基于表面肌電技術的籃球護臂壓力舒適性分析

王廣立，方麗英

(1．浙江理工大學 服裝學院，浙江 杭州 310018; 2． 浙江理工大學 國際教育學院，浙江 杭州 310018)

籃球運動中手臂發(fā)揮著至關重要的作用，既能維持身體平衡、保證技術動作高質(zhì)量完成，又能擴大防守面積、增加進攻的攻擊性[1]。但是激烈的籃球比賽也容易使手臂受到運動損傷，如肌肉酸痛、關節(jié)疼痛、擦傷劃傷等。為探究籃球運動中手臂的損傷原因和解決方案，陸海勇[2]在一項籃球運動損傷調(diào)查中發(fā)現(xiàn)肌肉疲勞和負荷過大是肌肉損傷的主要原因。而緊身服裝可以給予肌肉一定的服裝壓，進而調(diào)節(jié)血液循環(huán)，減少血乳酸和多余的肌肉震顫，達到減緩肌肉疲勞的效果[3-5]。然而，當服裝壓力過高時，為了維持運動效果，機體本身會增加耗氧量，使局部毛細血管的微循環(huán)變慢，肌肉的供氧量不足，從而加速疲勞進程[6]。

籃球運動護臂是指包裹在手臂上的一種緊身護具服裝，既能防止運動過程中的抓傷、擦傷，又能壓縮肌肉，減緩肌肉疲勞，降低手臂損傷的概率?；@球運動員在選擇護臂時，除了關注護臂的防護功能外，其服裝壓力舒適性也是不可忽視的重要因素之一。然而經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，市場上籃球護臂的型號規(guī)格劃分存在諸多問題，對護臂功能性評判也沒有嚴格標準，消費者很難買到兼顧舒適性和功能性的籃球護臂。因此，研究籃球護臂的服裝壓力，使之在服裝舒適性與減緩肌肉疲勞的功能性之間達到平衡，是目前護臂市場上亟待解決的關鍵問題。在護臂等緊身服裝領域中，表面肌電技術(suface electorcmyography,sEMG)是檢測肌肉疲勞、評價肌肉功能的重要方法，并且其具有無創(chuàng)性、實時性和精確性的優(yōu)點，可作為研究護臂功能性的技術手段[7-9]。

文中對市場上的籃球護臂規(guī)格細分后進行實驗，并讓受試者穿著護臂樣衣模擬籃球運動狀態(tài)測試服裝壓力，同時根據(jù)其主觀評價進行分析，得出舒適服裝壓力范圍。最后運用表面肌電技術對相同受試者進行疲勞實驗測試，將實驗所得肌電指標數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析，綜合得出籃球運動護臂有效緩解肌肉疲勞的舒適性服裝壓力，此實驗可為手臂護具的生產(chǎn)開發(fā)提供方法和指標數(shù)據(jù)參考。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

1.1.1原料 實驗所用樣衣選自專營運動護具的曼迪卡威籃球運動護臂，面料由82%錦綸和18%氨綸組成，款式為籃球護臂的基本款式，具體如圖1所示。

圖1 樣衣款式Fig.1 Plane effect of sample clothing

1.1.2儀器 Novel pliance-x-32壓力測試系統(tǒng)，德國Novel公司研制；Delsys Trigno Mobile無線表面肌電測試系統(tǒng)，美國Delsys公司研制。

1.2 樣衣選取

參考李媛[10]對緊身護臂實驗樣衣尺寸的處理，以上臂圍30 cm為基準進行樣衣規(guī)格修改，使得樣衣對各測試部位造成的壓力具有連續(xù)性小幅度變化[11]。經(jīng)過預實驗測試篩選，選用在基準上縮減5%，10%，15%，20%，25%和30% 制成的6件樣衣，其對應編號分別為1#，2#，3#，4#，5#，6#。樣衣具體尺寸見表1。

表1 樣衣尺寸

1.3 實驗對象

實驗受試者為8名年齡在20～25歲的健康男性籃球愛好者，體型符合175/92A，上臂圍在29～30 cm。受試者測試前一周需保持健康的生活規(guī)律，并在實驗前對其進行多次實驗動作規(guī)范培訓。

