(wěn)性，較為適用于頻域分析法；而動(dòng)力性等張收縮時(shí)，由于肌肉長度及關(guān)節(jié)角度都會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，肌電信號(hào)表現(xiàn)為非平穩(wěn)性，研究結(jié)果很難統(tǒng)一，這一點(diǎn)在很多文獻(xiàn)中已經(jīng)得到證實(shí)。如Jansen通過研究12個(gè)健康受試者在功率自行車上完成遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)的測試時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：多數(shù)受試者在等長收縮中股外側(cè)肌中頻(MF)沒有下降，反而略有增加，由此作者認(rèn)為等長收縮中MF普遍下降的規(guī)律并不適用于動(dòng)力性運(yùn)動(dòng)。又如Tesch等比較了股外側(cè)肌和股直肌分別在離心收縮和向心收縮階段的肌電特性，結(jié)果表明它們的iEMG在向心收縮階段均高于離心收縮階段[9]。動(dòng)力性工作狀態(tài)下EMG結(jié)果多樣性，其詳細(xì)機(jī)制還有待于今后進(jìn)一步的研究確定。

1.1.3 關(guān)于“肌電疲勞域”的探討

到目前為止，對(duì)運(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞的研究相對(duì)較多，然而仍有很多學(xué)者在繼續(xù)進(jìn)行這項(xiàng)工作，為進(jìn)一步定量認(rèn)識(shí)疲勞，已經(jīng)有人提出“肌電疲勞域”這一概念，Matsumoto等通過讓21名女受試者在60s內(nèi)分別完成150W、200W等不同強(qiáng)度的踏車運(yùn)動(dòng)，結(jié)果表明：股外肌的iEMG與運(yùn)動(dòng)時(shí)間呈直線相關(guān)，且iEMG曲線的斜率與負(fù)荷強(qiáng)度間亦呈直線相關(guān)，由此確定肌電疲勞域的值與受試者的通氣無氧閾的值存在明顯統(tǒng)計(jì)相關(guān)，因此，Matsumoto認(rèn)為應(yīng)用sEMG可以對(duì)機(jī)體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的疲勞閾值作出準(zhǔn)確的檢測[10]。此外，Jarek Maestu等通過對(duì)9名國家級(jí)水平的男性賽艇運(yùn)動(dòng)員在賽艇測功儀上分別進(jìn)行的500m、1000m、2000m全力劃槳實(shí)驗(yàn)，并在測試中對(duì)股外肌的耗氧量、平均功率、iEMG進(jìn)行了記錄，發(fā)現(xiàn)與上述研究一致的結(jié)果，證明出EMGT與有氧和無氧環(huán)境的轉(zhuǎn)變是緊密關(guān)聯(lián)的，但二者與NMFT并不相關(guān)，同時(shí)因?yàn)镹MFT代表了肌肉的局部疲勞累積，因此，這提示我們可用它來預(yù)測運(yùn)動(dòng)員尤其是高水平運(yùn)動(dòng)員的耐力機(jī)能，通過對(duì)NMFT概念的深入研究，運(yùn)動(dòng)員可更加集中注意力在無氧能力或是耐力能力的訓(xùn)練上[11]。

1.2 肌電與肌力的關(guān)系

sEMG能夠確定肌力的大小主要基于振幅。關(guān)于肌肉張力與振幅之間的關(guān)系研究很早就已開始，只是研究結(jié)果一直存在爭議。多數(shù)研究者認(rèn)為，iEMG與肌力之間呈高度相關(guān)，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)肌肉在以不同張力進(jìn)行等長收縮時(shí)，肌力與肌電之間呈線性關(guān)系，即使肌肉疲勞后這種關(guān)系依然存在，如Strokes從10%～75%的MVC等長收縮與EMG振幅之間的關(guān)系中發(fā)現(xiàn)：肌肉疲勞后EMG的振幅與力量大小仍呈線性關(guān)系[12]。也有研究者認(rèn)為iEMG和張力之間根本不成線性關(guān)系，如Chaffin研究發(fā)現(xiàn)：以最大肌力的40%以下和最大肌力的60%以上的強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)，肌電與肌力呈線性關(guān)系，而在此區(qū)間的強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)時(shí)不存在線性關(guān)系[13]。

