不同強(qiáng)度快速伸膝運(yùn)動(dòng)對(duì)股四頭肌肌電圖平均功率頻率和輸出功率的影響*

董雪芬

(浙江師范大學(xué) 體育與健康科學(xué)學(xué)院,浙江 金華 321004)

表面肌電信號(hào)(surface electromyography,sEMG)是神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動(dòng)時(shí)的生物電變化經(jīng)貼在皮膚表面的電極引導(dǎo)并通過(guò)儀器放大后的電壓時(shí)間序列信號(hào).基礎(chǔ)研究表明，大腦皮層通過(guò)電信號(hào)控制運(yùn)動(dòng)單元，肌肉中很多運(yùn)動(dòng)單元的動(dòng)作電位在時(shí)間和空間上疊加就形成了表面肌電信號(hào)，它可以反映神經(jīng)肌肉功能.sEMG是一種簡(jiǎn)單、無(wú)創(chuàng)、準(zhǔn)確、重復(fù)性高的檢測(cè)手段，在臨床、康復(fù)、科研上都有廣泛應(yīng)用[1-2].肌電信號(hào)指標(biāo)常見(jiàn)的有時(shí)域指標(biāo)平均肌電值(average EMG,AEMG)和頻域分析指標(biāo)平均功率頻率(mean power frequency,MPF).肌肉活動(dòng)時(shí)，AEMG是某一時(shí)間內(nèi)動(dòng)作電位的平均幅值，它跟肌肉活動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)單位激活的數(shù)量、運(yùn)動(dòng)單位類型及其同步化程度有關(guān)；MPF是反映信號(hào)頻率特征的生物物理指標(biāo)，其高低與外周運(yùn)動(dòng)單位動(dòng)作電位的傳導(dǎo)速度有關(guān)，它同時(shí)反映中樞控制的頻域信息.研究表明，伴隨著肌肉疲勞的發(fā)生和發(fā)展，AEMG逐漸上升，MPF則逐漸下降[3-4].以往研究較多采用靜態(tài)負(fù)荷，在靜態(tài)運(yùn)動(dòng)中,sEMG頻域分析指標(biāo)均呈現(xiàn)一定的特征變化[5-6]，而動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中除了時(shí)域指標(biāo)AEMG之外均未發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律，在不同負(fù)荷形式下肌肉收縮力或輸出功率的變化與MPF之間的關(guān)系有待進(jìn)一步研究.Masuda等[3]觀察了股四頭肌在5個(gè)不同角速度下分別進(jìn)行40%～70% MVC (maximum voluntary contraction) 4個(gè)等級(jí)收縮時(shí)的sEMG，發(fā)現(xiàn)MPF與力無(wú)相關(guān)性，但是會(huì)受到角速度的影響.Muro等[7]發(fā)現(xiàn)了股直肌在20%MVC用力狀況下，MPF與角速度呈正向相關(guān).Geulle等[8]在等速實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)股四頭肌的MPF與角速度無(wú)明顯相關(guān)，而肌肉的最大輸出功率與角速度呈負(fù)相關(guān)，由此推論MPF與輸出功率無(wú)關(guān).而股外肌MPF隨負(fù)荷功率的遞增呈現(xiàn)先升后降的關(guān)系[9].有研究發(fā)現(xiàn)，MPF在不同個(gè)體中分別呈現(xiàn)不同規(guī)律：隨著負(fù)荷的增加，MPF分別呈現(xiàn)減小、先增后減及先減后增3種規(guī)律[10].Gerdle等[11]發(fā)現(xiàn)做重復(fù)動(dòng)態(tài)收縮時(shí)，40～60次階段輸出功率下降然后保持一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)不再下降，輸出功率的下降與MPF的變化呈顯著相關(guān)[12].因此,筆者認(rèn)為MPF可在動(dòng)態(tài)負(fù)荷時(shí)預(yù)測(cè)疲勞，股四頭肌三塊肌群的相關(guān)系數(shù)為0.63～0.72.而有的研究則發(fā)現(xiàn)MPF與輸出力矩/力的關(guān)系呈現(xiàn)出多面性，它們只是部分相關(guān)并由不同的機(jī)制決定[13].大負(fù)荷動(dòng)態(tài)疲勞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)40～60次的最大力收縮被試疲勞，MPF和輸出力矩存在顯著相關(guān)性[14].有研究認(rèn)為動(dòng)態(tài)收縮比靜態(tài)收縮更耗體力，需要更快的ATP生成速度，因?yàn)槭湛s和伸展都需要能量[15].動(dòng)態(tài)負(fù)荷下考察頻域指標(biāo)與輸出功率間關(guān)系的研究較少，得到的結(jié)果也不一致.因此,本研究擬考察：1)不同強(qiáng)度快速伸膝運(yùn)動(dòng)對(duì)股四頭肌sEMG信號(hào)MPF下降率的影響；2)不同強(qiáng)度快速伸膝運(yùn)動(dòng)對(duì)伸膝平均輸出功率下降率的影響；3)不同強(qiáng)度快速伸膝運(yùn)動(dòng)過(guò)程中股四頭肌MPF下降率與伸膝平均輸出功率下降率的相關(guān)性.為進(jìn)一步闡明動(dòng)態(tài)肌肉活動(dòng)的中樞控制理論和建立更加有效的肌肉疲勞評(píng)價(jià)方法提供實(shí)驗(yàn)依據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