1.4 測試部位和實驗動作選取

1.4.1測試部位 根據(jù)人體運動解剖學和籃球運動原理可知，人體上肢運動主要有屈肘、伸肘和前臂旋轉(zhuǎn)，用到的上臂肌肉包括肱二頭肌、肱肌、肱橈肌和肱三頭肌等；前臂肌肉包括掌長肌、橈側(cè)的腕屈和伸肌、尺側(cè)的腕屈和伸肌等[12-13]。參考LIAO F Y[14]、范洪彬等[15]、張肅[16]對人體上肢肌肉疲勞的研究，再結合預實驗結果，選用4塊運動貢獻量較大的肌肉：肱二頭肌、肱二頭肌、肱橈肌和橈側(cè)腕屈肌作為研究對象，各肌肉最大肌腹位置即為實驗測試部位。具體如圖2所示，測試部位說明見表2。

圖2 實驗測試部位Fig.2 Experimental test site

表2 測試部位具體說明

1.4.2實驗動作 依據(jù)表面肌電信號的采集要求，實驗動作簡單且可重復性高，如陳田華[17]在測試籃球運動員的表面肌電實驗中表明，籃球技術動作要有規(guī)律性和節(jié)奏感，并且要連貫。因此，參考籃球運動中的技術動作[18]，結合實驗條件選用高運球為實驗動作，測試手臂為右手，要求受試者在跑步過程中右手高運球，并在實驗前進行指導練習。

2 實驗方法

2.1 壓力測試

實驗地點選擇安靜的室內(nèi)體育館，室溫為(25±2) ℃，相對濕度為(68±5)%，風速小于1 m/s。受試者穿著無袖籃球運動服進入實驗場地，測試前先進行簡單的準備活動，以適應實驗環(huán)境，待充分活動關節(jié)和肌肉后，對受試者每個測試部位的皮膚進行預處理。為最大程度降低傳感器對服裝壓的影響，每次僅測量一個測試部位。受試者隨機穿著護臂樣衣進行實驗動作，實驗操作人員控制測試系統(tǒng)進行服裝壓測試。為防止長時間運動樣衣與皮膚的摩擦導致壓力值的波動，實驗截取壓力穩(wěn)定后30 s[19]的數(shù)據(jù)，在pliance-X軟件上保存，數(shù)據(jù)保存類型為ASC，可讀取實時壓力值并進行后續(xù)計算工作。

客觀壓力數(shù)據(jù)測試完畢，受試者對該實驗樣衣下各測試部位的壓力舒適性進行主觀等級評價。文中利用Hollies的5級區(qū)間標尺作為評價標準，將壓感舒適度分為很不舒適、略感不適、一般舒適、比較舒適和很舒適5個等級，所得分值分別為1～5分。為避免樣衣型號對受試者造成心理暗示，樣衣穿著順序和受試者的實驗順序采用隨機方式。

2.2 表面肌電信號采集

在相同實驗條件下，利用Delsys肌電測試系統(tǒng)進行表面肌電信號采集，實驗動作與壓力測試實驗相同。分別在上臂和前臂各取一處測試部位按肌肉走向放置傳感器。為保證信號采集強度，實驗人員與受試者均關閉通信設備。表面肌電信號采集過程如圖3所示。

圖3 表面肌電信號采集Fig.3 Acquisition of surface EMG signal

受試者在短距離范圍內(nèi)進行往返跑步且右手高運球，按自身運球習慣盡量保證運球的頻率和幅度不變，直到受試者主觀感覺疲勞等級RPE達到最大，并且不能繼續(xù)維持動作的頻率及幅度時，停止軟件的信號采集，實驗結束。采集結束后EMGworks Acquisition軟件將數(shù)據(jù)自動保存用于后續(xù)計算和處理。考慮到受試者在運動前期與運動至疲勞后對籃球護臂服裝壓力的舒適感受可能會有所變化，在表面肌電實驗數(shù)據(jù)采集完后，受試者對該實驗樣衣下的壓力舒適性再次進行主觀等級評價。為避免連續(xù)實驗使測試結果受到殘余疲勞的影響，受試者在任意兩次實驗之間需要休息1～2 d時間來恢復體力[20]。本實驗要求每位受試者做完一次實驗后休息2 d再進行下一次樣衣和測試部位的實驗。

