摘要背景：Anybody 肌肉骨骼建模系统，使用数学建模技术模拟人体骨骼、肌肉和环境的关系，可对人体的逆向动力学进行研究，得出下肢三关节最大肌肉力等指标。目的：研究 24 名不同体质量指数男大学生在坐瑞士球一个动作周期的下肢肌肉力值，及受试者在坐瑞士球与平凳的均方根肌电平均值对比情况。方法：将 24 名男大学生按体质量指数分为正常组、超重组、肥胖组，用 BTS 三维红外动作捕捉系统、Kistler 三维测力台、BTS 表面肌电测试系统，同步记录动力学和肌电参数，以单因素方差分析定性比较不同组间肌力和肌电参数差异，用定量差异分析法对比均值差异。结果与结论：①肌肉力量方面，由坐到站过程中，正常组与肥胖组相比，股直肌、半膜肌、股二头肌长头、腘肌、比目鱼肌、胫骨前肌差异显著(P < 0.05，0.47≤QD<0.80)，股方肌与耻骨肌的两组肌肉力差异极其显著(P < 0.01，QD≥0.80);超重组与肥胖组肌肉力相比，股方肌具有显著性差异(P < 0.05，0.47≤QD<0.80)，由站到坐过程中，正常组与肥胖组相比，缝匠肌、拇长伸肌、腓肠肌肌肉力差异显著(P < 0.05，0.47≤ QD<0.80);②均方根肌电值方面，坐平凳状态下，由坐到站过程中，正常组与肥胖组相比，股二头肌和腓肠肌差异显著(P < 0.05，0.47≤QD<0.80)，由站到坐过程中，正常组与肥胖组相比，股直肌差异显著(P < 0.05，0.47≤QD<0.80);坐瑞士球状态下，由坐到站过程中，正常组与肥胖组相比，胫骨前肌、股二头肌差异显著(P < 0.05，0.47≤QD<0.80);由站到坐过程中，正常组与肥胖组相比，腓肠肌、右竖脊肌肌电值差异显著(P < 0.05，0.47≤QD<0.80)。提示：①各组由坐到站过程中主导发力肌肉是臀中肌、股外侧肌、股二头肌长头、股直肌、腓肠肌、胫骨前肌、比目鱼肌，由站到坐过程中下肢臀中肌、股外侧肌和股二头肌长头、腓肠肌、胫骨前肌、比目鱼肌主导发力;②与坐平凳相比，受试者在坐瑞士球时胫骨前肌、股直肌、股二头肌、腓肠肌均方根肌电值高。
关键词：仿真;均方根肌电;瑞士球;定量差异;大学生;男;肌肉;体重指数
0 引言 Introduction
瑞士球(Swiss ball)于1989年引进美国，以PVC材料制成，弹性十足，锻炼人群以坐姿、撑姿、俯卧及仰卧姿在球上运动，使球产生形变，提高人体在非稳定状态身体核心区稳定性及活动能力。在国内外研究中，瑞士球常应用于帮助锻炼者在无固定支撑条件下，提高力量和协调能力，使全身肌群参加活动，最有助于稳定骨盆及脊柱功能，提高人体本体感觉、姿势控制能力及稳定程度，锻炼躯干核心区肌肉力量，改善站姿、坐姿[1-4]。现阶段，关于以仿真和肌电测试方式对不同体质量指数(body mass index，bMI)男大学生瑞士球动作生物力学研究的相关研究极少。有学者认为，其他垫上练习等非稳定性练习比瑞士球更能锻炼身体[5-6]，但是瑞士球由坐到站和由站到坐的动作周期是每个瑞士球锻炼者必须经历的，以瑞士球为基础的练习能更好地促进垫上练习及其他关于促进协调性及灵敏性的练习。
文章旨在通过研究不同BMI男大学生坐瑞士球由坐到站至由站到坐一个周期的肌群肌肉力和同等高度平凳对比的肌电变化，为不同BMI瑞士球锻炼者练习提供锻炼建议。考虑到能量消耗带来的误差性，研究选择由坐到站至由站到坐为一个动作周期，而非由站到坐至由坐到站，否则瑞士球的弹力会助受试者更容易站起来，影响数据的准确性及真实性。
1 对象和方法 Subjects and methods
1.1 设计 生物力学测试。
1.2 时间及地点 测试时间为2018-12-23/2019-03-20，测试地点为北京师范大学科技楼运动生物力学实验室。