對(duì)于二者之間的關(guān)系，也有研究表明兩種立場都是正確的。研究認(rèn)為：在小肌群中，對(duì)運(yùn)動(dòng)單位的募集只限于較小的力量，且放電率又具有較大的動(dòng)態(tài)范圍，因此，二者關(guān)系表現(xiàn)為線性，而在大肌群中則反之，運(yùn)動(dòng)單位的募集往往需要較大的力量，且放電率的動(dòng)態(tài)范圍又較小，因此，又呈現(xiàn)出相對(duì)的非線性關(guān)系[14]。Gary Kamen對(duì)此也持同樣的觀點(diǎn)，指出肌肉收縮時(shí)總是先募集較小的運(yùn)動(dòng)單位，而較大的運(yùn)動(dòng)單位隨著力量增長的需要會(huì)被募集，因此，肌電-力量的這種線性關(guān)系主要是建立在等長收縮實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的[15]。

以上主要是對(duì)肌電振幅與肌力之間的關(guān)系探討，而對(duì)肌電頻率與肌力之間的關(guān)系探討則較少。Hagberg and Ericson研究指出：肌電頻率與肌力之間的關(guān)系常常是非線性的，一般來說，肌力增加到MVC的約20%～30%時(shí)，爆發(fā)力的平均值和中間值就會(huì)快速增加[17]。Bilodean等通過不同形式的靜態(tài)負(fù)荷測試，探討了肱三頭肌和肘肌在10%～80%MVC范圍內(nèi)的MPF和MF的變化,結(jié)果發(fā)現(xiàn)MPF和MF的數(shù)值不受靜態(tài)負(fù)荷形式的影響,卻易受張力的影響，在不同張力條件下的變化模式是有差異的[18]。Bilodean等在此后的研究中也得出同樣的結(jié)論[19]。

鑒于上述各種研究結(jié)論，關(guān)于肌電和肌力之間的關(guān)系探討依然沒有定性和定量認(rèn)識(shí)，這可能與現(xiàn)有的技術(shù)有一定關(guān)系，表面電極經(jīng)常會(huì)因?yàn)樵胍舻母蓴_而產(chǎn)生串?dāng)_，且因?yàn)樾盘?hào)的微弱，對(duì)于深層肌肉或小肌肉的信號(hào)記錄也很困難。此外，已建立的運(yùn)動(dòng)單位動(dòng)作電位(MUAPs)的圖形也會(huì)隨著電極位置的改變而改變。但是對(duì)肌電-力量關(guān)系的分析評(píng)價(jià)可能還需要考慮參與肌肉本身的特性，包括肌肉收縮的形式，參與肌肉的大小，參與收縮的肌纖維類型，各種肌肉或肌群在運(yùn)動(dòng)中扮演的角色等。不僅如此，sEMG信號(hào)還會(huì)受皮下脂肪的厚度、肌肉的血液循環(huán)、鈉離子變化等的影響。如Dowling的研究發(fā)現(xiàn)：在反復(fù)收縮期間，因?yàn)樯婕凹∪鉁囟然蚱诘淖兓‰?力量關(guān)系也會(huì)被改變[20]。因此，隨著科學(xué)的不斷探索，新技術(shù)的不斷應(yīng)用，未來關(guān)于肌電-力量關(guān)系的研究將會(huì)有全新的解釋，或許研究者應(yīng)該針對(duì)上述各種因素的影響，實(shí)施個(gè)案評(píng)估，而非制定一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 肌肉運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性與貢獻(xiàn)度

