王蒙，姚海霞

(內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué) 體育教學(xué)部，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010110)

1 引 言

運(yùn)動(dòng)作為人體核心肌肉高效鍛煉的一種方式，對(duì)人體健康發(fā)展起著重要作用[1]。目前世界體育的整體發(fā)展?fàn)顩r已升級(jí)至相互比較的情形，尤其是運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練方面[2-3]。運(yùn)動(dòng)員的體能訓(xùn)練方式有很多種，關(guān)于上肢肌的訓(xùn)練也有很多。運(yùn)動(dòng)員在進(jìn)行重復(fù)且多種類(lèi)型的上肢肌相關(guān)訓(xùn)練之后，會(huì)對(duì)上肢肌產(chǎn)生一定的影響，造成上肢肌疲勞[4-5]。為了使運(yùn)動(dòng)員更好地完成各項(xiàng)上肢肌訓(xùn)練，并保持一個(gè)良好的身體狀態(tài)，需要對(duì)運(yùn)動(dòng)員上肢肌的疲勞特征進(jìn)行分析，以便更好地控制運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練量和訓(xùn)練技巧。

運(yùn)動(dòng)員疲勞損傷相關(guān)研究成果很多。吳放[6]等人的研究中，根據(jù)分層抽樣法對(duì)249名足球運(yùn)動(dòng)員整體損傷狀態(tài)進(jìn)行調(diào)查，并通過(guò)T檢驗(yàn)以及Logistic回歸模型對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該法能夠在一定程度上得到運(yùn)動(dòng)員損傷現(xiàn)狀，并得到耐力素質(zhì)等損傷風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，但研究結(jié)果與實(shí)際情況吻合度較低。史衍[7]等人以得到柔道運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)損傷特征以及引發(fā)的原因?yàn)槟康?，采用三維運(yùn)動(dòng)模擬系統(tǒng)分析2014年國(guó)家柔道運(yùn)動(dòng)員損傷概況和特征與致傷因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法穩(wěn)定性較好，但分析方法能耗較高。王立端[8]等人選擇8名羽毛球運(yùn)動(dòng)員在疲勞之后進(jìn)行向左、向右蹬跨步，并對(duì)比疲勞之前和之后腿著地階段足底壓力信息數(shù)據(jù)。該方法整體運(yùn)行過(guò)程較為簡(jiǎn)單，計(jì)算復(fù)雜度較低，但研究結(jié)果與實(shí)際情況吻合度較低。

鑒于當(dāng)前運(yùn)動(dòng)員身體疲勞的特征相關(guān)分析方法存在的問(wèn)題，提出基于表面肌電的運(yùn)動(dòng)員上肢肌疲勞特征分析方法。

2 運(yùn)動(dòng)員上肢肌疲勞特征分析

2.1 運(yùn)動(dòng)員上肢肌肌電信號(hào)采集記錄

關(guān)于肌電信號(hào)的采集：通過(guò)雙電極引導(dǎo)法對(duì)sEMG信號(hào)進(jìn)行記錄。其中，電極會(huì)依據(jù)芬蘭的Mega Win軟件自身帶有的功能，對(duì)運(yùn)動(dòng)員上肢肌各個(gè)部分信號(hào)進(jìn)行收集。電極間距3 cm，在此間距下按要求貼放參照的電極。使用Mega公司的肌電采集盒采集sEMG信號(hào)，將信號(hào)采樣頻率設(shè)置為1 000 Hz，信號(hào)采集完畢之后通過(guò)Mega Win軟件傳輸至計(jì)算機(jī)。

2.2 表面肌電下運(yùn)動(dòng)員上肢肌疲勞特征分析

根據(jù)計(jì)算機(jī)分析，得到肌電圖信號(hào)為一維的時(shí)間序列信號(hào)。此種肌電信號(hào)的特征指的是運(yùn)動(dòng)肌疲勞之后，表面肌電信號(hào)就會(huì)有與之相應(yīng)的活動(dòng)，該種現(xiàn)象是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員肌肉神經(jīng)控制產(chǎn)生的結(jié)果，其與肌肉運(yùn)動(dòng)方式等因素有關(guān)[9-10]。

時(shí)域能夠反映運(yùn)動(dòng)員上肢肌表面肌電信號(hào)隨著時(shí)間變化產(chǎn)生的特征，其包括肌肉的積分肌電水平和平均振幅等指標(biāo)[11]。時(shí)域分析中包含積分肌電，即iEMG和均方根振幅，即RMS。iEMG為肌肉參與運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，肌電儀器采集的肌電信號(hào)中包含肌電圖生成的面積，其可以詳細(xì)反映出某段時(shí)間內(nèi)肌肉狀況。X(t)一維肌電圖時(shí)間序列信號(hào)集合x(chóng)(t){x1,x2，x3...xt}求取，式(1)為積分肌電iEMG表達(dá)式：

