史冀鵬，徐紅旗，張欣，楊帆，冉令華，王安利，鄭秀瑗

●博士（生）論壇Doctor Forum

運(yùn)用BTEPrimusRS系統(tǒng)測(cè)定人體下肢單關(guān)節(jié)肌群極限功率與肌耐力的方法學(xué)研究

史冀鵬1，徐紅旗1，張欣2，楊帆2，冉令華2，王安利3，鄭秀瑗4

目的：明確BTEPrimusRS系統(tǒng)測(cè)評(píng)下肢肌群極限功率與肌耐力的測(cè)量模式選取與參數(shù)設(shè)置；并測(cè)量青年男性髖伸、膝伸與踝跖屈肌群極限功率與肌耐力。方法：40名男大學(xué)生，在BTEPrimusRS系統(tǒng)等張模式下，阻力矩50%等長(zhǎng)峰值力矩（The Isometric Peak Torque，IPT）。IPT重復(fù)3次，時(shí)間3 s，間歇5 s，非爆發(fā)式靜力性測(cè)量模式；等張極限功率（The Isotonic Peak Power，IPP）重復(fù)3次，時(shí)間10 s，間歇15 s，盡最快速度完成；等張極限肌耐力（The Isotonic Peak Endurance，IPE）測(cè)試要求運(yùn)動(dòng)幅度（90°或90°以?xún)?nèi)）與動(dòng)作頻率（60次/min）一定，持續(xù)運(yùn)動(dòng)至疲勞。結(jié)果：青年男性髖伸、膝伸與踝跖屈肌群IPT為198.56（24.53）、166.45（27.53）、154.90（25.17）N·m；IPP為161.21（28.57）、74.43（16.12）、74.62（19.91）W；IPE總功為6 460.69（2 521.18）、1 407.28（456.93）、2 259.56（771.88）J。結(jié)論：BTEPrimusRS系統(tǒng)能以等張模式精確測(cè)評(píng)下肢單關(guān)節(jié)肌群IPP與IPE，阻力矩為非爆發(fā)式靜力性測(cè)量模式50%IPT。青年男性髖伸、膝伸與踝跖屈肌群IPT、IPP、IPE測(cè)試結(jié)果完善了人體單關(guān)節(jié)肌群生物力學(xué)特征基礎(chǔ)參數(shù)庫(kù)。

功率；等張測(cè)試；等長(zhǎng)峰值力矩；等張極限功率；等張極限肌耐力

以往人體肌肉測(cè)試常集中在最大力量或肌肉力量的測(cè)量上[1]，并將測(cè)定結(jié)果作為參考值用于指導(dǎo)實(shí)踐，因此康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃中常強(qiáng)調(diào)肌肉最大力量能力的練習(xí)，這是假定力量強(qiáng)的肌肉其做功能力也較強(qiáng)。然而，肌肉最大功率僅在肌力適中時(shí)的收縮速度下出現(xiàn)[2-3]。此外，肌肉收縮峰值速度的發(fā)展受肌肉收縮幅度的限制，且此收縮幅度的限制為肌肉發(fā)揮最高速度的能力強(qiáng)加了一個(gè)時(shí)限。因此，肌肉要想達(dá)到最大功率輸出，力量產(chǎn)生的速度必須盡可能地快，而力量產(chǎn)生的速度是由神經(jīng)系統(tǒng)的活化程度與肌肉的收縮速度兩方面決定的。有研究表明，人體上身肌肉靜態(tài)與動(dòng)態(tài)收縮時(shí)的神經(jīng)激活方式不同[4]，如果肌肉極限功率與肌耐力和肌肉力量的生理學(xué)機(jī)制不同，那么等長(zhǎng)、等速或徒手肌力的測(cè)定可能不足以確定某一個(gè)體是否存在肌肉的功能缺陷。人體肌肉極限功率與肌耐力，在完成體育運(yùn)動(dòng)、工業(yè)勞動(dòng)和日常生活活動(dòng)中起著非常重要的作用。與力量測(cè)試相比，功率測(cè)試是一種動(dòng)態(tài)的過(guò)程，它涉及因肌肉收縮與放松產(chǎn)生的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。因許多工作的完成是一種動(dòng)態(tài)的做功過(guò)程，所以與靜態(tài)肌力相比，動(dòng)態(tài)功率是一個(gè)能較好地反應(yīng)人體工作能力的指標(biāo)。肌肉耐力測(cè)試是對(duì)人體肌肉的耐力水平或疲勞耐受程度的測(cè)評(píng)，是對(duì)個(gè)體執(zhí)行一項(xiàng)特殊肌肉活動(dòng)、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)或模擬一項(xiàng)特定工作時(shí)能持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度的測(cè)定。因大多數(shù)活動(dòng)中人體大部分肌群都在執(zhí)行一個(gè)持續(xù)的工作過(guò)程，所以肌肉耐力是人體功能能力的重要部分。通過(guò)測(cè)量人體完成特定任務(wù)時(shí)的總功輸出量或是持續(xù)一項(xiàng)活動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)度，可以量化特定肌群功率的保持能力。另外，在康復(fù)醫(yī)學(xué)肌肉功能訓(xùn)練中，肌肉力量、肌肉功率與肌耐力常被用作患者肌肉功能康復(fù)程度的監(jiān)測(cè)指標(biāo)[5]。本研究的目的：一是明確運(yùn)用BTE PrimusRS模擬仿真測(cè)試評(píng)價(jià)訓(xùn)練系統(tǒng)（Baltimore Therapeutic Equipment，BTE）測(cè)評(píng)人體下肢單關(guān)節(jié)肌群極限功率與肌耐力時(shí)的測(cè)量模式選取與測(cè)試參數(shù)的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)；二是對(duì)中國(guó)青年男性下肢單關(guān)節(jié)肌群極限功率與肌耐力進(jìn)行測(cè)量，以完善人體單關(guān)節(jié)肌群的生物力學(xué)特征基礎(chǔ)參數(shù)庫(kù)，為體育運(yùn)動(dòng)技術(shù)的研究與評(píng)價(jià)，力量素質(zhì)訓(xùn)練方法的改進(jìn)與訓(xùn)練手段的設(shè)計(jì)及訓(xùn)練效果的評(píng)定，運(yùn)動(dòng)損傷的預(yù)防與康復(fù)訓(xùn)練，人工假肢的設(shè)計(jì)與研制，航空航天設(shè)計(jì)與軍事訓(xùn)練，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)操作技術(shù)的工效學(xué)評(píng)價(jià)等研究領(lǐng)域提供生物力學(xué)基礎(chǔ)參數(shù)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