2.3 實驗數(shù)據(jù)處理

表面肌電信號對肌肉疲勞的分析評價方法主要有時域分析和頻域分析兩種[21]。時域分析是從時間維度上反映肌電信號的振幅變化特征，指標包括均方根振幅(root mean square，RMS)、積分肌電(integrated eletromyography，iEMG)和平均振幅(mean amplitude，MA)等；頻域分析是從信號變化頻率方面對肌電信號進行分析，比時域指標具有更好的穩(wěn)定性，頻域指標是通過快速傅里葉轉(zhuǎn)換(fast fourier transform，F(xiàn)FT)獲得的，指標主要有中值頻率(median frequency，MF)和平均功率頻率(mean power frequency，MPF)等[19]。參考張肅[16]、張琳[21]等人對上肢肌肉表面肌電信號的數(shù)據(jù)分析，以及預實驗效果，文中選用時域分析中的RMS和頻域分析中的MF作為評價肌肉活動的評判指標。其中RMS能夠反映一段時間內(nèi)肌電信號的平均變化特征，是該時段內(nèi)所有振幅的均方根，可用于表征信號幅值的變化；MF表示肌肉收縮放電頻率的中間值，在表征肌電信號時較穩(wěn)定，具有很強的抗干擾能力，且適用的運動負荷范圍較廣。

在EMGworkslysis平臺上對采集到的肌電信號進行計算，首先進行去噪和平滑處理。考慮到實驗中每個受試者的身體素質(zhì)差異導致運動時間不同，需要將受試者表面肌電信號數(shù)據(jù)進行標準化處理，先將每個人的運動時間平均分成10等份，即10個時間段，分別以T1～T10命名，然后計算出每個時間段的RMS值和MF值。RMS和MF指標數(shù)據(jù)的標準化處理計算公式為

將標準化后的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學分析，應用IBM SPSS Statistics 19.0，以T1時間段的數(shù)據(jù)作為參照，對T2～T10時間段與T1進行差異性比較。首先采用K-S檢驗對各組數(shù)據(jù)進行正態(tài)性檢驗，以各組數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布且方差齊性(p>0.05)為前提，使用單因素方差分析(One-way ANOVA檢驗)運動至疲勞過程中不同時間段與初始時間段(T1)之間表面肌電信號的差異。若數(shù)據(jù)不符合正態(tài)分布和方差齊性，則使用非參數(shù)檢驗中的K-W檢驗。單因素方差分析及K-W檢驗的顯著性水平為0.05。

3 結果與討論

3.1 護臂的舒適壓力分布

對運動開始(平穩(wěn)后的30 s)與運動結束后各測試部位的兩次主觀評分進行Spearman相關性分析，具體見表3。結果顯示在p<0.01水平下，4個測試部位在運動開始和運動結束后的主觀評價均高度相關，可認為受試者在運動前后對樣衣各測試部位的主觀評價保持一致。

表3 運動開始與結束后主觀評價的相關分析

對于客觀壓力實驗結果,先去除明顯錯誤的數(shù)據(jù)，然后計算截取時間段內(nèi)的平均壓力值?？陀^壓力值是在運動開始時主觀評價下進行的實時測量，因此舒適壓力范圍的劃分參照運動開始的主觀評價(一般舒適到很舒適)，每個評價等級對應的壓力值在去掉最大最小值后求出平均值，得到的結果見表4。將主觀評分在3～5分的客觀壓力值制成箱線圖，具體如圖4所示。

表4 主觀舒適等級下的服裝壓

圖4 舒適服裝壓對應客觀壓力值箱線圖Fig.4 Boxplot of objective pressure value corres-ponding to comfortable clothing pressure