(1)

式(1)中，N1代表積分的起點(diǎn)，N2代表積分的終點(diǎn)。

均方根振幅代表肌肉在運(yùn)動(dòng)時(shí)，肌電放電的平均值。研究表明，該現(xiàn)象可能和運(yùn)動(dòng)數(shù)量以及肌肉纖維放電有關(guān)[12-13]。假設(shè)僅有一段時(shí)間內(nèi)均方根值，并不一定可以完全表達(dá)出運(yùn)動(dòng)員肌肉積分肌電詳細(xì)形態(tài)和變化趨勢(shì)，這時(shí)必須重新標(biāo)定疲勞強(qiáng)度取值。均方根振幅表達(dá)式見(jiàn)式(2)：

(2)

式(2)中，N代表采樣的點(diǎn)數(shù)，i代表振動(dòng)系數(shù)，Xi代表采樣之后每點(diǎn)肌電幅值。經(jīng)多數(shù)研究結(jié)果可知，肌肉在疲勞時(shí)RMS會(huì)增強(qiáng)。

頻域分析是觀察肌肉于運(yùn)動(dòng)時(shí)生成的肌電信號(hào)頻率特征，也可以稱(chēng)為頻譜分析。頻譜特征主要包含平均功率頻率和中心頻率。其中，平均功率頻率MPF計(jì)算公式見(jiàn)式(3)：

(3)

式(3)中，f代表功率，df代表頻率分辨率，S(f)代表功率譜曲線。

中心頻率Fc為將功率譜劃分成面積相同的兩個(gè)頻率域，即將能量普能量劃分成兩個(gè)頻率值。相關(guān)研究表明，隨運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)，中心頻率值有遞減現(xiàn)象。中心頻率計(jì)算表達(dá)式為：

(4)

式(4)中，F(xiàn)S代表信號(hào)起始頻率，F(xiàn)e代表信號(hào)終止頻率。

通過(guò)時(shí)域和頻域兩方面的計(jì)算，可有效提升運(yùn)動(dòng)員上肢肌疲勞特征分析的準(zhǔn)確性。

根據(jù)上述分析與計(jì)算，將觀察指標(biāo)設(shè)置為：比較運(yùn)動(dòng)開(kāi)始與最后運(yùn)動(dòng)員上肢肌RMS、MPF、Fc，RMS、MPF、Fc，運(yùn)動(dòng)員上肢肌疲勞之間的關(guān)系。

利用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析法將運(yùn)動(dòng)員運(yùn)行過(guò)程中的多余動(dòng)作去除，以此降低運(yùn)動(dòng)員上肢肌疲勞特征分析能耗[14-15]。在該階段檢測(cè)時(shí)域、頻域值差異性，需要通過(guò)獨(dú)立樣本檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)完成。上述研究數(shù)據(jù)使用SPSS軟件實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證基于表面肌電的運(yùn)動(dòng)員上肢肌疲勞特征分析方法的整體性能，對(duì)上肢肌中最大肌力不同負(fù)荷下手腕屈肌和伸肌表層肌電信號(hào)的平均功率頻率和中心頻率的關(guān)系進(jìn)行比較，并分別利用不同方法在分析結(jié)果與實(shí)際情況吻合度、分析能耗方面進(jìn)行對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)中，選擇10名身體健康的體校運(yùn)動(dòng)員，其中，男運(yùn)動(dòng)員5名，女運(yùn)動(dòng)員5名。實(shí)驗(yàn)對(duì)象在實(shí)驗(yàn)之前的兩周沒(méi)有激烈的活動(dòng)，且上肢肌無(wú)肌肉損傷。經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象同意后進(jìn)行上肢肌疲勞測(cè)試。表1為運(yùn)動(dòng)員測(cè)量指標(biāo)。

表1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象測(cè)量指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)對(duì)象保持直立，重復(fù)上肢肌運(yùn)動(dòng)，每次2 min，一共4組。利用肌電采集盒采集運(yùn)動(dòng)員上肢肌表面肌電數(shù)據(jù)。

上肢肌中最大肌力不同負(fù)荷下手腕屈肌和伸肌表層肌電信號(hào)sEMG的平均功率頻率MPF、中心頻率Fc關(guān)系比較，見(jiàn)圖1。

(a)

(b)

(c)

(d)圖1 最大肌力不同負(fù)荷下手腕屈肌和伸肌sEMG的MPF、Fc關(guān)系比較

(a).最大肌力不同負(fù)荷下手腕屈肌sEMGFc產(chǎn)生的變化；(b).最大肌力不同負(fù)荷下手腕伸肌sEMGFc產(chǎn)生的變化；(c).最大肌力不同負(fù)荷下手腕屈肌sEMGMPF產(chǎn)生的變化；(d).最大肌力不同負(fù)荷下手腕伸肌sEMGMPF產(chǎn)生的變化