未受過(guò)體育專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練的健康普通男大學(xué)生，均在知情同意的基礎(chǔ)上自愿參加測(cè)試，并填寫(xiě)《試驗(yàn)同意書(shū)》。為保證受試樣本的代表性，以身高、體重兩項(xiàng)目作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，據(jù)2005年《第二次國(guó)民體質(zhì)監(jiān)測(cè)報(bào)告》中20～25歲年齡段全國(guó)成年男性身高（（170.4±6.23）cm，n=10 344）與體重，（（63.7±10.50）kg，n=10 340）的二維分布概率，在相應(yīng)的身高、體重范圍中選定相應(yīng)比例的人數(shù)，組成本研究40人的樣本量。經(jīng)單個(gè)總體均數(shù)T檢驗(yàn)（One-Sample T Test）知，所選樣本的身高、體重、BMI與全國(guó)20～25歲成年男性相比無(wú)顯著性差異（P＞0.05），具體情況見(jiàn)表1。

表1 受試者基本情況一覽表Tab.1 Basic Characteristics of Subjects

1.2 研究方法

1.2.1 測(cè)試儀器BTE PrimusRS系統(tǒng)、身高體重測(cè)試儀、坐位體前屈測(cè)試儀、關(guān)節(jié)角度測(cè)試儀、肢體長(zhǎng)度測(cè)量尺、肢體寬度測(cè)量尺。

1.2.2 測(cè)試步驟（1）問(wèn)卷調(diào)查。自行編制的《受試者調(diào)查問(wèn)卷》由專(zhuān)人負(fù)責(zé)講解與指導(dǎo)填寫(xiě)，并回收與檢查；獲取受試者的基本信息與健康狀況，排除疾患以確保測(cè)試安全，量化受試者的日常體力活動(dòng)水平，在正式測(cè)試開(kāi)始前讓受試者清楚本研究的測(cè)試內(nèi)容，并征得同意。

（2）基本形態(tài)與素質(zhì)測(cè)量。受試者著短褲、背心，由專(zhuān)人進(jìn)行身高、體重、下肢長(zhǎng)B、小腿長(zhǎng)A、小腿長(zhǎng)B、大腿圍、小腿圍、肩寬、坐位體前屈等9個(gè)基本形態(tài)與素質(zhì)指標(biāo)的測(cè)量，每個(gè)指標(biāo)測(cè)兩次。

（3）下肢伸肌力量特征測(cè)試。①準(zhǔn)備活動(dòng)。以下肢活動(dòng)為主，準(zhǔn)備活動(dòng)的量與強(qiáng)度以全身發(fā)熱，不感到疲勞為宜；準(zhǔn)備活動(dòng)后心率約在100～120次/min。

②測(cè)試順序與測(cè)試姿勢(shì)。測(cè)試順序：踝關(guān)節(jié)—膝關(guān)節(jié)—髖關(guān)節(jié)。測(cè)試姿勢(shì)：要求受試者測(cè)試中雙臂交叉放于胸前。踝關(guān)節(jié)屈伸測(cè)試取斜躺位，踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心與系統(tǒng)測(cè)試頭轉(zhuǎn)軸保持在同一直線(xiàn)上，以腳面與小腿垂直位為90°，在40°關(guān)節(jié)活動(dòng)度（Range OfMotion，ROM）范圍屈伸，小腿、大腿與軀干用綁帶固定。膝關(guān)節(jié)屈伸測(cè)試取坐位，膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心與系統(tǒng)測(cè)試頭轉(zhuǎn)軸保持在同一直線(xiàn)上，以大小腿伸直位為180°，在90°ROM范圍屈伸，大腿與軀干用綁帶固定。髖關(guān)節(jié)屈伸測(cè)試取平躺位，髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心與系統(tǒng)測(cè)試頭轉(zhuǎn)軸保持在同一直線(xiàn)上，以大腿中立位為0°，在90°ROM范圍屈伸，軀干用綁帶固定（見(jiàn)圖1）。

圖1 受試者下肢單關(guān)節(jié)肌群極限功率與肌耐力測(cè)試Fig.1 The Peak Powerand Endurance Test in Lower Limb Single-JointMuscles of Subjects

③測(cè)試參數(shù)設(shè)置。等長(zhǎng)峰值力矩（The Isometric Peak Torque，IPT）：重復(fù)測(cè)試3次，測(cè)試時(shí)間為3 s，組間間歇5 s，采用非爆發(fā)式的靜力性測(cè)量模式，組內(nèi)變異系數(shù)控制在10%以?xún)?nèi)。

等張極限功率（The Isotonic Peak Power，IPP）：采用50%IPT的阻力設(shè)置，測(cè)試時(shí)間10 s，組間間歇15 s，重復(fù)測(cè)試3次，受試者盡自己最快的速度完成，組內(nèi)變異系數(shù)控制在15%以?xún)?nèi)。