健康青年男性大學(xué)生志愿者17名，年齡(20±1.44)歲，身高(1.72±0.03)m，體重(63.35±6.91) kg.身體健康狀況良好，下肢無(wú)損傷和疾病，實(shí)驗(yàn)前24 h內(nèi)未從事劇烈運(yùn)動(dòng)，無(wú)任何肌肉疲勞現(xiàn)象.熟悉運(yùn)動(dòng)負(fù)荷方法和實(shí)驗(yàn)要求.

1.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象與方法

實(shí)驗(yàn)采用單因素被試內(nèi)設(shè)計(jì)，自變量為運(yùn)動(dòng)負(fù)荷.測(cè)試前受試者先進(jìn)行30 min準(zhǔn)備活動(dòng)，包括慢跑、牽拉練習(xí)和熟悉輸出功率測(cè)試器的使用方法.本研究所采用的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷分別為小負(fù)荷(105.8 kg)、中負(fù)荷(140.9 kg)、大負(fù)荷(176.4 kg)，要求受試者以最大努力完成30次的全力蹬踏運(yùn)動(dòng)，動(dòng)作間隔為1 s，受試者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中雙腳始終固定在一個(gè)位置上.3次運(yùn)動(dòng)負(fù)荷之間間隔3 min.運(yùn)動(dòng)負(fù)荷工具為澳瑞特坐姿平蹬訓(xùn)練器，被試腰部和腳部固定于訓(xùn)練器上，初始位置時(shí)被試腿部處于較大收縮位，通過(guò)蹬踏帶動(dòng)連于坐底的負(fù)重塊.采集股四頭肌sEMG信號(hào)和每次動(dòng)作時(shí)間、距離.被試實(shí)驗(yàn)中的負(fù)重順序通過(guò)隨機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)平衡順序效應(yīng).

1.3 檢測(cè)指標(biāo)

輸出功率：根據(jù)每次運(yùn)動(dòng)時(shí)間和距離算出單次運(yùn)動(dòng)速度v.F為負(fù)荷重力，每次被試的蹬踏都經(jīng)歷加速和減速過(guò)程，根據(jù)動(dòng)量守恒原則，可由公式P=F·v算出每次運(yùn)動(dòng)平均功率.sEMG信號(hào)MPF下降斜率：采用雙極肌電記錄系統(tǒng)(MC6000,Mega electronics,Kuopio,Finland)分別記錄受試者在完成3個(gè)負(fù)荷股四頭肌(外側(cè))、股直肌、股四頭肌(內(nèi)側(cè))伸膝運(yùn)動(dòng)的輸出功率的全部肌電信號(hào).肌電圖采樣頻率為1 000 Hz，分別選取3個(gè)負(fù)荷下股四頭肌(外側(cè))、股直肌、股四頭肌(內(nèi)側(cè))伸膝運(yùn)動(dòng)的輸出功率的全部sEMG進(jìn)行MPF分析，計(jì)算MPF下降斜率(Hz·s-1)，作為反映股四頭肌(vastus lateralis)抗疲勞能力的指標(biāo).

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

2 結(jié) 果

2.1 頻域指標(biāo)MPF變化規(guī)律

在3個(gè)不同負(fù)荷下，受試者的MPF均表現(xiàn)出明顯的遞減變化趨勢(shì),具體見(jiàn)圖1～圖3，相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)股四頭肌外側(cè)和股直肌MPF與次數(shù)存在負(fù)相關(guān)，股四頭肌內(nèi)側(cè)與次數(shù)不相關(guān)(見(jiàn)表1).單因素方差分析顯示不同負(fù)荷對(duì)各肌肉MPF均有顯著影響,具體見(jiàn)表1.

