力竭性“拉長—縮短周期”運動中離心收縮和向心收縮階段肌肉疲勞和損傷及下肢主要關(guān)節(jié)用力特征研究

徐　飛　趙　恒　吳　健　趙　洪

(1.北京體育大學(xué)研究生院，北京 100084；2.重慶師范大學(xué)體育學(xué)院，重慶 400047)

摘 要：目的：觀察在“拉長—縮短周期”運動中肌肉離心收縮和向心收縮后的疲勞、損傷狀況和下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)的用力特征，為運動訓(xùn)練和預(yù)防損傷提供理論參考。方法：11名健康男性受試者通過確立的疲勞運動模型進行力竭性“拉長—縮短周期”運動，通過測試肌電圖、關(guān)節(jié)用力分布特征和關(guān)節(jié)力量的變化評價SSC過程中肌肉離心、向心收縮階段的疲勞損傷特征。結(jié)果：1)SSC運動后，肌肉向心收縮期的能力迅速降低，運動后10 min左右恢復(fù)，在運動后2 d、4 d基本保持在同一水平；而離心階段呈現(xiàn)出延遲性降低的特征。2)既定運動模型中，制動和爆發(fā)用力的蹲起階段，膝關(guān)節(jié)承受的負荷最大。3)肌肉離心收縮后EMG和CK活性都呈現(xiàn)延遲性恢復(fù)的特征。結(jié)論：力竭性SSC運動中的離心收縮更容易造成肌肉的延遲性疼痛，且肌肉疲勞后恢復(fù)較慢。肌肉在向心收縮階段，沒有出現(xiàn)的明顯的延遲性肌肉疼痛和/或損傷。力竭性SSC運動中膝關(guān)節(jié)是承受負荷的主要關(guān)節(jié)；髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)表現(xiàn)出對膝關(guān)節(jié)運動能力減弱的補償性增長，共同構(gòu)成下肢完成技術(shù)動作的協(xié)調(diào)機制。

關(guān)鍵詞：拉長—縮短周期運動；運動控制；肌肉疲勞；肌肉損傷

中圖分類號：G804.6文獻標識碼：A文章編號：1007-3612(2008)10-1361-04

Muscle Fatigue and Injury in Exhaustive Stretch-shortening Cycle Exercise and the Lower Limb Joint Power

Contribution in Eccentric and Concentric Concentration Phase

XU Fei1, ZHAO Heng2, WU Jian2, ZHAO Hong2

(1. School of Sport Science, Beijing Sport University, Beijing 100084, China;

2.School of Physical Education, Chongqing Normal University, Chongqing 400047, China)

Abstract:Objective: The purpose of the present study is to investigate the effect of muscle fatigue and injury and lower limb joint power contribution after exhaustive stretch-shortening cycle (SSC) exercise, so as to supply some reference for training and prevention. Methods: 11 healthy male volunteers participate in the SSC fatigue model, assesses characteristics of fatigue and injury in eccentric and concentric phase via EMG, joint contribution and joint peak power in eccentric and concentric phase. Results 1) Muscle concentric performance decreases immediately after exhaustive SSC, recovers within 10min and remains at the same level follow up 2 and 4 days. However, recovery delays after eccentric contraction. 2) Knee joint endures the heaviest loads in aforementioned exercise model. 3) EMG and CK activity shows delayed recovery symptom after eccentric contraction of SSC. Conclusion: Eccentric contraction in exhaustive SSC induces DOMS obviously, and recovers slowly. However, there's no obvious DOMS or injury symptom after concentric phase. Knee joint extensors are the main generators during SSC, and the hip and ankle joint contribution increases so as to compensate for the lost knee joint function. All of aforementioned points make up of coordinate mechanism of lower limb.