等張極限肌耐力（The Isotonic Peak Endurance，IPE）：采用50%IPT的阻力設(shè)置，運(yùn)動(dòng)幅度和動(dòng)作頻率一定，持續(xù)運(yùn)動(dòng)直至疲勞。運(yùn)動(dòng)幅度與動(dòng)作頻率的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)為附件運(yùn)動(dòng)幅度達(dá)到90°或90°以?xún)?nèi)時(shí)，測(cè)試的動(dòng)作頻率為60次/min；附件運(yùn)動(dòng)幅度超過(guò)90°時(shí)，測(cè)試的動(dòng)作頻率為30～40次/m in。

1.2.3 數(shù)據(jù)的整理與分析本研究測(cè)試所得數(shù)據(jù)在SPSS17.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件中建立數(shù)據(jù)庫(kù)，正態(tài)性檢驗(yàn)應(yīng)用單樣本K-S檢驗(yàn)，連續(xù)性變量以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（M±S）或中位數(shù)[四分位差（25%～75%）]表示。主要涉及的數(shù)據(jù)處理與分析方法有一般統(tǒng)計(jì)學(xué)描述，單一樣本T檢驗(yàn)，單因素方差分析與多重比較等。

2 研究結(jié)果

2.1 等長(zhǎng)峰值力矩的測(cè)試結(jié)果

受試者下肢單關(guān)節(jié)肌群IPT測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。變異系數(shù)（Coefficientof Variation，CV）是一項(xiàng)基于平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差的統(tǒng)計(jì)分析量，一個(gè)度量相對(duì)離散程度的指標(biāo)，反應(yīng)受試者完成測(cè)試一致性程度的客觀(guān)且量化的方法。CV值較高說(shuō)明不同試驗(yàn)產(chǎn)生的力矩值間存在著較大的不一致性，CV值較低則說(shuō)明作用力具有很強(qiáng)的一致性[6]。手工“提”操作工作實(shí)踐指導(dǎo)中要求身體能力測(cè)試中，可接受的CV值上限應(yīng)低于15%[7]。但加利福尼亞職業(yè)與康復(fù)機(jī)構(gòu)應(yīng)用BTE PrimusRS系統(tǒng)進(jìn)行的一項(xiàng)研究表明，15%的上限規(guī)定過(guò)于寬泛[8]。這項(xiàng)研究結(jié)果表明，運(yùn)用特定的附件對(duì)受試者進(jìn)行測(cè)試時(shí)的CV值大多數(shù)低于10%。美國(guó)BTE國(guó)家數(shù)據(jù)庫(kù)的前臂旋前與旋后測(cè)試也表明CV值低于10%[6]。由表2可知，此次下肢單關(guān)節(jié)肌群IPT測(cè)試中CV值均在10%以下，說(shuō)明此次IPT測(cè)試的可靠性較好。由表2可知，下肢單關(guān)節(jié)肌群IPT測(cè)量值從大至小的順序?yàn)椋后y伸展肌群IPT→膝伸展肌群IPT→踝跖屈肌群IPT，且呈顯著性降低趨勢(shì)（P＜0．05）。

表2 下肢單關(guān)節(jié)肌群IPT測(cè)試結(jié)果Tab.2 The TestResultof IPT in LowerLimb Single-JointMuscles

2.2 等張極限功率與肌耐力的測(cè)試結(jié)果

受試者下肢單關(guān)節(jié)肌群等張極限功率與肌耐力的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3與表4。BTE PrimusRS系統(tǒng)從5個(gè)傳感器獲得信息，3個(gè)（負(fù)載元件、位置傳感器、速度傳感器）在儀器回路內(nèi)，2個(gè)（負(fù)載元件、電位表）在回路外。JAMES等人曾從此系統(tǒng)靜動(dòng)態(tài)測(cè)量特點(diǎn)、多次測(cè)試結(jié)果的一致性程度及測(cè)量信度3方面來(lái)驗(yàn)證其信效度，在20名健康男大學(xué)生進(jìn)行膝關(guān)節(jié)最大用力屈伸運(yùn)動(dòng)中，用系統(tǒng)內(nèi)外負(fù)載元件同時(shí)收集力矩資料來(lái)比較此系統(tǒng)類(lèi)似的力輸出和已知靜態(tài)負(fù)荷及校正外負(fù)荷的動(dòng)態(tài)輸出，以確定力傳感器的效度。利用受試者5次重復(fù)最大用力，每次間隔30 s，低力矩與高力矩間隔3min的功率試驗(yàn)與隨后休息5min的動(dòng)作檢查實(shí)驗(yàn)，來(lái)確定每個(gè)受試者試驗(yàn)中與受試者個(gè)體間的信度，結(jié)果表明系統(tǒng)可重復(fù)性好且測(cè)試結(jié)果可靠、客觀(guān)[9]。JOHN等人從不同預(yù)負(fù)荷阻力設(shè)置和多次重復(fù)測(cè)試兩方面來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)等張功率與肌耐力測(cè)試的可靠性，29名大學(xué)生在膝關(guān)節(jié)屈曲70°時(shí)進(jìn)行6 s等長(zhǎng)最大隨意收縮以獲取他們的IPT，分別在20%、40%、 60%IPT阻力設(shè)置下，讓每位受試者執(zhí)行6次90°ROM膝伸展肌群的等張功率與肌耐力測(cè)試；間隔5～7天后進(jìn)行同樣的測(cè)試，共重復(fù)3次；計(jì)算3組測(cè)試間的ICC系數(shù)；結(jié)果表明平均功率測(cè)試中阻力設(shè)置為20%～60%IPT時(shí)可靠性均很好，平均總功測(cè)試阻力設(shè)置為40%～60%IPT時(shí)可靠性很好，20%IPT阻力設(shè)置時(shí)可靠性一般[5]。由此可知，在50%IPT阻力設(shè)置下，BTE PrimusRS系統(tǒng)等張功率與肌耐力的測(cè)試能得到可靠且客觀(guān)的結(jié)果。為及時(shí)了解等張功率測(cè)試的組內(nèi)信度，即作用力一致性程度，可計(jì)算重復(fù)3次等張功率測(cè)試中的CV值；受試者功率測(cè)試中會(huì)因疲勞積累因素的影響而使CV系數(shù)增大，故合適的CV值上限為15%[6，10]。由表3可知，此次下肢單肌群IPP測(cè)試的CV值均在15%以下，具有較好的信度。由表3可知，下肢單關(guān)節(jié)肌群IPP測(cè)量值的大小順序?yàn)椋后y伸展肌群IPP→（踝跖屈肌群IPP、膝伸展肌群IPP），且髖伸展肌群IPP與膝伸展肌群IPP、踝跖屈肌群IPP間有非常顯著性差異（P＜0．01），但膝伸展肌群IPP與踝跖屈肌群IPP間無(wú)顯著性差異（P＞0．05）。

