利用AnyBody仿真建模软件模拟卧推进行肌肉活动分析

研究背景：

肌肉由细长、圆柱形排列的肌细胞束组成，也称为肌纤维，是肌肉功能的基本单位。

在训练过程中，肌肉纤维会变大，肌肉横截面积和肌肉CAP网络会增加、肌肉和结缔组织会增厚、肌糖原会增加等。

大多数关于肌肉力量训练的文献都只阐述了利用肌肉的生理结构、改进的训练方法和各种训练准备活动来提高肌肉力量的方法，以及强调训练后的放松和营养饮食。但很少有研究检查特定力量训练运动的肌肉收缩特征。

此外，只有少数研究利用模拟人体来检验特定肌肉力量训练活动的电特性，并且对科学叙述方法的研究也很笼统。

研究目的：

本研究利用AnyBody模拟卧推力量训练动作，对人体表面肌电特性和表面肌电方面进行描述和对比分析。

以运动学数据和运动功能形态学的基本原理为研究基础，采用具体的动作结构分析和表面肌电测试方法，分析了肌肉结构的特点和功能以及协作特性的规律。

当AnyBody模拟模型用于分析卧推力量训练时，使用相同重量负荷百分比的不同握距的启用和协作特性为科学的力量训练提供了必要的数据。

研究对象：

六名健康的男性受试者，他们的平均身高、体重和肩宽分别为175.0±3.0 厘米、 71.4±2.2公斤和 50.0±3.0厘米。（实验前测量受试者躯干、上臂、前臂、大腿、小腿、足部的长度，以确定其主要形态指标。）

研究模型构建：

「在本研究中，ScalingLengthMassFat函数根据受试者的身高、体重和主要形态指标的平均值，同时考虑受试者的比例和脂肪百分比，对AnyBody 5.2软件包中的站立模型进行修改，重力被取为9.81  N/kg。」

运动过程中肌肉的收缩无法准确模拟，因为它受到CNS系统（CNS）的调节。因此，当模型需要确定所需的实际肌肉自由度时，如果需要的数量大于模型中的肌肉数量，则可能会出现冗余问题，而AnyBody则提供ME的解决方案。

对于力量模型，象征目标函数，它是 CNS 招募的标准，并较小化活动中所有未知的力量。表示未知力的系统系数矩阵，表示施加的载荷和惯性力，是肌肉力，是肌肉力量。方程( 2 )是多项式准则。式( 3 )作为优化约束，为动态平衡方程。基于肌肉疲劳，其活动性直接与假设力量分布遵循较小化肌肉活动功率总和的优化准则，保证LWST程度的疲劳程度直接相关。

将模型由站立位修改为上臂屈伸仰卧位，并将受试者的平均形态指标导入模型中（图1）。记录过程所需的时间和完成卧推的时间被选择为适合运动中使用的相对负荷，并用作模拟的物理参数。胸大肌群用于近似胸大肌的MAX力量。发现胸大肌力量的输出在练习过程中发生变化。

经过多个受试者形态学输入参数、短握距离和负载后，得到各自的AnyBody模型结果和逆动力学分析，并找到五个MAX的胸大肌力值。

表面肌电

Noraxon表面肌电测试系统记录受试者上臂运动、弓形三角肌、右上臂肱二头肌右侧、右上肢肱三头肌、上肢尺侧腕屈肌、胸肌右侧的肌电数据主要肌肉。

采样周期为3 s，采样频率为1000 Hz。原始肌电信号经过过滤（使用 10-450 Hz 的带通滤波器）和平滑（RMS，50 ms），5 块肌肉的输出经过 3 s 积分后作为肌电图 (IEMG) 值给出。

结果

► 选择人体重量的35%（25公斤）作为相对合适的负载

受试者的前臂弯曲需分别完成10次，并记录完成卧推所需的时间。所有六名受试者都可以卧推 25 公斤的负重，且卧推速度比较稳定。因此，运动员合适的负重选择为25公斤（表1）。

使用三个短握距（40 厘米、50 厘米和 60 厘米）的适当负载（25 公斤）被输入到 AnyBody 仿真软件中，如图 1 和仿真模型所示。使用逆动力学分析来分析胸大肌束应力。对于输入到 AnyBody 模拟的每个参数，35% (25 kg) 的负载和对应于肩宽的 40% (40 cm)、50% (50 cm) 和 60% (60 cm) 的双倍肩宽为作为实验变量来驱动人体的模拟。

► 胸大肌力量

由表2可知，胸大肌在三种握距下的输出力在胸大肌三部分中MAX，胸大肌锁骨占第二部分，两部分肌肉均随握距增大而减小。

不同握距下的胸小肌值分别为114.0 N、108.9 N、136.6 N。即握距等于肩宽时，该值LWST；当握距宽度小于或大于肩宽时，力值较大；当躯干与杠铃的垂直距离较小时，胸小肌的力量MAX。

► 胸大肌占体重35%（25公斤）的变化

卧推运动主要涉及骨骼和肌肉，明显是由上肢肌肉和后躯干部胸大肌带动的。在AnyBody模拟分析中，五块胸大肌表现出相似的受力趋势，其中胸大肌的受力反映了胸大肌的受力变化。如图2所示，将卧推一次归一化。标准化的卧推是从LWST位置的杠铃到MAX位置。显然胸大肌的力量随着杠铃的上升而增强。