結合表4和圖4可以看出，在籃球運動過程中受試者對于上臂肱二頭肌和肱三頭肌的舒適壓力感受更為集中，肱二頭肌測試部位的舒適服裝壓范圍為1.08～1.68 kPa；肱三頭肌測試部位的舒適服裝壓范圍為1.03～1.61 kPa。兩個部位的服裝壓力范圍均與圖4下四分位數(shù)至上四分位數(shù)的區(qū)間(矩形框所示區(qū)域)相吻合，由此推斷求得的舒適壓力范圍較為準確。前臂肱橈肌和橈側(cè)腕屈肌的舒適壓力值離散程度大一些，肱橈肌測試部位的舒適服裝壓范圍為1.49～2.16 kPa；橈側(cè)腕屈肌測試部位的舒適服裝壓范圍為1.31～1.83 kPa。兩個部位的服裝壓力范圍同樣與圖4下四分位數(shù)至上四分位數(shù)區(qū)域保持一致，因此求出的舒適壓力范圍具有代表性。

3.2 手臂服裝壓與肌電指標的關系

依據(jù)文獻[21-22]中對肌肉疲勞的評判原則，肌肉在高負荷運動下，表面肌電指標RMS和MF可以反映肌肉的疲勞程度，且隨著時間的延長和肌肉疲勞度增加，RMS值增大；而當運動至力竭時，中值頻率MF呈現(xiàn)顯著的下降趨勢。從肌電指標值隨時間的波動情況看，肌肉的疲勞程度越大，指標值波動幅度就越大；肌肉的疲勞程度越小，指標值的變化越穩(wěn)定。指標值出現(xiàn)最大或最小值的時間、指標值的最大增幅或降幅均可用來表征肌肉的疲勞情況[17]。

不同服裝壓力下肱二頭肌RMS、MF值隨時間的變化，具體見表5～6。隨著運動的進行，肱二頭肌的RMS值隨時間逐漸升高，而MF逐漸降低。RMS指標值與MF指標值均具有統(tǒng)計學意義，在低服裝壓下RMS值從T6階段開始顯著增加，而MF值從T5～T6階段開始顯著減少(p<0.05)；在中等服裝壓下，RMS值從T8～T9階段開始顯著增加，而MF值從T9～T10階段開始顯著減少(p<0.05)；在高服裝壓下，RMS值從T7階段開始出現(xiàn)顯著增加,而MF值從T8階段開始顯著減少(p<0.05)，具體如圖5所示。

表5 各時段肱二頭肌RMS值隨時間變化情況

表6 各時段肱二頭肌MF值隨時間變化情況

圖5 各時段肱二頭肌肌電指標值隨時間變化情況Fig.5 Changes of biceps brachii myoelectric index value with time in each period

由圖5可知，適量的服裝壓可以有效減緩肱二頭肌的疲勞，但如果服裝壓過大，減緩效果并不顯著。在RMS指標下，受試者穿著3#～5#樣衣，出現(xiàn)疲勞的時間明顯延后，并且最高疲勞度時間段的RMS值增長幅度依次為24%，13%，14%；在MF指標下，受試者穿著4#和5#樣衣出現(xiàn)疲勞的時間明顯延后，并且最高疲勞度時間段的MF值降低幅度分別為8%，11%。綜上所述，最能緩解肱二頭肌疲勞的樣衣為4#～5#，服裝壓力范圍為1.32～1.61 kPa。

肱三頭肌和肱橈肌RMS、MF值隨時間變化與肱二頭肌類似，隨著長時間的運動，RMS值逐漸升高，MF值逐漸降低；服裝壓力的逐漸增大，表面肌電指標值的時間段明顯延后，有效減緩了肌肉疲勞，但當服裝壓過大時，減緩疲勞的效果不佳。肱三頭肌在低服裝壓下RMS值從T4階段開始顯著增加，而MF值從T4～T6階段開始明顯減少； 在中等服裝壓下，RMS值從T7～T8階段開始顯著增加，而MF值從T8～T9階段開始持續(xù)減少；在高服裝壓下，RMS值從T8～T9階段開始顯著增加,而MF值從T8階段開始持續(xù)減少。結合最高疲勞度時間段的RMS值增幅和MF值降幅情況，得出最能緩解肱三頭肌肉疲勞的樣衣為5#和6#，服裝壓力范圍為1.46～1.74 kPa。肱橈肌的RMS和MF指標對于肌肉疲勞的表征具有一致性，在低服裝壓下RMS值和MF值均從T5～T7階段開始顯著增加和降低；在中等服裝壓下，均從T8階段開始顯著增加和降低；在高服裝壓下，均從T7階段開始顯著增加和降低。結合最高疲勞度時間段的RMS值增幅和MF值降幅情況，4#和5#樣衣在RMS和MF指標下減緩肱橈肌疲勞效果最好，服裝壓力范圍為1.78～2.24 kPa。