表3 下肢單關(guān)節(jié)肌群IPP測(cè)試結(jié)果Tab.3 The Test Result of IPP in Lower Lim b Single-JointMusc les

BTE PrimusRS系統(tǒng)主要通過(guò)確保受試者在測(cè)試中阻力設(shè)置、運(yùn)動(dòng)幅度和動(dòng)作頻率等變量保持一致性，據(jù)受試者輸出的總功量與系統(tǒng)測(cè)試頭的角位移距離及測(cè)試持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)量化其肌耐力的發(fā)展水平，所以測(cè)試結(jié)果包括總功（J）、距離（deg）、時(shí)間（s）三參數(shù)。由表4可知，下肢單關(guān)節(jié)肌群IPE總功（J）、距離（deg）、時(shí)間（s）測(cè)量值從大至小的順序皆為：髖伸展肌群IPE→踝跖屈肌群IPE→膝伸展肌群IPE，且總功（J）與距離（deg）兩參數(shù)呈非常顯著性降低趨勢(shì)（P＜0．01）；時(shí)間（s）參數(shù)僅髖伸展肌群IPE、踝跖屈肌群IPE與膝伸展肌群IPE間有非常顯著性差異（P＜0．01），但髖伸展肌群IPP與踝跖屈肌群IPP間無(wú)顯著性差異（P＞0．05）。

表4 下肢單關(guān)節(jié)肌群IPE測(cè)試結(jié)果Table.4 The TestResultof IPE in Lower Lim b Single-JointMuscles

3 分析與討論

3.1 肌肉極限功率與肌耐力的測(cè)量模式選取

3.1.1 肌肉功率等長(zhǎng)與等速測(cè)量模式的比較肌肉功率的等長(zhǎng)測(cè)量模式是將功率與神經(jīng)肌肉系統(tǒng)快速產(chǎn)生力或力矩的能力相關(guān)，如對(duì)等長(zhǎng)模式下力矩發(fā)展速率（Rate of Torque Development，RTD）的測(cè)評(píng)[11]。初步研究表明，等速模式下的功率測(cè)評(píng)可能不像肌力測(cè)試一樣可靠[12]，與峰值力矩發(fā)展速率相比，特定范圍內(nèi)（如30%～60%峰力矩）的平均力矩發(fā)展速率可能更具一致性[11]。少數(shù)比較動(dòng)態(tài)工作疲勞后等速功率與等長(zhǎng)肌力差異性的動(dòng)物與人體研究表明，等速峰值功率的下降要大于等長(zhǎng)最大隨意收縮（Maximal Voluntary Contraction，MVC）條件下等長(zhǎng)峰值肌力的下降[13-14]。因等長(zhǎng)收縮僅依賴(lài)于肌力的發(fā)展能力，而等速收縮中功率的大量損失與肌肉收縮速度的降低并伴有力矩或力量發(fā)展能力的下降有關(guān)[14]。CHENG等人對(duì)13名男大學(xué)生等速測(cè)試系統(tǒng)上50%等長(zhǎng)MVC阻力設(shè)置下，膝伸展肌群等張收縮后等張功率與等長(zhǎng)收縮性能的疲勞與恢復(fù)情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)因收縮速度的降低而導(dǎo)致等張功率的下降要遠(yuǎn)大于MVC的下降率，但等張功率恢復(fù)速度要快于MVC，即等長(zhǎng)最大肌力的下降并沒(méi)有推遲等張功率的恢復(fù)；他們認(rèn)為疲勞外周機(jī)制，如代謝因素等會(huì)導(dǎo)致等張收縮后肌肉興奮收縮偶聯(lián)受損，引起肌力發(fā)展能力損失，但肌肉的“活化后潛能（Post-activation Potentiation，PAP）”可能會(huì)相對(duì)加速等張功率的恢復(fù)，因此肌肉的等長(zhǎng)收縮特征僅能部分解釋肌肉等張功率的變化特征[15]。另外，年齡的增長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致肌力與肌肉收縮速度的損失[16]，等長(zhǎng)測(cè)量模式的靜力性特點(diǎn)不能提供肌肉收縮速度隨年齡增長(zhǎng)的損失，因此它無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)肌肉功能的全面評(píng)價(jià)。CHRIST等人對(duì)青年人、老年人與高齡老年人等速測(cè)試系統(tǒng)上20%MVC阻力矩設(shè)置下足背屈肌群等張功率測(cè)試中的疲勞特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)肌肉收縮速度的損失是老年人功率損失的主要原因，而肌力與收縮速度的損失是高齡老年人功率損失的原因；且70～90歲高齡老年人的功率損失中，肌力損失的貢獻(xiàn)要高于收縮速度[17]。