Fig1ComparisonoftheaveragepowerfrequencyandcenterfrequencyofwristflexorandextensorsEMGunderdifferentloadsofmaximummusclestrength

由圖1可知，運(yùn)動(dòng)員上肢肌最大肌力不同負(fù)荷下手腕屈肌和伸肌sEMG的MPF、Fc在時(shí)間不斷增加情況下明顯有下降趨勢(shì)。

圖2為4組，即四個(gè)階段肱二頭肌和三角肌以及斜方肌變動(dòng)。

從圖3中可明顯看出基于表面肌電的運(yùn)動(dòng)員上肢肌疲勞特征分析方法耗時(shí)0.6 h時(shí)，耗能達(dá)到83 nJ/bit，文獻(xiàn)[7]方法耗時(shí)0.6 h，耗能達(dá)到115 nJ/bit。由此可見(jiàn)，基于表面肌電的運(yùn)動(dòng)員上肢肌疲勞特征分析方法分析能耗較低，相較當(dāng)前方法魯棒性更強(qiáng)。

(a)

(b)

(c)

(d)圖2 四個(gè)階段肱二頭肌和三角肌以及斜方肌變動(dòng)

(a).第一階段肱二頭肌和三角肌以及斜方肌變動(dòng)；(b).第二階段肱二頭肌和三角肌以及斜方肌變動(dòng)；(c).第三階段肱二頭肌和三角肌以及斜方肌變動(dòng)；(d).第四階段肱二頭肌和三角肌以及斜方肌變動(dòng)

Fig2Fourstagesofbicepsanddeltoidmusclesand

trapeziusmusclechanges

由圖2可知，肱二頭肌出現(xiàn)了一次疲勞情況，三角肌和斜方肌出現(xiàn)了兩次疲勞。在實(shí)驗(yàn)中，所有上肢肌未出現(xiàn)負(fù)荷減少的狀況。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為matlab，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取上述研究數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

(a)

(b)圖3 不同方法分析能耗對(duì)比 (a).文獻(xiàn)[7]方法分析能耗； (b).基于表面肌電的運(yùn)動(dòng)員上肢肌疲勞特征分析能耗Fig 3 Compares the energy consumption of different methods

表2中，Q0代表測(cè)試人數(shù)，Q1代表文獻(xiàn)[6]方法分析結(jié)果與實(shí)際情況吻合度，Q2代表文獻(xiàn)[8]方法分析結(jié)果與實(shí)際情況吻合度，Q3代表基于表面肌電的運(yùn)動(dòng)員上肢肌疲勞特征分析方法分析結(jié)果與實(shí)際情況吻合度。

表2 不同方法分析結(jié)果與實(shí)際情況吻合度對(duì)比

分析表2，文獻(xiàn)[6]方法和文獻(xiàn)[8]方法分析結(jié)果與實(shí)際情況吻合度均值分別為69.7和73.84，即分析準(zhǔn)確性較差?；诒砻婕‰姷倪\(yùn)動(dòng)員上肢肌疲勞特征分析方法分析結(jié)果與實(shí)際情況吻合度均值為98.4，說(shuō)明此方法通過(guò)表面肌電研究中的時(shí)域與頻域相關(guān)參量作為運(yùn)動(dòng)員上肢肌疲勞特征分析的依據(jù)，有效提升了分析準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)動(dòng)員長(zhǎng)期在各種負(fù)荷下進(jìn)行訓(xùn)練，容易出現(xiàn)上肢肌疲勞的現(xiàn)象，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)引發(fā)慢性損傷。針對(duì)當(dāng)前相關(guān)研究存在的問(wèn)題，提出基于表面肌電的運(yùn)動(dòng)員上肢肌疲勞特征分析方法。通過(guò)肌電信號(hào)采集和時(shí)域、頻域研究完成運(yùn)動(dòng)員上肢肌疲勞特征進(jìn)行分析。本研究方法在分析準(zhǔn)確性和能耗方面性能優(yōu)于當(dāng)前方法，可為該領(lǐng)域研究奠定基礎(chǔ)。上肢肌只是運(yùn)動(dòng)員身體的一部分，下一步可針對(duì)運(yùn)動(dòng)員身體的其他部分疲勞特征進(jìn)行分析；表面肌電是分析身體疲勞特征中比較高效的方法之一，下一步可分別利用不同方法對(duì)運(yùn)動(dòng)員身體不同部分疲勞特征進(jìn)行分析，以拓寬該領(lǐng)域的研究范圍。