基于非负矩阵分解的30秒全力蹬踏自行车运动疲劳前后肌肉协同分析

【作者】 闫嘉淇； 马国强； 龚铭新； 牛文鑫； 王乐军；

【机构】 同济大学体育教学部运动与健康研究中心； 上海体育科学研究所； 同济大学医学院；

【摘要】 研究目的:作为一项评估下肢肌肉的无氧耐力能力的剧烈运动,30秒全力蹬踏自行车运动使得下肢肌肉面临一定程度的疲劳,表现为运动能力的下降。疲劳状态下的蹬踏自行车运动会改变蹬踏的力学原理。例如,由于疲劳导致的肌肉活动模式的变化影响了蹬踏节奏和下肢运动学,这可能使身体更容易受伤。此外,疲劳可能导致肌肉活动重新分配或肌肉活动特征的改变。非负矩阵分解被应用于从肌电图数据中提取肌肉协同作用,并对肌肉协同进行分析。非负矩阵分解将表面肌电信号划分为两个矩阵:肌肉协同向量矩阵和肌肉协同激活系数矩阵。通过两个矩阵可以分析所选取肌肉在运动中每个阶段的激活特征和运动过程中每个肌肉协同作用的激活时间。近年来,体育运动中越来越多的研究使用这种方法来研究肌肉活动。但在以往的研究中还没有涉及到利用非负矩阵分解分析疲劳对30秒全力蹬踏自行车运动中肌肉协同作用的影响。因此,通过非负矩阵分解研究肌肉协同作用,可以更全面地分析自行车运动中的肌肉疲劳情况和肌肉协同的变化,为中枢神经系统对疲劳后的运动控制带来新的视角。因此,本研究的目的是研究疲劳对30秒全力蹬踏自行车运动中选定的下肢肌肉协同作用的影响。研究方法:(1)受试者:选取上海职业自行车队的8名自行车运动员作为本研究的受试者(5名男性,3名女性,年龄:20.3±4.7岁,体重:74.5±11.8公斤,身高:174.4±8.3厘米)。(2)实验程序:在上海市体育科学研究所竞技体育研究二中心的实验室进行测试。采用Wattbike Pro风阻功率测试车进行自行车蹬踏负荷。实验包括热身和正式测试。8名参与者首先进行5分钟的热身运动,之后休息3分钟,然后进行30秒的全力蹬踏。受试者在整个运动过程中保持坐姿,并要求在30秒内产生尽可能高的输出功率,并在整个测试过程中得到口头鼓励。通过ME 6000 P8表面肌电采集仪(芬兰Mega电子系统公司)以1kHz的采样率采集8位受试者的股直肌(RF)、股外侧肌(VL)、股内侧肌(VM)、股二头肌(BF)、半腱肌(ST)、胫骨前肌(TA)、腓肠肌外侧肌(GAS)和比目鱼肌(SOL)共计8块肌肉的表面肌电信号。(3)数据处理与分析:为了讨论疲劳对肌肉协同的影响,将30s全力蹬踏过程分为前后半段。前15秒表示"疲劳前";后15秒表示"疲劳后"。从每5s的蹬踏运动中选择前6个完整的蹬踏周期,以反映整个蹬踏的特征。肌电信号通过带通滤波(20-500Hz,巴特沃斯滤波器)、全波整流和低通滤波(5Hz)处理。根据将每位受试者在每个选取的蹬踏周期内的数据标准化为100个数据点。通过Matlab进行非负矩阵分解,根据VAF值提取肌肉协同作用,然后将原始矩阵分解为肌肉协同向量矩阵(W)和肌肉协同激活系数矩阵(H)。(4)统计分析:数据用Excel2016和SPSS25.0进行统计分析。研究结果:通过非负矩阵分解,8位受试者疲劳前后都可以提取3个肌肉协同作用。3个肌肉协同作用的激活系数(H)在前后半段之间有明显的不同(p=0.000)。只有肌肉协同作用一的TA在疲劳前后的相对激活幅值有明显不同(p=0.005)。前后半段提取的肌肉协同一肌肉协同激活系数(H)相关性为r=0.991,这反映了两个阶段之间的高度相似性。在这个协同作用中,前后半段的激活峰值都在蹬踏周期的50%-75%之间。该协同作用的肌肉协同向量(W)主要包含BF、ST、GAS、SOL。除ST外,所有肌肉在后半段都比前半段低,且疲劳后TA有明显下降(p=0.005)。在肌肉协同二中,前后半段的肌肉协同激活系数(H)相关性为r=0.995,这表明两个阶段之间具有高度的相似性。前后半段的激活峰值也都在蹬踏周期的50%-75%之间,而且后半段的峰值比前半段低。在这个肌肉协同作用下,肌肉协同向量(W)中前后半段肌肉激活差异较小,所有的肌肉在后半段都比前半段低。在前半段,只有TA相对激活幅值不到0.5,而在后半段是ST和TA。在肌肉协同三中,前半段和后半段的相关性为r=0.937,低于前两个肌肉协同作用,但两个阶段的激活也具有较高的相似性。与前两个肌肉协同作用不同的是,前半段的激活峰值出现在蹬踏周期的25%-50%,然而后半段有两个峰值,出现在蹬踏周期的0%-50%。对于肌肉协同向量(W),RF和TA在该肌肉协同中起主要作用。TA的相对激活幅值在两个阶段均为0.9,所有肌肉在后半阶段均低于前半段。研究结论:通过非负矩阵分解,30s全力蹬踏疲劳前后都可以提取3个肌肉协同。3个肌肉协同作用的激活系数(H)在前后半段之间有明显的不同,表明疲劳前后肌肉激活系数变化较大。在肌肉协同向量(W)中,疲劳后各肌肉的相对激活幅值较疲劳前均有所下降。在肌肉协同一中,疲劳后TA的相对激活幅值明显下降,表明疲劳后TA在此阶段的贡献值降低。更多还原