3.1.2 肌肉功率等速與等張測(cè)量模式的比較肌肉功率的等速測(cè)量模式常用于人體動(dòng)態(tài)功能能力的評(píng)價(jià)，峰值功率或均值功率可用動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)的等速模式直接測(cè)量[11]。等張與等速收縮具有不同的生物力學(xué)特征，等張收縮模式下神經(jīng)肌肉系統(tǒng)必須克服一個(gè)恒定的初始阻力才能移動(dòng)骨杠桿臂做功，因此神經(jīng)肌肉系統(tǒng)在關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍內(nèi)的力學(xué)薄弱點(diǎn)承受最大負(fù)荷，其余部分則在小于此最大負(fù)荷下工作。等速收縮模式提供一個(gè)順應(yīng)性阻力，當(dāng)環(huán)節(jié)達(dá)到預(yù)定速度后則保持此恒定角速度運(yùn)動(dòng)，因此神經(jīng)肌肉系統(tǒng)在整個(gè)關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍內(nèi)均承受較大的負(fù)荷；在相同關(guān)節(jié)活動(dòng)幅度范圍內(nèi)，理論上肌肉等速收縮模式較等張收縮模式有較大的總功輸出[18-19]。但有研究表明，肌肉等張收縮模式下可通過(guò)增加肌肉激活數(shù)量或調(diào)節(jié)肌群的協(xié)同激活程度，完成與等速收縮模式相同的總功輸出或達(dá)到相同的訓(xùn)練負(fù)荷強(qiáng)度。ANTHONY等人曾在Biodex系統(tǒng)上對(duì)同一批受試者的輸出總功進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，并控制環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)的平均角速度，以比較膝伸展肌群等張與等速收縮模式的差異，研究表明通過(guò)均衡對(duì)外輸出總功與環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度兩因素來(lái)比較兩種收縮模式的方法是可行的，但膝伸展肌群兩模式下達(dá)到相同對(duì)外輸出總功的重復(fù)做功次數(shù)相等，可能與兩收縮模式下腘繩肌的協(xié)同激活程度不同有關(guān)[19]。另外，O'HAGAN等人的研究也認(rèn)為與等速訓(xùn)練相比，等張訓(xùn)練時(shí)肌肉負(fù)荷強(qiáng)度的不足可能通過(guò)增加肌肉激活的數(shù)量來(lái)補(bǔ)償[19]。肌肉功率還可用動(dòng)力測(cè)試系統(tǒng)的等張模式直接測(cè)量，如對(duì)等張模式下環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度與加速度的測(cè)評(píng)[11]。由于日?；顒?dòng)動(dòng)作可用恒定負(fù)荷下速度的沖擊正弦曲線(xiàn)式變化所描述，而非速度恒定的運(yùn)動(dòng)，因此等張收縮形式的肌肉功率評(píng)價(jià)與人體日常行為動(dòng)作更為相近[20]。應(yīng)用等張負(fù)荷進(jìn)行的動(dòng)態(tài)測(cè)試表明，功率輸出的疲勞過(guò)程通常會(huì)出現(xiàn)環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)幅度與環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度的降低[2]，但有關(guān)肌肉功率等張測(cè)量模式的研究還未得到廣泛的應(yīng)用[21]。STAUBER等人在等張測(cè)試系統(tǒng)上應(yīng)用中等等張負(fù)荷下的力矩—速度功率測(cè)試，對(duì)28名女大學(xué)生膝伸展肌群功率輸出與疲勞測(cè)試的研究表明，肌肉等速與等長(zhǎng)收縮疲勞后力量的產(chǎn)生能力下降，但等張收縮中功率的損失主要與肌肉收縮速度的下降有關(guān)[2]。