肌肉運(yùn)動(dòng)從訓(xùn)練學(xué)的角度來說屬于運(yùn)動(dòng)技術(shù)的問題，從生理學(xué)角度來說則屬于肌肉之間工作的協(xié)調(diào)性問題。通過sEMG圖可以很好地評(píng)定肌肉是否參與運(yùn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱、運(yùn)動(dòng)的時(shí)長以及肌肉間的協(xié)調(diào)模式等，并通過一定的量化研究，能夠有效說明肌肉在某個(gè)動(dòng)作中起主要作用還是次要作用。這些對(duì)于運(yùn)動(dòng)技術(shù)的提高都是至關(guān)重要的。

劉邦忠等運(yùn)用sEMG圖觀察上肢在完成快速前屈、外展及后伸時(shí)最長肌、多裂肌、腰髂肋肌及三角肌的肌電信號(hào)，并將各椎旁肌分別與三角肌收縮的潛伏期之差值進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)椎旁肌群中多裂肌反應(yīng)最快，最先起作用，其對(duì)腰椎的穩(wěn)定性發(fā)揮著重要作用，這為治療慢性腰痛提供了理論依據(jù)[21]。而劉建紅，王奎等通過對(duì)賽艇運(yùn)動(dòng)員在測功儀上進(jìn)行的不同強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的測試研究，同步記錄了股直肌、肱二頭肌及背闊肌的肌電變化，并進(jìn)行iEMG值的定量分析，結(jié)果表明：(1)遞增負(fù)荷運(yùn)動(dòng)中，各測試肌肉的iEMG值均隨運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增加而增加。(2)其iEMG值在總iEMG值的百分比中，背闊肌比例最大，股直肌最小，這種量化比較反映了各塊肌肉在運(yùn)動(dòng)中的貢獻(xiàn)度大小[22]。范年春在關(guān)于跳深練習(xí)的彈性能利用及其表面肌電特征的研究中，也涉及對(duì)肌肉運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性與神經(jīng)控制的分析，結(jié)果表明：肌肉的活動(dòng)順序是隨著所作用的關(guān)節(jié)由遠(yuǎn)到近依次活動(dòng)。在整個(gè)跳深過程中股四頭肌都有較強(qiáng)的肌電活動(dòng)，顯示了股四頭肌在整個(gè)運(yùn)動(dòng)中的重要性[23]。Raymond等于2007年也作了一項(xiàng)關(guān)于6分鐘賽艇持續(xù)劃槳全過程的肌肉募集模式的評(píng)估研究，通過將奧運(yùn)會(huì)運(yùn)動(dòng)員和省隊(duì)運(yùn)動(dòng)員以及青年組運(yùn)動(dòng)隊(duì)作了相關(guān)比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：奧運(yùn)會(huì)運(yùn)動(dòng)員相比其他運(yùn)動(dòng)員在劃槳過程中能更為有效、有序地募集所需肌肉，從而使得賽艇劃槳的全過程中所需肌肉都能達(dá)到最有效的利用，且至疲勞的時(shí)間能延遲到最長[24]。這同樣為我們在今后的研究中作了更為細(xì)致的鋪墊。

1.4 肌纖維類型判定和運(yùn)動(dòng)選材

除上述用于評(píng)定肌肉活動(dòng)的協(xié)調(diào)性與貢獻(xiàn)度之外，sEMG圖還可以直接用來判定肌纖維類型。根據(jù)二者的動(dòng)作電位圖形，快肌纖維收縮產(chǎn)生動(dòng)作電位的時(shí)間往往比相應(yīng)的慢肌纖維更早一些，且快肌收縮產(chǎn)生的振幅也比慢肌更大一些，只是快肌更易疲勞。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)性肌肉疲勞與肌電信號(hào)的頻域特性二者之間的關(guān)系是高度相關(guān)的，快肌纖維成分高者，MPF也較高，在疲勞產(chǎn)生時(shí)頻率會(huì)明顯下降，而慢肌纖維成分高者則一般沒有此現(xiàn)象。