Key words: stretch-shortening cycle exercise; motor control; muscle fatigue; muscle injury

在比賽和訓(xùn)練中，最接近比賽形式的就是“拉長—縮短周期”運動(Stretch-shortening Cycle, SSC)。SSC運動過程可粗略分為離心收縮(肌肉預(yù)拉長)、收縮偶聯(lián)期和向心收縮(肌肉縮短)3個時期^[1-4]，其能使肌肉在縮短過程中(向心收縮)將肌肉預(yù)拉長時期所積蓄的彈性勢能更快的表現(xiàn)出來，能募集更多的肌纖維、動員更多的快肌運動單位參與運動，表現(xiàn)為更大的爆發(fā)力^[1,2]。也有研究證實，SSC運動對神經(jīng)、肌肉的協(xié)調(diào)控制能力有更好的促進作用，也能更有效地刺激肌肉力量的增長^[5]；但更易導(dǎo)致肌肉疲勞、損傷和/或延遲性肌肉疼痛^[6-8]。SSC運動雖然包括了肌肉離心和向心運動兩個階段，但其運動過程中運動單位的募集和激活程度不同于純粹的離心和向心運動^[1]。肌肉進行短時大強度SSC運動與單純的向心、離心運動相比，更易導(dǎo)致肌血乳酸的堆集、肌肉疲勞和延遲性肌肉酸痛^[9]。但是力竭性SSC運動中不同收縮階段對肌肉運動能力、牽張反射、肌肉疲勞損傷特征和機制卻不甚明了，故本實驗重點考察了這一點。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象 11名無訓(xùn)練經(jīng)歷男性的大學(xué)生自愿參與本實驗。其基本生理情況為( X±SD )：年齡(22±2.1)歲，身高(176±4.3)cm，體重(64±5.6)kg，查體無疾病，實驗過程中有醫(yī)務(wù)監(jiān)督人員。

1.2 研究方法

1.2.1 SSC疲勞運動模型 本實驗運動模型修改自Horita(1996^[5], 1999^[7])，Nicol(1996)^[10]所確定的疲勞運動模型。受試者在坡度為25°左右的下斜板上進行SSC運動，其腰部負體重的15%重量在下斜板上進行連續(xù)的雙腿負重下蹲動作(圖1 A)，要求受試者下蹲過程中臀部接觸到腳跟時，盡可能快的蹲起，整個過程爆發(fā)性用力。制動(braking phase)和蹬離階段(push off phase)間的肌肉預(yù)拉長(pre-activity)時間控制在150ms以內(nèi)，以保證SSC過程爆發(fā)性用力特征^[11]。

預(yù)試驗時測定每名受試者所能蹲起的最大高度，并以此作為評價運動能力的指標。正式實驗時要求受試者每次蹲起需完成最大高度的70%(平均為62 cm±6 cm)。力竭判斷標準：1) 口頭鼓勵不能堅持完成動作；2) 負重蹲起時膝關(guān)節(jié)不能達到90°；3) 疲勞后，3次嘗試蹲起的高度不能達到最大蹲起高度的40%。

蹲起過程由兩部分組成：1)下落階段(DJ, 圖1A)，從預(yù)先設(shè)置好的70 cm高度(能使下肢伸肌肌群在肌肉向心收縮后完全拉伸的距離)向斜下方運動，經(jīng)制動后轉(zhuǎn)換向上彈起的過程；文獻表明，SSC運動離心階段后即刻肌肉疲勞癥狀明顯^[5,10]，故本實驗只在此階段恢復(fù)期20 min、2 d、4 d重復(fù)測試。2)蹲起階段(SJ, 圖1B)，在不預(yù)拉長肌肉的情況下保證大腿伸肌完成最大速度向心收縮。在受試者力竭后即刻(0 min)、恢復(fù)期10 min、20 min、恢復(fù)2 d、4 d后重復(fù)測試。