3.1.3 BTEPrimusRS系統(tǒng)等張測(cè)量模式測(cè)評(píng)肌肉功率的優(yōu)勢(shì)綜觀(guān)以往研究發(fā)現(xiàn)，以功率或總功為測(cè)量結(jié)果的人體機(jī)能測(cè)評(píng)實(shí)驗(yàn)可分為做功總量限定測(cè)量、持續(xù)時(shí)間限定測(cè)量、功率輸出量或預(yù)負(fù)荷限定測(cè)量、極限功率值測(cè)量、遞增負(fù)荷無(wú)氧閾測(cè)量、遞增負(fù)荷功率峰值測(cè)量、等慣性肌力測(cè)量、等速與等張肌力儀器測(cè)量9種類(lèi)型[22]，這9種測(cè)評(píng)方法中的后3種更側(cè)重于人體肌肉功能的測(cè)量。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，肌力測(cè)評(píng)手段已由簡(jiǎn)單的靜力性單關(guān)節(jié)肌力與肌耐力測(cè)量發(fā)展到動(dòng)力性最大速度的多關(guān)節(jié)肌力測(cè)量，以求達(dá)到更準(zhǔn)確地反映運(yùn)動(dòng)中肌肉工作模式的真實(shí)情況。等速肌力測(cè)試是在等速儀器提供的恒定速度與順應(yīng)性阻力條件下，測(cè)量關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中任一點(diǎn)的肌肉力矩輸出值，同時(shí)還可獲得肌肉做功能力、爆發(fā)力及耐力等數(shù)據(jù)。但等速收縮方式只在人體某些特定運(yùn)動(dòng)方式下出現(xiàn)，用等速測(cè)量模式來(lái)評(píng)定人體其他收縮方式下的肌肉功能爭(zhēng)議較大[23-24]。在等速測(cè)試儀器上模擬出的等張收縮模式因受測(cè)試角速度（15～500°/s）的限制，只能達(dá)到人體最大生理反應(yīng)速度的20%～30%，與實(shí)際運(yùn)動(dòng)中關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度相差甚遠(yuǎn)[25-26]。等慣性測(cè)試是指受試者以爆發(fā)用力的形式執(zhí)行簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)來(lái)對(duì)抗身體或肢體的質(zhì)量慣性，以及外部附加質(zhì)量慣性的測(cè)量方法[22]。由于在肌肉的收縮與放松運(yùn)動(dòng)中，負(fù)荷量會(huì)因加速度、關(guān)節(jié)角度的改變而改變，因此等慣性測(cè)試可以更為準(zhǔn)確地反映人體負(fù)重時(shí)肌肉的收縮與放松過(guò)程；尤其是在競(jìng)技體育運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和肌肉機(jī)能評(píng)定中，等慣性測(cè)評(píng)方法的使用更為普遍。等張與等慣性肌力測(cè)試的不同點(diǎn)在于等張測(cè)試條件下力或力矩固定不變[6，22]，而等慣性測(cè)試中質(zhì)量是保持不變的。等慣性、等張測(cè)試與等速測(cè)試相比，限制性因素較少，且兩者均為常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)測(cè)試，可用來(lái)評(píng)定個(gè)體執(zhí)行特定動(dòng)作時(shí)的肌肉功能；由于兩者對(duì)測(cè)試速度與加速度兩因素沒(méi)有限制，所以?xún)煞N方法更貼近于現(xiàn)實(shí)情況。但等慣性測(cè)試由于受測(cè)試方法與常用儀器的影響，較難實(shí)現(xiàn)人體單關(guān)節(jié)肌群的精確固定，測(cè)試結(jié)果會(huì)受身體其他部位肌群機(jī)能代償作用的影響。BTE PrimusRS系統(tǒng)是一套神經(jīng)肌肉功能測(cè)評(píng)與訓(xùn)練系統(tǒng)，它可模仿日常生活動(dòng)作、三維功能性運(yùn)動(dòng)、多種工作任務(wù)操作動(dòng)作及體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目動(dòng)作，完成測(cè)試評(píng)估、功能評(píng)價(jià)、康復(fù)訓(xùn)練與工傷康復(fù)等多種模擬仿真功能。它配置了多種附件，可對(duì)受測(cè)部位進(jìn)行合理的固定，測(cè)試角速度達(dá)4 500°/s，可設(shè)定向心/離心的等張測(cè)量模式模擬肌肉工作的真實(shí)狀態(tài)，對(duì)人體單關(guān)節(jié)肌群功率與肌耐力進(jìn)行測(cè)評(píng)。

3.2 肌肉極限功率與肌耐力的測(cè)試參數(shù)設(shè)置

3.2.1 50 %等長(zhǎng)峰值力矩的阻力設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)以往研究證實(shí)，以IPT或等長(zhǎng)峰值肌力（The Isometric Peak Strength，IPS）測(cè)試結(jié)果為依據(jù)，在一系列預(yù)負(fù)荷（IPT百分比值）阻力設(shè)置的測(cè)試中，等張阻力矩（預(yù)負(fù)荷設(shè)置）與測(cè)試系統(tǒng)角速度成線(xiàn)性關(guān)系[3]，且最大功率出現(xiàn)在阻力矩值與角速度值均達(dá)到其最大值的50%時(shí)。此現(xiàn)象在等速肌力測(cè)試中也常見(jiàn)報(bào)道，但此“阻力矩—角速度”線(xiàn)性關(guān)系的成因尚不清楚[2]。STAUBER等人曾以一位受試者的20種不同負(fù)荷與幾位受試者的12種負(fù)荷（代表20%～80% IPT）在等張測(cè)試系統(tǒng)上設(shè)置等張功率與肌耐力測(cè)試時(shí)的阻力矩來(lái)驗(yàn)證此線(xiàn)性關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)測(cè)得的角速度值與此線(xiàn)性關(guān)系的預(yù)測(cè)值相一致[2]。RANDY等人在對(duì)21名大學(xué)生膝伸展肌群肌力的研究中也證實(shí)，50%IPT的阻力設(shè)置是受試者等張測(cè)量模式下完成膝90°ROM伸展運(yùn)動(dòng)中能克服的最大阻力[25]。BTEPrimusRS系統(tǒng)指南手冊(cè)中關(guān)于功率測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)方案也要求受試者在其50%IPS的阻力設(shè)置下進(jìn)行測(cè)試[27]，其合理性已在多個(gè)實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。

IPS的確定必須經(jīng)過(guò)多次測(cè)試才能獲得。以往已有大量研究表明，取3次測(cè)試的平均值具有最高的重測(cè)信度與最低的時(shí)間變異性[28]。CHAFFIN曾在美國(guó)工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會(huì)（American Industrial Hygiene Association，AIHA）發(fā)布的人體靜態(tài)力量評(píng)估工效學(xué)指南中報(bào)道過(guò)靜態(tài)力量測(cè)試中肌肉每次收縮的時(shí)間限制，為了對(duì)受試者的最大力量能力，即峰值力進(jìn)行測(cè)試，2～3 s的持續(xù)時(shí)間較為充裕；當(dāng)受試者達(dá)到IPS時(shí)，能觀(guān)察到肌肉的生理性震顫[7，29]。BTE PrimusRS系統(tǒng)默認(rèn)的IPS測(cè)試時(shí)間為3 s。充分的間歇時(shí)間能使機(jī)體的能量物質(zhì)恢復(fù)，進(jìn)而提高重測(cè)信度。Trossman和Li認(rèn)為間歇時(shí)間至少1min[30]；然而，CHAFFIN認(rèn)為間歇時(shí)間應(yīng)從30 s到2 min不等，主要取決于測(cè)試時(shí)肌肉收縮時(shí)間的長(zhǎng)度[29]。前面建議肌肉收縮時(shí)間少于4 s，因此需要較短的間歇時(shí)間。美國(guó)BTE國(guó)家數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)驗(yàn)方案中把多次測(cè)試的間歇時(shí)間定為5 s，并證實(shí)可保證靜態(tài)力量測(cè)試的可靠性與有效性[6]。國(guó)內(nèi)外眾多研究證實(shí)，IPS測(cè)量更多的是采用標(biāo)準(zhǔn)的靜力性方式進(jìn)行，可分為兩種，一種要求受試者緩慢、漸進(jìn)式地用力，依次募集到較多的運(yùn)動(dòng)單位；另一種則要求受試者爆發(fā)式地快速用力，此種情況下除極少數(shù)運(yùn)動(dòng)單位未被動(dòng)員外，絕大多數(shù)的肌纖維幾乎同時(shí)收縮產(chǎn)生力量峰值。兩種方法所得力量峰值與到達(dá)力量峰值的時(shí)間，以及單位時(shí)間內(nèi)力的增加幅度都有所差異[31]；爆發(fā)式一般高于非爆發(fā)式的靜力最大值[32]。為防止損傷的發(fā)生，BTEPrimusRS系統(tǒng)要求受試者緩慢勻速發(fā)力，發(fā)力時(shí)間相對(duì)較短，一旦達(dá)到最大作用力應(yīng)立刻停止測(cè)試，以避免疲勞的出現(xiàn)。

