5.实验研究
实际上，我们已将表面肌电技术对肌肉运动性疲劳的评价应用于运动实践中。本研究以7名国家速度攀岩运动员为研究对象，利用高清摄像机和表面肌电仪同步采集运动员在完成15m专项攀爬过程中的视频信号及上下肢相关肌肉的表面肌电信号。
5.1 研究对象与方法
5.1.1 研究对象
以国家攀岩集训队的速度攀岩项目运动员为研究对象，在本次集训中挑选到了7名优秀运动员为研究对象，训练年限（7.1±1.1）年。
5.1.2 研究方法
（1）试验设计
本研究以攀岩速度赛运动员攀爬全过程为观察对象，在运动员完成全程15m的攀爬后3min测试受试者的血乳酸。同时在受试者全程攀爬过程中采集受试者双侧上下肢肌肉的表面肌电信号和同步视频信号。
（2）试验程序
在正式实验测试前，受试者进行30min的热身运动，主要包括拉伸练习、慢跑。热身过程中将无线遥测心率带佩戴在每一名运动员身上，以便观察运动员在热身过程中的运动强度。
热身运动过后为运动员的上下肢相关肌肉粘贴表面肌电电极，然后用弹性绷带将表面电极连线捆绑好，以便电极线的移动影响运动员的技术动作和表面肌电信号。正式实验时运动员在开始运动前，测试者利用遥控器发送一个同步信号，这个同步信号分别发送给肌电采集器和摄像机，待观察收到同步信号后，发出指令让运动员开始运动。运动员在完成全程15m的攀爬距离后，即刻记录下受试者的运动时间。
（3）试验器材与材料
ME6000-16无线遥测表面肌电仪（芬兰，ME6000，带通滤波，信噪比），便携式血乳酸仪（日本），一次性表面电极（申风，上海），弹性绷带，75%酒精棉球，一次性采血针，笔记本电脑，高清常速摄像机，三脚架。
（4）数据采集与分析
①表面肌电信号数据采集
对于表面肌电信号数据来说，分别选取左右侧下肢的胫骨前肌、腓肠肌内侧头、股外侧肌；左右侧背阔肌；左右侧上肢的肱三头肌长头、肱二头肌、前臂屈指肌群、前臂伸指肌群，共16块肌肉。数据采集模式采用原始肌电信号模式，采样频率设置为1000 Hz，同步采集视频信号。在粘贴电极前，用砂纸打磨皮肤，去掉皮肤的角质层，然后用酒精擦拭干净，自然风干后，粘贴电极。肌电信号的记录模式采用双极记录，即两个记录电极和一个参考电极，两个记录电极置于肌肉的最大隆起处，同时注意避开神经肌肉支配区，两个记录电极的距离为2cm，其连线方向与肌纤维走行方向平行，参考电极与两个记录电极成等边三角形。
②表面肌电信号数据处理与分析
利用外触发同步法对肌电信号和视频信号进行单点同步，即肌电信号出现Marker时刻与视频信号中信号灯出现亮点的视频画面作为同步点，从而完成单点同步。
肌电信号同步完成后，对原始肌电信号进行全波整流，即将全部的肌电幅值变成正电压幅值。然后通过平均法对数据进行提取包络，窗口宽度选择0.05s。
时域指标分析：进行不同肌肉做功百分比计算时，通过均方根振幅法进行全波整流，时间窗口长度选择0.001s。然后观察前两个动作周期下不同肌肉做功百分比，再观察最后两个动作周期内相关肌肉做功百分比的变化。
频域指标分析：对运动员每一次攀爬过程中原始肌电信号进行傅立叶转换，分析其平均功率频率（mean power frequency，MPF），根据每一个攀爬周期的时间特点，时间窗口选择512，数据重叠率50%，具体计算公式见文献。根据我们的结果，指屈肌和肱二头肌在攀爬过程中的重要性，此处只选取受试者左右侧肱二头肌和指屈肌表面肌电信号的MPF，并且分别求出受试者每一次攀爬工作中左右侧指屈肌的MPF用于观察动态疲劳特征。
归一化处理：本研究为了观察运动员在攀爬过程中指屈肌和肱二头肌MPF的动态变化，将不同运动员的不同攀爬周期次数进行归一化处理，即将所有运动员的不同攀爬次数归化为10次。
（5）数据统计
本研究使用统计软件SPSS16.0进行统计学分析。为了探讨攀岩速度项目运动员肌肉的疲劳程度，将运动员攀爬过程中相关肌肉表面肌电信号的MPF进行线性拟合。为了评价运动员的神经肌肉疲劳特点，将运动员运动前段与运动后段相关肌肉的肌电幅值进行了配对样本T检验，将运动员左右侧肢体相关肌肉的表面肌电信号进行配对样本T检验，显著性标准为0.05。