圖1 SSC運動過程示意圖(A,B)及一名受試者在SSC運動中

下落階段(Drop Jump, DJ)和蹲起階段(Squat Jump,SJ)中

股直肌(VL)和腓腸肌(GA)的肌電圖、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的

用力特征分析。

1.2.2 運動過程中下肢各關(guān)節(jié)的運動學(xué)測試 在受試者右側(cè)用高速攝像機(NAC，HSV 200，Japan)記錄SSC每個蹲起過程(100幀/s)。數(shù)據(jù)采集點設(shè)在頭部、肩關(guān)節(jié)、股骨大轉(zhuǎn)子部位、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)和第五跖骨。各點采得的數(shù)據(jù)用7 Hz的頻率進行降噪處理，輸入數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)(APAS，Ariel Dynamics Inc., Calif., USA)計算出髖、膝、踝關(guān)節(jié)的角速度和線速度。此外，整個運動過程中受試者所受到的重力和重力的分力用Winter(1979)^[12]提出的公式進行校正。下肢關(guān)節(jié)(髖、膝、踝關(guān)節(jié))運動軌跡采用Aleshinsky(1986)^[13]和Horita(1991)^[14]等建立的模型處理。在本實驗中，頭部、軀干、大腿部、小腿部和足部五個部位用電極連接，主要用于記錄各點代表的關(guān)節(jié)在運動中所承受的負荷特征。測試結(jié)果用各關(guān)節(jié)功率曲線表示。

1.2.3 蹲起過程中表面肌電圖(EMG)的測定 表面肌電圖(EMG)：通過微電極法測試每名被試右腿股直肌(vastus lateralis, VL)、股內(nèi)側(cè)肌(vastus medialis, VM)、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭(medial gastrocnemius, GA)和比目魚肌(Soleus, SO)來確定，主要記錄運動過程中肌肉預(yù)拉長階段、制動階段和發(fā)力蹬離階段(圖1)的肌電圖變化。電極縱向貼置于肌腹，電阻設(shè)置為2 000Ω。精確記錄電極放置位置，以確保重復(fù)測量時電極位置的一致性和結(jié)果的準確性。收集到的肌電信號通過一個采樣頻率為12位的A/D轉(zhuǎn)換器(頻率設(shè)置為1 000 Hz)^[15]輸入計算機實時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(Codas, Dataq Instruments Inc.,USA)分析。

1.2.4 血乳酸和血清肌酸激酶活性(Creatine Kinase, CK) 測試安靜時、力竭性SSC運動后即刻、恢復(fù)期3、5和30 min血乳酸濃度(YSI 1500, USA)。測試安靜時、恢復(fù)期30 min、恢復(fù)2 d和4 d后的CK濃度(Rayto 1904, USA)。

1.3 數(shù)據(jù)處理 采用STATISTICA v6.0(StatSoft, Okla., USA)對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理，數(shù)據(jù)用均數(shù)±標準差( X±SD )表示。雙因素方差分析(MANOVA，重復(fù)測量次數(shù)×SSC中DJ、SJ兩個階段)用于分析運動前后的肌肉疲勞變化和各關(guān)節(jié)用力特征等指標，多重比較(post-hoc)用LSD法。因DJ階段0 min和10 min未測量，所以對運動前、運動后20 min、2 d和4 d4個水平的值進行多重比較。血乳酸和CK不同時間取值的比較，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)，顯著性差異α水平皆置為 P ≤0.05。

2 結(jié) 果

2.1 力竭性SSC運動前后運動能力的變化 ┆受試者至力竭完成了(89±26)次SSC運動，平均用時(2.7±0.9)min。從力量變化曲線可觀察到受試者在力竭SSC運動中的力量峰值、力量衰減速率和力竭運動的時間變化情況，反應(yīng)出受試者本實驗中的疲勞過程(圖2)。力量峰值和停滯期轉(zhuǎn)向向心收縮期分別從(1 585±210)N降到(1 308±293)N( P <0.05)，從(1 344±269)N降到(1 095±36)N( P <0.01)。而最后10次蹲起的時間為(696±97)ms，顯著高于運動初始時的10次連續(xù)蹲起時間(526±85)ms( P <0.05)；最初10次蹲起的膝關(guān)節(jié)平均角速度為(54±10)°/s，最后10次平均角速度為(45±7)°/s( P <0.05)。