此外，sEMG圖還可以用來評(píng)定運(yùn)動(dòng)員的肌肉訓(xùn)練程度，對(duì)運(yùn)動(dòng)選材起著十分重要的作用，有研究表明：無訓(xùn)練者因動(dòng)作完成的不穩(wěn)定性，其不該參與活動(dòng)的肌肉在運(yùn)動(dòng)中往往也參與了作用，會(huì)產(chǎn)生雜亂的放電現(xiàn)象，而訓(xùn)練程度較高的運(yùn)動(dòng)員因動(dòng)作完成的熟練性，肌肉放電整齊，因此具有一定的規(guī)律性。周越曾對(duì)24名專業(yè)隊(duì)田徑運(yùn)動(dòng)員、30名業(yè)余體校田徑運(yùn)動(dòng)員和30名普通中學(xué)生進(jìn)行各種形式的縱跳測試，在研究中發(fā)現(xiàn)：在增加下肢工作負(fù)荷的過程中，運(yùn)動(dòng)員的對(duì)抗肌協(xié)調(diào)水平往往高于普通學(xué)生，且男運(yùn)動(dòng)員膝關(guān)節(jié)的伸肌群是以提高效率為主，而女運(yùn)動(dòng)員則以提高肌肉的募集數(shù)量為主，這為運(yùn)動(dòng)員的科學(xué)選材提供了理論支持[25]。此外，受試者的年齡、性格特征也會(huì)影響運(yùn)動(dòng)員的EMG特征。

2 結(jié)語

綜上所述，關(guān)于sEMG在體育科學(xué)領(lǐng)域的研究尚處于初探階段，為更好地服務(wù)于體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，今后應(yīng)在以下幾方面作出更多的努力：(1)更加致力于如何提高采集設(shè)備的性能，完善肌電信號(hào)的采集技術(shù)以及濾波技術(shù)等工作，研發(fā)更為先進(jìn)方便的設(shè)備。(2)sEMG研究將更好地貫穿于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域，如在運(yùn)動(dòng)中測量肌電信號(hào)的同時(shí)，尋求測力臺(tái)的同步，二者結(jié)合從而更科學(xué)地解釋體育運(yùn)動(dòng)中的各種現(xiàn)象。(3)sEMG研究將更為細(xì)致深入，以至于具體到單個(gè)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目上，從而尋找類似項(xiàng)目的肌電共有規(guī)律以及探索同一肌肉或肌群在不同類型運(yùn)動(dòng)中的神經(jīng)控制機(jī)制，以期尋求更為科學(xué)、合理的訓(xùn)練手段，使得某些肌肉的肌纖維類型通過訓(xùn)練轉(zhuǎn)化為專項(xiàng)運(yùn)動(dòng)中所需的肌纖維。

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The Application Progress of Surface Electromyography in the Research Field of Science of Sports

LI Yuan-yuan ,ZHANG Wan-shou ，CHEN Li

(Huainan Normal University, Huainan Anhui 232000,China)

EMG is the only one that can be connected with the nervous system, and can reflect the signal carrier directly during muscle contraction. In this paper, by using the method of literature we make a brief review on the application of surface electromyography in the research field of science of sports, in order to understand the working mechanism of the nerve-muscle system. Results showed that: Study of surface electromyography technology involved in science of sports was still in primary stage,but the application was extremely extensive, mainly as follows: used for fatigue evaluation of muscle movement, the relationship between EMG and muscle strength, muscle coordination of activities and contribution degree and the selection of athletes etc.

sEMG；nerve-muscle system；muscle fatigue；electromyography fatigue domain；relationship between EMG and muscle strength； coordination of muscle activity

2014-05-18

李圓圓(1986- )，女，安徽宣城人，淮南師范學(xué)院體育學(xué)院助教，碩士，從事運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)研究。

G80

A

2095-7602(2014)04-0091-05