5.2 结果
5.2.1 攀岩运动员15m专项攀爬过程中相关肌肉sEMG幅值变化特征
（1）攀岩运动员15m专项攀爬过程中原始肌电信号特征
图3-1和图3-2为一名运动速度攀岩运动员在完成15m专项攀爬过程中左右侧上下肢肌肉的表面肌电信号特征。从上到下的8块肌肉分别为胫骨前肌、腓肠肌内侧头、股直肌、背阔肌、肱二头肌、肱三头肌、指屈肌、指伸肌。从原始的表面肌电图可以看出，在每一个攀爬动作周期中上肢肌肉表面肌电信号持续放电的活动时间要长于下肢相关肌肉表面肌电信号的持续放电时间。另外，所有受试者都表现为在起始蹬伸动作中右侧腓肠肌内侧头和股直肌的放电时程较长，这说明上肢肌肉的爆发力不如下肢肌肉。
（2）攀岩运动员15m专项攀爬过程中不同肌肉贡献率
从图3-3的数据可以看出，速度攀岩项目运动员在完成15m全速攀爬过程中，肌肉贡献率最大的两块肌肉是肱二头肌和指屈肌，无论是左侧还是右侧，二者的积分肌电贡献率都是最高的，右侧肱二头肌的占全部肌肉积分肌电的11.3%±2.4%、右侧指屈肌占全部肌肉积分肌电的10.3%±3.3%、左侧的肱二头肌占全部肌肉积分肌电的9.6%±2.2%、左侧指屈肌占全部肌肉积分肌电的14.3%±3.4%。其他肌肉的贡献率比较接近，即使下肢的大肌群其肌肉贡献率并不高，仅占全部肌肉积分肌电的3%左右。
图3-1 一名速度攀岩运动员15m专项攀爬过程中右侧上下肢肌肉原始表面肌电信号
图3-2 同一名速度攀岩运动员15m专项攀爬过程中左侧上下肢肌肉原始表面肌电信号
（3）攀岩运动员15m专项攀爬过程中肌电幅值的疲劳特征
由于速度攀岩动作时周期性的技术动作，因此我们选取了运动初始的两次攀爬（攀爬2和攀爬3）与运动后段两次攀爬（攀爬9和攀爬10）观察其运动前后肌电幅值的疲劳特征。我们进一步将运动初始与运动后段左右肢体的表面肌电信号的电活动总量进行了比较（图3-4），结果发现在运动初始动作中左右侧肢体肌肉电活动是均衡的，没有统计学差异（P＞0.05）。但在运动后段发生了变化，左右侧肢体肌肉对应的肌电幅值都增加，尽管右侧肢体肌肉电活动增加幅度没有统计学差异（P=0.062，ES=0.35），而最明显的是左侧肢体肌肉电活动显著增加，明显高于运动初始时（P＜0.05，ES=0.43），同时在运动后段左侧肢体肌肉电活动总量也显著高于右侧肢体的肌肉电活动总量（P＜0.05，ES=0.41）。
图3-3 速度攀岩运动员完成15m攀爬过程中上下肢肌肉积分肌电百分比（%）
图3-4 受试者运动初始与运动后段左右侧上下肢肌肉sEMG的电活动总量比较
进一步分析发现，在15m攀爬过程中其下肢肌肉的肌电幅值没有发生显著性变化，在运动过程中主要是上肢的肱二头肌、指屈肌以及背阔肌的肌电幅值在运动后期时显著增加（图3-5）。
5.2.2 攀岩运动员15m专项攀爬过程中相关肌肉sEMG频谱变化特征
攀岩运动员15m专项攀爬过程中相关肌肉MPF变化特征：图3-6为全部攀岩运动员在完成15m攀爬过程中左右侧上肢肱二头肌和指屈肌MPF动态变化特征，可见速度攀岩运动员在全力完成15m攀爬过程中，上肢肱二头肌和指屈肌表面肌电信号的频域成分MPF下降，其中对于右侧肱二头肌来说，其线性拟合方程为y=-0.7455x+79.4，R2=0.8474；对于右侧的指屈肌来说，y=-0.6061x+77.933，R2=0.557。而左侧肱二头肌的线性拟合方程为y=-0.8727x+72.6，R2=0.7701和左侧指屈肌的线性拟合方程为y=-1.2145x+73.12，R2=0.8323。从拟合系数来看，左侧的肱二头肌和指屈肌表面肌电信号的频谱成分MPF下降得更多，其中左侧肱二头肌MPF下降的程度比指屈肌更大，说明其疲劳程度更深。
图3-5 受试者运动初始与运动后段左右侧上下肢每一块肌肉sEMG的电活动比较
图3-6 攀岩运动员15m攀爬过程中左右侧上肢肱二头肌和指屈肌MPF动态变化特征
5.3 讨论