圖2 一位受試者在力竭性SSC運動中的力量變化曲線

(此受試者與圖1為同一人)

2.2 離心收縮期和向心收縮時期肌肉運動能力的變化 ┆由圖1可知，SSC運動過程中，肌肉離心收縮、向心收縮兩個階段的力量曲線、所用時間各不相同，從總的做功量來看，離心收縮期大于向心收縮期。且由于離心收縮期包括了制動轉(zhuǎn)換的階段，所以做功量有一些損失^[15]。從蹲起成績來看，在SSC運動后，肌肉向心收縮期的能力迅速降低，但運動后10 min左右恢復(fù)，在運動后2 d、4 d基本保持在同一水平，而離心階段呈現(xiàn)出延遲性降低的特征。兩個階段下肢主要關(guān)節(jié)在4 d后也呈現(xiàn)出不同的運動學(xué)特征(表1)。

表1 SSC運動中下落階段(DJ)和蹲起階段(SJ)蹲起高度和下肢各主要關(guān)節(jié)用力分布特征( X±SD )

蹲起階段運動前運動后即刻運動后10 min運動后20 min運動后2 d運動后4 d雙因素方差

2.3 下肢各關(guān)節(jié)點最大力量的變化 ┆下肢各關(guān)節(jié)點運動過程中功率曲線見圖3。在既定運動模型中，在制動和爆發(fā)用力的蹲起階段，膝關(guān)節(jié)承受的負荷最大。ハ輪各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)用力分布特征見表1，最大力量變化見表2。在向心收縮階段，關(guān)節(jié)用力分布在SSC運動后無明顯變化，而膝、踝關(guān)節(jié)最大力量顯著降低。但10 min和20 min后即恢復(fù)到運動前水平。在離心收縮期，膝關(guān)節(jié)用力分布和最大力量都降低；踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)在SSC運動后降低，在恢復(fù)期卻輕微增高；其中踝關(guān)節(jié)主動收縮能力和髖關(guān)節(jié)的退讓性力量在恢復(fù)2 d、4 d后都增強。而膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)在離心收縮和向心收縮后，呈現(xiàn)出不同的恢復(fù)特征(表2)。圖3 下肢關(guān)節(jié)功率變化曲線表2 SSC運動中下落階段和蹲起階段下肢各主要關(guān)節(jié)最大力量的變化情況

蹲起階段運動前運動后即刻運動后10 min運動后20 min運動后2 d運動后4 d雙因素方差

2.4 向心收縮和離心收縮階段EMG的變化情況 不同時間測得的EMG值用占上次測得值的百分比(Δ%)表示，絕對值用mV表示。SJ階段EMG并未顯示出明顯差異。雖然腓腸肌(GA)EMG在運動后即刻平均降低了19%，但由于個體差異很大，并無統(tǒng)計學(xué)意義( P >0.05)(圖4)。DJ階段，SSC運動后2 d和4 d，膝關(guān)節(jié)伸肌(VL和VM)顯著性降低( P <0.05)。GA EMG在運動后第4 d也顯示出延遲性降低的特征。

2.5 血乳酸和CK的變化情況 血乳酸濃度與安靜時(1.98±0.3 mmol/L)相比，運動后3 min為(8.9±1.1)mmol/L( P <0.01)，5 min時為(10.1±0.8)mmol/L( P <0.01)，在30 min時為(2.4±0.8)mmol/L。血清CK與安靜時(134±37 U/L)相比，在運動后2 d和4 d明顯升高，分別為(386±81)U/L， P <0.05；(251±79)U/L， P <0.05。圖4 SSC運動中SJ階段腿部肌肉肌電圖的變化情況