1.3 对象 在北京师范大学以招募的方式选择男性大学生自愿作为受试者，同时要填写患者姓名、出生日期、身高、体质量等基本信息的知情同意书。
入选标准：①男性大学生;②3个月内未定期锻炼;③ 能正常沟通;④排除身体运动功能障碍，无平衡能力缺失、无吸烟酗酒习惯、无心脑血管疾病、无呼吸系统疾病史、无眼部疾病史、无腰部损伤史者，能正常运动。
排除标准：①日常定期频繁锻炼者;②无法正常交流者;③健康状况受损，有眼部疾病、腰部疾病、心脑血管疾病、呼吸系统疾病、运动功能障碍。
此次研究共筛选了北京师范大学37名男大学生，其中
24人符合标准，并且配合完成了研究。
常见的评价肥胖人群的指标有体质量、BMI、腰围、腰臀比、体脂百分比[7]，此次研究选取前4种，以体质量、 BMI、腰围、腰臀比进行分类而判定肥胖。BMI可体现人体全身肥胖率，计算方式为体质量与身高平方之比[8]，研究将BMI不同的大学生分为3组(正常：18.5-23.9 kg/m2;超重：24.0-27.9 kg/m2;肥胖：≥28.0 kg/m2 )，每组8 人。腰围(WAITE CIRCUMSTANCE)为衡量人体肥胖的重要指标，可体现人体脂肪分布参数，与中心性肥胖率有关，中心性肥胖者由于腰腹部脂肪堆积过多，不利于糖脂代谢发展，增加慢性病风险，因此腰围还常作为有效预测心血管疾病的指标，按照中国肥胖工作组划分，男性腰围≥90 cm视为肥胖，< 90 cm视为非肥胖[9]。腰臀比(WAIST TO HIP RATIO)，即腰围(cm)/臀围(cm)，男性腰臀比< 0.9为正常，≥0.9为中心性肥胖[10]。研究人员测试前受过严格培训，对受试者体质量、身高、腰围、腰臀比指标进行测量。测量体质量用电子体重计，量程 0-150 kg之间，精确度选取0.1 kg;测量身高用身高计，量程在0-2.0 m之间，精确度选取0.1 cm;测量腰围、臀围用软尺，量程在0-1.5 m之间，精确度选取0.1 cm。3 组基本情况见表1。
1.4 方法
1.4.1 动力学测试 使用BTS SMART DX 600红外动作捕捉系统(Elite，Bioengineering Technology and System， Milano，Italy)，用SMART CAPTURE软件高速捕捉受试者身上的骨性标记点即25个Mark反光球标记点(直径是 1.4 cm，表2)的运动轨迹。8台高速摄像机拍摄，1 000 Hz 频率，分辨率为640 dpix480 dpi。通过产于瑞士，型号为 9287B的KISTLER 测力台进行动力学测试，测力台内部有信号放大器，实时收集动态参数，保证静态误差要低于0.5%。 BTS VIXTA数字摄像装置用来还原实验画面的真实性。
在开始实验前，测量受试者大腿、胫骨、足长、骨盆宽度、头部和躯干高度。受试者换指定服装被贴点标记，并且调整测力台和两脚之间的位置，保证受试者清楚坐瑞士球从测试开始到测试结束的动作要领，直至受试者调整好自己的动作与测力台在之间的适宜位置，做动作时，受试者尽量保持左右侧对称。
1.4.2 肌电测试 RMS是表示肌肉动作电位量最常用参数之一。RMS表示在一段周期内，参加肌肉活动的肌肉瞬间肌电图振幅均方根值，通过平方及开根号后取平均值，是一定时间内肌电位值平方和的平方根。
1.4.3 数据处理 Anybody是丹麦沃尔堡大学的专门用来计算人体工程的软件，计算肌肉力值精度较高。此次研究建立数据采集的个性化模型，用Anybody7.1.2仿真计算软件对下肢肌肉力数据计算，比较不同状态指标值。对 Anybody中Standing Model进行修改，处理受试者一个动作周期的数据(见图2)，研究选择受试者由坐到站到由站至坐一个周期作为一次有效测试，如果实验数据采集有问题，比如受试者动作不标准、一侧脚未完全踏在测力台上、有标记点散点的情况，视为一次无效测试，整个测试重新开始，重复以上步骤。以BTS SMART Analyzer对肌电信号处理，经过高通、低通的滤波器进行滤波后，对肌电数据通过进行整流，处理均方根振幅值。