本研究的数据表明：我国优秀速度攀岩运动员在全力攀爬过程中上肢肌肉的爆发力弱于下肢肌肉，这可能是会影响运动员的最终运动成绩的一个根本原因。在整个攀爬过程中，肌肉贡献率最高的是肱二头肌和指屈肌两块肌肉，另外，随着攀爬的进行，肌肉出现了疲劳症状，表现为肌肉肌电幅值增高、频率成分降低，而且以肱二头肌和指屈肌增高得最为明显，其中左侧肢体的肱二头肌和指屈肌增加得更为显著，认为运动后期运动员更多地依靠左侧肢体完成运动任务。同时，发现血乳酸增加可能是导致肌电频域成分下降的主要因素。
本研究通过使用表面肌电技术探测到速度攀岩运动员在完成15m专项攀爬动作过程中肌电特征。本研究首次发现了速度攀岩运动员在完成全力攀爬过程中上肢肌肉的肌电活动持续时程不一样，很明显的一个差别就是在攀爬每一个岩点的时候，上肢肌肉持续放电的时间要比下肢肌肉长，这说明上肢肌肉的爆发力不如下肢肌肉。这必将影响运动员的运动成绩，如果运动员在攀爬过程中能够提高其上肢肌肉的快速收缩做功的能力，必然会进一步提升运动成绩。因此，对于目前我国优秀的速度攀岩运动员来说，提高其上肢肌肉的爆发力是关键。
本研究的数据可见随着攀爬进行，肌肉的放电时程增加，这也是神经肌肉疲劳的一种表现。在速度爆发型项目中，肌肉收缩时其电活动时程增加不是一种好的表现，这是机体肌肉做功能力下降的一种表现。在速度力量型项目中，放电时程增加意味着肌肉收缩工作时间长，一方面消耗更多的体力，另一方面降低肌肉的爆发力。
另外，本研究发现随着运动员攀爬过程的进行，其上肢肌肉肌电幅值逐渐增加，这是肌肉疲劳的一种表现，但是本研究发现运动员在15m攀爬过程中下肢肌肉肌电幅值并没有增加，说明其没有发生疲劳。随着运动不断进行肌肉内的能源物质不断被消耗，而且在这种短时间爆发性项目中，能源物质的恢复速度无法满足机体对能源物质的需求，此时机体必须动员更多的运动单位来参与收缩维持目前的运动任务，所以，相关肌肉的肌电幅值增加。我们在前期的研究中，在实验室条件下，也发现受试者膝关节在进行连续的等速屈伸运动诱发其下肢肌肉疲劳过程中表面肌电的幅值显著增加。但是本研究中另外一个重要发现是，在肌电幅值增加的过程其左侧上肢相关肌肉肌电幅值增加得更为明显。这可能是人体运动过程中运动单位“轮换工作”导致的一个结果。国外有学者发现让受试者进行长时间的锯切动作，随着肌肉的疲劳，其肱桡肌、肱三头肌、肱二头肌的积分肌电幅值显著增加，而且他们进一步发现尽管机体肌肉发生了疲劳，但是受试者在完成锯切任务时其运动幅度基本保持不变，这说明机体为了继续完成运动任务，采用了不同神经中枢策略，结果发现在运动后期中斜方肌、三角肌前束和三角肌外侧束的激活程度更高，从而继续维持运动任务，这个实验证明了人体在运动过程中存在运动单位的轮换工作机制。还有国外学者观察了受试者在蛙跳过程中，下肢相关肌肉表面肌电信号的变化特征，结果发现随着蛙跳过程中受试者下肢肌肉疲劳的发生，最开始依靠膝关节周围的肌肉激活程度高，到疲劳后期受试者主要依靠提高激活髋关节周围的肌肉来维持运动。这说明人体系统会利用自身运动装置的“冗余性”来维持末端关节必要的运动轨迹。
从本研究的结果可见，在运动疲劳过程中相关肌肉sEMG的频谱成分MPF显著下降，这种变化特征符合大多数研究的结果。在速度攀岩运动项目中肌肉是处于一种动态性的收缩，属于动力性收缩，而在动力性收缩中表面肌电信号变化比较复杂。但是总体来看，在动力性运动中，当肌肉发生疲劳时其表面肌电信号的功率谱向低频方向移动。本研究结果显示速度攀岩运动员在全力攀爬15m的距离过程中，上肢的肱二头肌和指屈肌疲劳是最明显的，其中在MPF与运动时间之间的线性拟合方程中可见，左侧肱二头肌的斜率最大，说明其疲劳程度最深。
5.4 结论
所有受试者都是运动后段比运动前段时肌电幅值明显增高，我们推测这是肌肉疲劳的一种代偿表现，机体必须通过更多的神经中枢放电来维持完成最后的运动技术动作，这种变化主要发生在上肢肌肉（指屈肌、肱二头肌）明显，而下肢肌肉不明显，说明上肢小肌肉群更容易疲劳，而且更多地依靠左侧肢体的代偿作用更为明显。而且本研究采用全新的肌电信号时域和频域分析法都证明了攀岩运动员在运动实践中中枢疲劳的特征，为指导训练提供了参考依据。