3.2.2 等張極限功率測(cè)試的測(cè)試時(shí)間與間歇時(shí)間BTE PrimusRS系統(tǒng)關(guān)于IPP測(cè)試是一種受監(jiān)控的測(cè)試，要求受試者在10 s內(nèi)以其最快的速度移動(dòng)通過(guò)測(cè)試動(dòng)作的整個(gè)運(yùn)動(dòng)范圍，僅余一變量，即完成動(dòng)作時(shí)的速度。馬里蘭大學(xué)的一項(xiàng)研究表明這是研究功率的最佳條件，因在此測(cè)試中人體疲勞的平均時(shí)間大約為8 s，10 s被認(rèn)為是首選時(shí)間長(zhǎng)度[6]。組間間歇15 s，此間歇時(shí)間能讓肌肉酸痛消除，疲勞恢復(fù)[2]。

3.2.3 等張極限肌耐力測(cè)試的動(dòng)作幅度與動(dòng)作頻率運(yùn)用BTE PrimusRS系統(tǒng)進(jìn)行IPE測(cè)試時(shí)，針對(duì)特定的工作要求或模擬動(dòng)作需要特殊設(shè)定；確保除時(shí)間外其他變量的一致性，肌耐力可通過(guò)受試者輸出的工作量或活動(dòng)的持續(xù)時(shí)間來(lái)量化。當(dāng)對(duì)同一受試者的不同肢體進(jìn)行比較時(shí)，阻力設(shè)置、運(yùn)動(dòng)幅度和動(dòng)作頻率必須保持一致；必須以所測(cè)得的兩IPS或IPT中較小值作為阻力設(shè)置的依據(jù)，以測(cè)得的兩關(guān)節(jié)ROM中較小值為依據(jù)設(shè)定每次重復(fù)測(cè)量的ROM。動(dòng)作頻率取決于附件的尺寸大小和/或完成一次重復(fù)測(cè)試所需的動(dòng)作幅度。STAUBER等人在對(duì)28名女大學(xué)生膝關(guān)節(jié)伸展肌群疲勞測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，測(cè)試動(dòng)作合理的重復(fù)次數(shù)為15次循環(huán)，大部分受試者因疲勞和肌肉酸痛的原因很難再重復(fù)更多的次數(shù)；完成測(cè)試動(dòng)作整個(gè)運(yùn)動(dòng)幅度的時(shí)間大約為1 s[2]，此頻率在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練與康復(fù)訓(xùn)練中也被推薦使用[25]。BTE PrimusRS系統(tǒng)規(guī)定附件運(yùn)動(dòng)幅度達(dá)到90°或90°以?xún)?nèi)的測(cè)試，合理的頻率為60次/min；超過(guò)90°的測(cè)試，合理的頻率為30～40次/m in。

3.3 青年男性下肢單關(guān)節(jié)肌群極限功率與肌耐力的特征

等長(zhǎng)肌力測(cè)量具有易于標(biāo)準(zhǔn)化、操作簡(jiǎn)易、可重復(fù)性與安全性高等特點(diǎn)，但測(cè)定時(shí)要求關(guān)節(jié)角度固定，因此它僅能反映關(guān)節(jié)處于某一選定角度時(shí)的肌力情況。盧德明等人曾運(yùn)用Cybex-6000等速測(cè)試系統(tǒng)完成多個(gè)關(guān)節(jié)角度下人體六大關(guān)節(jié)屈伸肌群等長(zhǎng)收縮時(shí)的最大力矩測(cè)量，并繪制了峰力矩與關(guān)節(jié)角的關(guān)系曲線(xiàn)圖，對(duì)本研究IPT測(cè)定時(shí)的關(guān)節(jié)角度確定具有重要的指導(dǎo)意義[33]。本研究BTE PrimusRS系統(tǒng)IPT測(cè)量值與盧德明等人測(cè)量值間有明顯的差異[33]，這與兩測(cè)試系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)原理、測(cè)試方法、系統(tǒng)誤差及受測(cè)樣本間存在著較大的差異等因素有關(guān)，后期研究可采用同一樣本兩測(cè)試儀器同時(shí)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)來(lái)量化兩系統(tǒng)IPT測(cè)量值間的差異。