1.5 主要观察指标 3组男大学生坐瑞士球动作周期的发力腿中髋、膝、踝三关节下肢肌肉力及代表性肌肉进行表面肌电测试，计算肌肉力值和RMS平均值。
1.6 数理统计 定性比较可检验数据的真实性，统计结果分析可作为主要参考的研究过程，但应用上普遍存在局限。为此假设检验和P值的局限性限定了科研数据的正确分析。定量差异分析在统计学比传统P值计算有优势，因为传统P值可定性比较两组数据的数字差异，却无法定量计算，刘承宜等[11]建构定量差异统计方法，提供严谨性、准确性、科学性的定量分析。
自相似为系统联动过程[12]，两参数相似关系用幂函数表达：
ya/yb=(xa/xb)SSE(a，b) (1)
SSE是自相似指数，如下是两参数在几种不同条件下以0.618作为底数，计算对数的过程[11，13-15]。
ly(a,b)=logτ(yb/ya)，lx(a，b)=logτ(xb/xa) (2)
将(1)式代入(2)式，
SSE(a，b)=ly(a，b)/lx(a，b) (3)
上述求对数的过程，体现SSE联系参数的联动过程，表现出系统整体功能稳定性，即为定量差异过程[16]。
QD以(α，β，γ)3种阈值体现关系，Weber定律指出 QD最小值为α，正则曲线平台期为β，QD两点高于阈值β 或γ表明具有显著性或极其显著性差异[17]。据自定义常数 ∑，将阈值划分成细胞分子机能、组织器官机能、整体机能和高级机能，且数值高阈值小。∑< 0.27，0.27≤ ∑<0.47，0.47≤∑<0.80，∑≥0.80，体现无差异、少许差异、显著差异、极其显著性差异，基于此次研究主体为肌肉力及肌电测试，属于组织器官机能，QD值选取0.47 和0.80作为差异阈值。
以SPSS 20.0与Excel 10.0正版软件对数据进行定性分析、定量比较，采用单因素方差分析比较不同组间由坐到站和由站到坐各肌肉力值和肌电值，差异水平显著为P < 0.05，极其显著性差异是P < 0.01。工学统计的自相似一般为随机自相似，亦称为统计自相似，自相似常数以常用阿拉伯数字表示、黄金分割常数0.618表示[18]，指不同数之间的度量，其对数称为黄金指数，2个数之比的黄金对数为过程对数[19]，以0.47≤QD<0.80和QD≥0.80分别代表肌肉值和肌电值达到显著性差异阈值和非常显著差异阈值。
2 结果 Results
2.1 参与者数量分析 24名3组男大学生均完成测试，数据进入结果分析。
2.2 下肢肌肉仿真结果 由表3-5可知，整体由坐到站比由站到坐所表现的肌肉力值更大，因为考虑到重力的原因所在，由坐到站的力大于由站到坐的力。
如表3所示，由坐到站过程中，超重组与肥胖组的股方肌具有显著性差异(P=0.017 < 0.05，0.47≤QD=0.50 < 0.80)，肥胖组与正常组相比，需要募集更大的力，其中股方肌(P=0.000 < 0.01，QD=0.81≥0.80)与耻骨肌(P=0.000 < 0.01，QD=0.89≥0.80)的两组具有极其显著性差异，各组主导发力肌肉为臀中肌。由站到坐过程中，各肌肉力无显著性差异，两过程最大发力肌肉均为臀中肌。