2.2 功率變化規(guī)律

在3個(gè)負(fù)荷下，功率變化存在不同趨勢(shì)(見(jiàn)圖4)，相關(guān)分析發(fā)現(xiàn):小負(fù)荷時(shí)功率隨次數(shù)上升；中負(fù)荷時(shí)不變；大負(fù)荷時(shí)下降.具體見(jiàn)表2

表1 MPF與運(yùn)動(dòng)次數(shù)的相關(guān)性

注:*表示P<0.05,**表示P<0.01.

圖1 運(yùn)動(dòng)次數(shù)與股外肌MPF的關(guān)系

圖2 運(yùn)動(dòng)次數(shù)與股內(nèi)肌MPF的關(guān)系

圖3 運(yùn)動(dòng)次數(shù)與股直肌MPF的關(guān)系

圖4 運(yùn)動(dòng)次數(shù)與輸出功率的關(guān)系

表 2 功率與運(yùn)動(dòng)次數(shù)的相關(guān)性

2.3 負(fù)荷重量對(duì)MPF下降斜率的影響

單因素方差分析發(fā)現(xiàn)負(fù)荷重量對(duì)各肌肉MPF下降斜率無(wú)顯著影響(見(jiàn)表3)，多重比較發(fā)現(xiàn)各負(fù)荷水平之間MPF下降斜率無(wú)顯著差異.

表3 負(fù)荷重量對(duì)MPF下降斜率的影響

2.4 負(fù)荷重量對(duì)功率下降斜率的影響

不同強(qiáng)度快速伸膝運(yùn)動(dòng)對(duì)伸膝平均輸出功率下降斜率有明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(F=27.44,P=0.00)(見(jiàn)表4)，3個(gè)負(fù)荷輸出功率分別呈現(xiàn)上升、不變和下降的趨勢(shì).

表4 負(fù)荷重量對(duì)平均輸出功率下降率的影響

2.5 MPF下降斜率和功率下降斜率的相關(guān)性

MPF下降斜率與伸膝平均輸出功率下降斜率的變化關(guān)系如表5所示.從表5可以看出，在不同負(fù)荷下股外肌、股直肌和股內(nèi)肌的MPF下降斜率與伸膝平均輸出功率下降斜率沒(méi)有相關(guān)性，統(tǒng)計(jì)學(xué)分析表明其無(wú)明顯統(tǒng)計(jì)學(xué)差異.

3 討 論

MPF是反映sEMG頻率變化的特征性指標(biāo)，其高低與外周運(yùn)動(dòng)單位動(dòng)作電位的傳導(dǎo)速度、參與活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)單位類型及其同步化程度有關(guān).以往眾多研究發(fā)現(xiàn)，MPF下降與肌肉疲勞密切相關(guān)[16-18].就目前研究而言，靜態(tài)負(fù)荷時(shí)頻譜左移現(xiàn)象較明顯，而動(dòng)態(tài)負(fù)荷時(shí)呈現(xiàn)不同的變化.動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)表面肌電電極所覆蓋的肌纖維處于不斷變化中，而頻譜左移程度亦或MPF、MF下降幅度與被檢肌纖維類型及疲勞程度等有相關(guān)性.而受試者皮下脂肪厚度、表皮溫度也會(huì)影響測(cè)定結(jié)果[19].肌肉疲勞過(guò)程中，sEMG的快速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)頻譜發(fā)生左移現(xiàn)象的解釋有中樞控制因素和外周因素兩種，中樞主要是神經(jīng)元放電頻率下降、放電活動(dòng)同步化變化等，而外周主要是由于劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉內(nèi)環(huán)境乳酸堆積、H+濃度增加引起的動(dòng)作電位傳導(dǎo)速度下降，不過(guò)，有研究發(fā)現(xiàn)，即使不能產(chǎn)生乳酸的磷酸化酶缺乏癥，患者在劇烈運(yùn)動(dòng)至疲勞時(shí)仍發(fā)生sEMG頻譜左移現(xiàn)象.H+或乳酸累積與sEMG頻譜左移并不一定屬因果關(guān)系[18].