3 討論與分析

從肌肉運動能力變化和關(guān)節(jié)用力分布特征來看，力竭性SSC運動后，肌肉在離心和向心收縮期呈現(xiàn)出不同的疲勞特征。力竭性SSC運動后：1) 肌肉向心收縮力量迅速降低，這與Gollhofer等^[16]的研究結(jié)果部分一致，其發(fā)現(xiàn)上肢肌肉力竭性SSC運動后，短時間內(nèi)向心收縮能力大幅降低。但本實驗發(fā)現(xiàn)，運動后10 min左右肌肉向心收縮能力即基本恢復(fù)，在運動后2 d、4 d基本保持在同一水平。2) 離心收縮后，肌肉力量呈現(xiàn)出延遲性降低的特征。運動后2 d、4 d仍未恢復(fù)到運動前水平，同期的CK活性也有相同趨勢。結(jié)果揭示，力竭性SSC運動較易導(dǎo)致肌肉急性代謝疲勞和延遲性肌肉酸痛癥狀，其中，肌肉向心收縮能力(克服阻力做功)恢復(fù)較快；肌肉離心收縮能力恢復(fù)較慢且更易造成肌肉損傷。提示力竭性SSC運動應(yīng)注意肌肉離心收縮的負荷以及運動后有針對性的恢復(fù)，在訓(xùn)練中提高相關(guān)肌肉群退讓性力量有利于提高運動成績和防止運動損傷。

在蹲起階段(SJ)，因受試者靠在下斜板上進行同一方向的蹲起運動，所以假設(shè)這個階段膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)伸肌做的是單純的向心收縮運動^[5,7,10,15]。在下落階段(DJ)，肌肉在離心收縮后經(jīng)歷一個短暫停滯期然后迅速進行向心收縮(圖1)。所以快肌運動單位在DJ階段最大程度的被募集^[17]。在每個SSC周期中，肌肉預(yù)拉長和制動階段對運動成績(跳起高度)非常重要^[18]。所以，不同的SSC運動模型給肌肉造成的疲勞損傷情況是不同的(本實驗設(shè)定的離心→向心階段轉(zhuǎn)換時間小于150 ms)。從下肢各關(guān)節(jié)點最大力量的變化結(jié)果可知，SSC運動在制動和蹬起階段膝關(guān)節(jié)承受負荷最大；這也是在籃球運動中滑步、排球運動中起跳、田徑運動中的跳深練習(xí)等運動形式易造成膝關(guān)節(jié)周圍肌肉和半月板損傷的重要原因。在運動后2 d和4 d，肌肉離心收縮時膝關(guān)節(jié)用力分布和力量都有不同程度的降低(表1、表2)。在運動后即刻，膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角速度較運動初始階段明顯降低。這說明本實驗的采用的運動模型使膝關(guān)節(jié)承受的運動負荷較大，接近于比賽和訓(xùn)練的運動形式。相比較而言，踝、髖關(guān)節(jié)向心收縮時的力量在恢復(fù)2 d和4 d后出現(xiàn)對膝關(guān)節(jié)運動能力減弱的補償性增長，這共同協(xié)調(diào)構(gòu)成了下肢在運動過程中完成各種技術(shù)動作的調(diào)節(jié)能力。

綜合各關(guān)節(jié)在既定運動模型中踝、髖關(guān)節(jié)在離心、向心收縮時的不同用力分布特征及恢復(fù)情況，提示SSC運動主要是通過肌肉離心運動階段施予各關(guān)節(jié)周圍肌群受力，通過改善髖、踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)間的相對力量的平衡來提高運動能力，而向心階段受到的影響則相對較小。提示在訓(xùn)練和比賽中可根據(jù)受試者各項目具體情況制定其各主要運動關(guān)節(jié)的訓(xùn)練計劃和確定相應(yīng)的康復(fù)手段。