由表4可知，整体相同肌肉由坐到站比由站到坐所表现的力值略有差别，表现为由坐到站的力大于由站到坐的力。由坐到站过程中，正常组与肥胖组的股直肌(P=0.012 < 0.05，0.47≤QD=0.48 < 0.80)、半膜肌(P=0.013 < 0.05， 0.47≤QD=0.473 < 0.80)、股二头肌长头(P=0.016 < 0.05， 0.47≤QD=0.501 < 0.80)具有显著性差异，用力较大的肌肉为股外侧肌、股二头肌长头、股直肌。由站到坐过程中，正常组与肥胖组相比，需要募集更大的力，其中使膝关节屈的缝匠肌具有显著性差异(P=0.014 < 0.05，0.47≤QD=0.50 < 0.80)，用力较大的为股外侧肌和股二头肌长头。
由表5可知，与髋关节和膝关节趋势相同，由坐到站比由站到坐所表现的肌肉力值更大，由坐到站的力整体略大于由站到坐的肌肉力。由坐到站过程中，正常组与肥胖组的腘肌(P=0.045 < 0.05，0.47≤QD=0.54 < 0.80)、比目鱼肌(P=0.014 < 0.05，0.47≤QD=0.48 < 0.80)、胫骨前肌 (P=0.045 < 0.05，0.47≤QD=0.61 < 0.80)具有显著性差异，用力较大的肌肉依次为腓肠肌、胫骨前肌、比目鱼肌。由站到坐过程中，正常组与肥胖组相比，需要募集更大的力，其中使踝关节屈的拇长伸肌(P=0.046 < 0.05，0.47≤ QD=0.77 < 0.80) 、 腓 肠 肌 (P=0.011 < 0.05 ， 0.47 ≤ QD=0.50 < 0.80)具有显著性差异，用力较大的为胫骨前肌、腓肠肌、比目鱼肌。
2.3 RMS肌电结果 由表6可知，在坐平凳状态下，受试者由坐到站过程中，肥胖组股二头肌和腓肠肌均方根肌电值大于正常者和超重者，正常组与肥胖组相比，股二头肌 (P=0.012 < 0.05 ， 0.47 ≤ QD=0.51 < 0.80) 和 腓 肠 肌 (P=0.017 < 0.05，0.47≤QD=0.58 < 0.80)具有显著性差异。由站到坐过程中，肥胖组股直肌、双侧竖脊肌均方根肌电值大于正常组、超重组，正常组股直肌(P=0.015 < 0.05，0.47≤QD=0.50 < 0.80)与肥胖组相比，具有显著性差异。其余肌肉均方根肌电值则是正常组大于肥胖组、超重组，并且组间无显著性差异。
经过统计检验和定量差异比较的表7可知[17]，在由坐到站至由站到坐2个过程中，正常组胫骨前肌具有显著性差异，肥胖组股二头肌具有显著性差异，其余肌肉差异不明显。
由表8可知，在坐瑞士球状态下，受试者由坐到站过程中，肥胖组胫骨前肌和股二头肌均方根肌电值大于正常组和超重组，正常组胫骨前肌(P=0.023 < 0.05，0.47≤ QD=0.50 < 0.80)、股二头肌(P=0.020 < 0.05，0.47≤ QD=0.49 < 0.80)与肥胖组具有显著性差异，其余肌肉均方根肌电平均值则是正常组大于超重组、肥胖组，并且组间无显著性差异。由站到坐过程中，肥胖组胫骨前肌、腓肠肌、双侧竖脊肌均方根肌电值大于正常组、超重组，正常组腓肠肌(P=0.016 < 0.05，0.47≤QD=0.51 < 0.80)、右竖脊肌(P=0.021 < 0.05，0.47≤QD=0.48 < 0.80)与肥胖组具有显著性差异，其余肌肉均方根肌电平均值则是正常组大于超重组、肥胖组，并且组间无显著性差异。经过统计检验和定量差异比较的表9可知，在受试者瑞士球状态的由坐到站至由站到坐两个过程中，正常组胫骨前肌、股直肌、股二头肌具有显著性差异，超重组股直肌、右竖脊肌具有显著性差异，肥胖组的双侧竖脊肌、腓肠肌、股直肌差异显著，其余肌肉无显著性差异。受试者在整体两种由坐到站的方式竖脊肌放电值均为正常组大于肥胖组、超重组，由站到坐的方式则是肥胖组大于正常组和超重组。坐瑞士球状态下，胫骨前肌、股直肌、股二头肌、腓肠肌放电更多，说明瑞士球可以减轻肌肉负荷，增加肌肉激活程度，有锻炼下肢力量的重要作用。
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