表5 MPF下降斜率與伸膝平均輸出功率下降斜率變化的相關(guān)一覽表

本實(shí)驗(yàn)顯示：股外肌、股內(nèi)肌和股直肌在不同強(qiáng)度負(fù)荷下MPF隨次數(shù)均表現(xiàn)出明顯的遞減變化趨勢(shì)，這與以往的靜態(tài)運(yùn)動(dòng)疲勞過(guò)程中運(yùn)動(dòng)肌sEMG具有相同的變化規(guī)律.研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)荷對(duì)各肌肉MPF下降斜率無(wú)顯著影響，這一結(jié)果在以往研究中少有報(bào)道，可參考的文獻(xiàn)也較少，在以往的靜態(tài)負(fù)荷條件下，無(wú)論是四肢還是軀干肌肉，sEMG的MPF及MF隨著運(yùn)動(dòng)性疲勞的發(fā)生和發(fā)展均表現(xiàn)出單調(diào)遞減的變化規(guī)律，且其下降斜率與以肌肉最大收縮力表示的疲勞狀態(tài)密切相關(guān)[9-10].而本實(shí)驗(yàn)以最快速度進(jìn)行約30 s的蹬伸運(yùn)動(dòng)，因此是由乳酸能系統(tǒng)和糖酵解系統(tǒng)供能，乳酸是糖酵解的最終產(chǎn)物，肌乳酸的產(chǎn)生量與肌纖維收縮的強(qiáng)度大小有密切的關(guān)系.小到中等強(qiáng)度的活動(dòng)有助于改善劇烈運(yùn)動(dòng)后的運(yùn)動(dòng)肌血流，使得運(yùn)動(dòng)肌獲得充足的氧氣而加快肌肉乳酸的氧化利用和肌糖原合成.肌肉代謝產(chǎn)物乳酸消除速度較快，H+濃度低，各負(fù)荷下肌肉均未處于疲勞狀態(tài)，其MPF下降率也未呈現(xiàn)差別，后期研究可增加負(fù)荷強(qiáng)度和次數(shù)來(lái)進(jìn)一步觀察動(dòng)態(tài)疲勞狀態(tài)下的MPF變化.

根據(jù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)與平均輸出功率的相關(guān)性及功率下降率數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，3個(gè)負(fù)荷對(duì)輸出功率存在不同影響，在小負(fù)荷下輸出功率隨時(shí)間呈上升趨勢(shì)；中等負(fù)荷下輸出功率隨時(shí)間變化不大；大負(fù)荷下輸出功率隨時(shí)間呈下降趨勢(shì).筆者認(rèn)為，在小負(fù)荷狀態(tài)下，快速伸膝30次運(yùn)動(dòng)對(duì)機(jī)體的刺激還不強(qiáng)烈，不容易引起疲勞.功率上升的原因就是動(dòng)作速度提高，動(dòng)作速度隨次數(shù)而有所加快的原因可能與中樞神經(jīng)控制的肌纖維募集的大小原則有關(guān).“大小原則”認(rèn)為隨著肌張力的不斷增加，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元及其支配的運(yùn)動(dòng)單位按照由小到大順序進(jìn)行募集[20].小α運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元支配I型纖維，神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo)速度較慢，耐受疲勞，適于持續(xù)低水平的力輸出.Ⅱ型纖維則由較大的α運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元支配，神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo)速度較快，能快速收縮并產(chǎn)生較大的肌張力，但是容易疲勞[21].因此，在中小負(fù)荷時(shí)主要?jiǎng)佑肐型纖維，耐受疲勞，功率能保持不變或上升;大負(fù)荷條件下，由于需要的肌張力很大，需要?jiǎng)佑么箝撝档蘑蛐屠w維，相比較更容易出現(xiàn)疲勞.

4 結(jié) 論

本研究通過(guò)觀察腿部肌肉完成3種不同強(qiáng)度爆發(fā)力練習(xí)過(guò)程中的MPF及輸出功率變化發(fā)現(xiàn)：不同強(qiáng)度快速伸膝運(yùn)動(dòng)，下股四頭肌(外側(cè))、股四頭肌(內(nèi)側(cè))和股直肌MPF隨次數(shù)而下降，與以往靜態(tài)研究相一致；不同強(qiáng)度快速伸膝運(yùn)動(dòng)下股四頭肌(外側(cè))、股四頭肌(內(nèi)側(cè))和股直肌MPF下降斜率沒(méi)有差別；在短時(shí)爆發(fā)力運(yùn)動(dòng)中，強(qiáng)度對(duì)平均輸出功率下降斜率有影響，3個(gè)負(fù)荷輸出功率隨時(shí)間分別呈現(xiàn)上升、不變和下降的趨勢(shì)，因此，在短時(shí)訓(xùn)練時(shí)，中等負(fù)荷強(qiáng)度對(duì)訓(xùn)練爆發(fā)力可能有較好效果，在保證強(qiáng)度的同時(shí)又不易疲勞.以往研究發(fā)現(xiàn)MPF下降率可在一定程度反應(yīng)靜態(tài)動(dòng)作的疲勞性，而本研究發(fā)現(xiàn)快速伸膝運(yùn)動(dòng)下MPF下降率和輸出功率下降率不相關(guān)，因此,MPF下降率是否能反應(yīng)動(dòng)態(tài)動(dòng)作疲勞性還有待進(jìn)一步研究證實(shí).

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