► 三握法胸大肌力量分析

在相当于35%体重（25公斤）的负荷下，采用相当于两倍肩宽的40%（40厘米）、50%（50厘米）、60%（60厘米）对应的两倍肩宽，三种不同的握力距离用于完成卧推。

根据表2胸大肌在卧推中起着重要作用，胸小肌的MAX值出现在杠铃处于LWST位置时。短握距离为40cm时，胸大肌力量为433.1N；当短握距离减小到50cm时，胸大肌群的应力为402.3N。当短握距离增加到60cm时，胸大肌群的握力为385.6N。力随着握距的增加而减小，当短握距离较小时，胸大肌会发生强烈收缩，从而导致更高的活动和更大的力量输出（图3）。

► 建模系统模拟手臂伸展时的主要肌肉力量

根据生物力学模拟，表3显示，随着短握距逐渐减小，胸大肌放电量增加，但仍占肌肉力量的大部分。肱三头肌随着握距的增加而减小，而三角肌后束则相反，这说明在卧推过程中，三角肌后束和肱三头肌是胸大肌的主要支撑力量。

使用表面肌电图方法进行验证

► 五次完整卧推的肌肉肌电图 MVC 比率 (%)

每个受试者完成 10 次连续的卧推，较初使用手臂在距离胸部较近的位置支撑杠铃，然后举起杠铃直到手臂完全伸展。

测试前，对25公斤哑铃测试等长肌肉收缩时5个MAX的表面肌电信号进行分析，并标记为MAX随意收缩的肌肉（MVC）。在实验过程中记录均方根肌电图（RMS）。结果可以用一个比率来描述，即RMS除以MVC，可以用来量化肌肉的力量。表4显示，卧推涉及四块肌肉，其中胸大肌、三角肌和三头肌的平均放电量对于卧推期间的肌肉力量非常重要。

► 卧推过程中四块肌肉的 MVC 比率（%）比较

MVC%是用电峰值除以肌肉等张收缩的电峰值得出的量，反映了卧推所涉及的肌肉，得出的结论是该比率可以量化反应肌的启用水平。

表5显示了 6 名受试者在 25 公斤负荷下使用三种短握距离完成 10 次卧推，并且 MVC%、胸大肌和三角肌处于较高的启用水平。胸大肌水平的启用和短握力都有显着的相关性。

而图4所示，胸大肌力量随着短握距离逐渐减小而增加，但仍占肌肉力量的大部分。随着短握距离的增加，三头肌和三角肌为握力提供力量，这表明三角肌和三头肌是卧推完成时胸大肌的主要辅助动力源。

►MAX应力和胸大肌 MVC% 变化分析

在 AnyBody 模拟中进行卧推时，胸大肌的MAX应力反映了胸大肌的力量输出；MVC%是在肌肉收缩前发现的，以确定电峰值比、放电水平和肌肉启用程度的变化。

如图5所示，MAX应力与胸大肌MVC%密切相关（相关指数：R=0.991，P<0.05）并且能够对卧推过程中胸大肌的变化做出反应。在卧推过程中使用 40 cm、50 cm 和 60 cm 短握距时，胸大肌MAX应力和胸大肌 MVC% 值随着短握距的增加而减小，这证实了胸大肌力量输出随着短握距减小而增加的观察结果。握距，胸大肌的启用水平随着短握距的增加而降低。

►使用不同的短握距的积分肌电活动值

RMS在一定程度上是指肌电曲线包络周期的幅度，表征了一次完全放电过程中一定时间段内的运动单位。

卧推时，用胸大肌电值的时间积分来量化肌肉放电值，反映胸大肌的水平和放电情况。如图6所示，六名受试者的IEMG值较大，这解释了为什么胸大肌是卧推涉及的主要肌肉之一。六名受试者的积分电值随着短握距离的增加而减小；胸大肌的放电表明力量输出减少。

结论

不同的负荷会影响卧推期间肌肉的力量，从而影响训练效率和运动员的体能水平。因此，确定卧推合适的训练负荷至关重要。

改变短握距离会导致卧推期间胸肌群的力量输出发生变化。随着短握距的增加，胸大肌在卧推过程中产生的力量更小。40厘米宽的胸大肌群握力为433.1N；当短握距增加到50 cm时，应力减小到402.3 N。当短握距宽度增加到60 cm时，短握距力为385.6 N。随着杠铃高度的增加，胸大肌的放电量增加。

不同握距下的胸小肌值分别为114.0 N、108.6 N、136.6 N。当握距等于肩宽时，胸小肌值LWST；当握距等于肩宽时，胸小肌值LWST；当握把宽度小于或大于肩宽时，该值较大。

在卧推过程中，后三角肌和三头肌是主要肌肉的主要支撑。AnyBody软件与表面肌电图结果一致，证明AnyBody软件具有较高的有效性。

卧推时，胸大肌放电随着杠铃高度的增加而增加，胸大肌表面肌电值随着短握宽度的增加而逐渐减小。随着短握距离的增加，三角肌后束和肱三头肌表面肌电放电增加；因此，随着短握距离的增加，三角肌和三头肌在卧推过程中会协助胸大肌。