與其他3塊肌肉不同，在運動至疲勞過程中，橈側(cè)腕屈肌的RMS值和MF值雖處于波動狀態(tài)，但沒有明顯的升高和降低趨勢，肌電指標隨著運動時間的變化也并未出現(xiàn)具有連續(xù)顯著差異的時間段，具體見表7～表8。這可能是由于受試者在高運球動作下，主觀上已達到疲勞狀態(tài)，但橈側(cè)腕屈肌并未疲勞。為探究服裝壓力與肌肉疲勞的關系，需進一步分析肌電指標值的幅值變化情況，具體如圖6所示。隨著1#～6#樣衣服裝壓力的增大，RMS值和MF值的波動幅度逐漸減小，橈側(cè)腕屈肌的表面肌電信號趨于穩(wěn)定。就橈側(cè)腕屈肌而言，服裝壓力越大越能緩解肌肉疲勞，因此最能減緩橈側(cè)腕屈肌疲勞的為6#樣衣，服裝壓為2.84 kPa左右。

表7 各個時段橈側(cè)腕屈肌RMS值隨時間變化情況

表8 各個時段橈側(cè)腕屈肌MF值隨時間變化情況

圖6 橈側(cè)腕屈肌的RMS值和MF值波動幅度Fig.6 Fluctuation range of EMG index value of radial wrist flexor muscle

4 結 語

為研究籃球護臂的服裝壓力范圍，使之在服裝舒適性與減緩肌肉疲勞的功能性之間達到平衡，將市場上的籃球運動護臂的基本款式規(guī)格細分后制成樣衣,對體型符合175/92A、上臂圍在29～30 cm的大學生籃球運動群體，穿著樣衣進行動態(tài)壓力測試和表面肌電測試實驗，結合其主觀評價，以及表面肌電技術分析得到以下結論：

1)受試者在籃球運動過程中，合適的服裝壓會給手臂帶來一定的舒適感，并且可以減緩肌肉疲勞，但服裝壓力超過一定量，會使穿著者感到不適，運動費力且不利于減緩肌肉疲勞。

2)受試者在籃球運動的開始階段與運動至疲勞階段對于護臂的壓力舒適感受有細微差異，但總體上是一致的。上臂比前臂的舒適性服裝壓小：肱二頭肌為1.08～1.68 kPa，肱三頭肌為1.03～1.61 kPa，肱橈肌為1.49～2.16 kPa，橈側(cè)腕屈肌為1.31～1.83 kPa。

3)受試者在籃球運動中，RMS指標和MF指標對其手臂肌肉疲勞的表征具有一致性，肱二頭肌、肱三頭肌和肱橈肌隨著服裝壓力的增大，肌肉疲勞的出現(xiàn)時間均有所延后，但超過一定值后，肌肉疲勞的出現(xiàn)時間又會提前，其中橈側(cè)腕屈肌在籃球運動中對疲勞的感知較弱，但服裝壓的增大也可以減緩橈側(cè)腕屈肌的肌肉疲勞。綜合實驗結果得到最能緩解肌肉疲勞的舒適性服裝壓為：肱二頭肌1.32～1.61 kPa、肱三頭肌1.46～1.61 kPa、肱橈肌1.78～2.16 kPa、橈側(cè)腕屈肌1.83 kPa左右。該結果可為手臂運動護具的設計開發(fā)生產(chǎn)以及行業(yè)標準的制定提供方案和參考。

4)4#護臂樣衣在舒適性和功能性上均表現(xiàn)較好，對應尺寸長度為42 cm、上周長24 cm、下周長16.6 cm，消費者可根據(jù)自身臂圍尺寸及面料選擇適合的籃球運動護臂。