普遍認為是運動導(dǎo)致的肌原纖維超微結(jié)構(gòu)(myofibrillar structure)性損傷引發(fā)了延遲性肌肉疼痛等癥狀，但其代謝機制尚不明了^[19]。SSC周期中肌肉向心收縮階段，牽張反射和肌肉收縮能力與運動成績密切相關(guān)^[20]，大強度SSC運動造成的肌肉疲勞能明顯降低肌肉的敏感性和肌肉彈性^{[5，10]}，也更容易造成神經(jīng)—肌肉接頭處的疲勞，總的表現(xiàn)為運動能力下降。CK作為肌肉損傷和恢復(fù)的間接診斷指標^[21,22]，其活性在運動后2 d、4 d顯著增高，說明力竭性SSC運動對肌肉有較大的刺激性，在運動后4 d肌肉仍處于疲勞狀態(tài)。同時，運動后3 min和5 min血乳酸水平顯著高于運動前，運動后30 min基本恢復(fù)到安靜水平。結(jié)合關(guān)節(jié)受力特征和肌電圖，說明肌肉內(nèi)代謝產(chǎn)物的增加反過來也可能影響到肌肉牽張反射及收縮力量，這也可能是影響到運動能力的一個重要原因。SSC運動造成的肌肉疲勞和/或損傷的機制可能是運動后“神經(jīng)—肌肉”接頭處的敏感性降低，直接或間接地導(dǎo)致了肌肉肌梭和腱梭前突觸部位的敏感性下降，致使其接受神經(jīng)遞質(zhì)的能力降低^[5,10,23-26]。Horita等(1996)^[5]在短時大強度SSC運動造成的肌肉疲勞模型中也得出了相似結(jié)論。

在運動后20 min，SJ階段的腓腸肌EMG 出現(xiàn)了明顯的延遲性降低。在SSC運動中，GA肌肉是小腿蹬離地面時最主要的發(fā)力肌肉^[11,27]，也是腿部重要的雙關(guān)節(jié)肌(起自股骨內(nèi)、外側(cè)髁，止于跟腱)，其中膝關(guān)節(jié)主要起杠桿作用將肌肉產(chǎn)生的力量在近關(guān)節(jié)和遠關(guān)節(jié)之間傳輸，從而在大肌肉群發(fā)力和制動緩沖的時候起到重要作用^[28]。此外，有研究觀測到在快速SSC運動中GA首先被募集用于運動發(fā)力^[29]。而本實驗結(jié)果顯示，向SJ過程中GA EMG無明顯的延遲性改變(圖4)，所以，可以推斷出在SSC周期的離心和向心階段，GA肌肉是主要的發(fā)力和緩沖肌肉，其承受負荷的能力也非常強。離心階段GA出現(xiàn)延遲性力量降低，說明離心收縮后對肌肉損傷更大，肌肉恢復(fù)較慢。

4 結(jié) 論

在力竭性SSC運動中，肌肉代謝疲勞是造成運動能力下降的主要原因，且能明顯地影響到肌肉的收縮能力。其機制可能主要是因為“拉長—縮短”周期中離心階段造成的肌纖維結(jié)構(gòu)的變化和“神經(jīng)—肌肉”突觸興奮性降低時肌肉牽張反射和收縮能力降低；SSC運動使肌肉代謝產(chǎn)物堆積也是造成肌肉疲勞和運動能力下降的原因。チ竭性SSC運動后，受試者肌肉離心收縮后的蹲起高度、關(guān)節(jié)用力分布及力量、EMG等指標的變化都表明離心收縮更容易造成肌肉的延遲性疼痛，且肌肉疲勞后恢復(fù)較慢。肌肉在向心收縮階段，沒有出現(xiàn)的明顯的延遲性肌肉疼痛和/或損傷。ハス亟讜諏竭性SSC運動中是承受負荷的主要關(guān)節(jié)；腿部肌肉疲勞后，髖、踝關(guān)節(jié)表現(xiàn)出對膝關(guān)節(jié)運動能力減弱的補償性增長，共同構(gòu)成下肢完成技術(shù)動作的協(xié)調(diào)能力。

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