肌肉動(dòng)態(tài)收縮會(huì)產(chǎn)生功率，功率被描述為單位時(shí)間內(nèi)的做功量，受力與速度的影響。短時(shí)間高強(qiáng)度活動(dòng)后，肌肉功率與肌耐力的損失會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)成績(jī)的下降與損傷風(fēng)險(xiǎn)的增大。以往雖在跑步、跳躍、騎自行車(chē)等運(yùn)動(dòng)中已有最大輸出功率的測(cè)定方法，但有關(guān)健康人簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)中肌肉功率與肌耐力的測(cè)評(píng)卻極為罕見(jiàn)[34]。因此，未能找到相類(lèi)似的研究提供可比對(duì)的數(shù)據(jù)。本研究關(guān)于中國(guó)青年男性下肢單關(guān)節(jié)肌群IPT、IPP、IPE測(cè)量結(jié)果表明：IPT測(cè)試值從大至小的順序?yàn)轶y→膝→踝（P＜0．05）；而IPP測(cè)試值從大至小的順序?yàn)轶y→（踝、膝）（P＜0．01），但膝與踝IPT間無(wú)顯著差異（P＞0．05）；IPE總功（J）、距離（deg）、時(shí)間（s）測(cè)量值從大至小的順序皆為髖→踝→膝，且總功（J）與距離（deg）顯著降低（P＜0．01）；時(shí)間（s）僅髖、踝與膝相比顯著降低（P＜0．01），但髖與踝無(wú)顯著差異（P＞0．05）。下肢單關(guān)節(jié)肌群IPT與IPP、IPE測(cè)量值大小順序間的顯著差異表明，靜態(tài)肌力與動(dòng)態(tài)功率在用于反映肌肉功能能力時(shí)存在著較大的差異。另外，身體不同部位肌群的機(jī)能特征與其功能相適應(yīng)，不同肌群的快慢肌纖維組成、執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的骨杠桿機(jī)械力學(xué)效果，以及肌群間神經(jīng)肌肉的募集與協(xié)同工作方式等均會(huì)不同。因此，青年人下肢單關(guān)節(jié)肌群等張極限功率與肌耐力表現(xiàn)出不同的特征。

4 結(jié)論與建議

BTE PrimusRS系統(tǒng)能以向心/離心等張測(cè)量模式客觀(guān)、精確地評(píng)價(jià)人體下肢單關(guān)節(jié)肌群極限功率與肌耐力，合理的阻力矩設(shè)置為非爆發(fā)式靜力性測(cè)量模式下50%IPT。中國(guó)青年男性下肢髖伸、膝伸與踝跖屈肌群IPT、IPP、IPE的測(cè)量結(jié)果進(jìn)一步完善了人體單關(guān)節(jié)肌群生物力學(xué)特征基礎(chǔ)參數(shù)庫(kù)。

建議下一步的研究可將BTE PrimusRS系統(tǒng)與表面肌電儀同步，對(duì)下肢單關(guān)節(jié)肌群極限功率與肌耐力測(cè)試中相應(yīng)環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角位移、角速度、扭矩等與功率或總功密切相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；并同時(shí)分析相應(yīng)肌群表面肌電信號(hào)的變化特征，以探討神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的募集與協(xié)同工作方式；以明確人體單關(guān)節(jié)肌群極限功率與肌耐力的影響因素與變化特征。

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The M ethodology Research of Human Lower Limb Single-Joint Muscular Peak Power and Endurance w ith BTE PrimusRSSystem

SHIJipeng1，XU Hongqi1，ZHANG Xin2，YANG Fan2，RAN Linghua2，WANG Anli3，ZHENG Xiuyuan4
（1.School of PE，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；2.Ergonomics Standardization Research Field，China National Institute of Standardization，Beijing 100088，China；3.Dept.of Sports Rehabilitation，Beijing Sport University，Beijing 100084，China；4. Division of Sports Science and PE，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Objective：How to select the testmode and install the test parameters of peak power and endurance in human lower limb single-jointmuscles on BTE PrimusRSsystem were identified in the study，and the peak power and endurance level in the hip extensor，knee extensor and p lantar flexion muscles of the Chinese male youth were assessed.Methods：40 male undergraduate students were recruited for the study.In the mode of isotonic test on BTE PrimusRSsystem with the load resistance for 50%of the isometric peak torque（IPT）.IPT was given three trials under a non-explosively static mode，the test time is 3 secondswith a 5 second rest period between trials.The isotonic peak power（IPP）was also given three trials，the individual was asked to move through full range ofmotion as fastas he can for 10 seconds duration with a 15 seconds rest period between trials.Keeping the range ofmotion（90° or less than 90°）and pace（60 times/min）of the activity consistent，the subjects tried to continue until fatigue in the isotonic peak endurance（IPE）test. Results：In the test of peak power and endurance level in the hip extensor，knee extensor and p lantar flexionmuscles of the Chinesemale youth.IPT were 198.56（24.53），166.45（27.53），154.90（25.17）N·m.IPPwere 161.21（28.57），74.43（16.12），74.62（19.91）W.IPE total work were 6 460.69（2 521.18），1 407.28（456.93），2 259.56（771.88）J.Conclusion：In themode of isotonic test，BTEPrimusRSsystem can precisely evaluate the peak power and endurance level in human lower limb single-jointmuscles，The load resistance is 50%IPT from the isometric test under a non-explosively staticmode. The peak power and endurance level in the hip extensor，knee extensor and plantar flexion muscles of the Chinese male youth can consummate the basic biomechanical characteristics parameter database of human single-jointmuscle group.

power；isotonic test；isometric peak torque（IPT）；isotonic peak power（IPP）；isotonic peak endurance（IPE）

G 804.6

A

1005-0000（2012）02-0162-06

2011-11-02；

2011-12-15；錄用日期：2011-12-25

中央基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)支持項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：52096S-1827）

史冀鵬（1975-），女，天津薊縣人，博士，講師，研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生理學(xué)。

1.東北師范大學(xué)體育學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130024；2中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院人類(lèi)工效學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化研究中心，北京100088；3.北京體育大學(xué)運(yùn)動(dòng)康復(fù)系，北京100084；4.清華大學(xué)體育部，北京100084。