徐樹禮，侯學華，張雪臨

（聊城大學體育學院，山東 聊城 252059）

立姿振動對男青年運動員肌肉疲勞進程的肌電效應

徐樹禮，侯學華，張雪臨

（聊城大學體育學院，山東 聊城 252059）

通過線性和非線性兩方面三種定量評價方法，研究立姿振動和傳統(tǒng)訓練肌肉疲勞進程中肌電的特征，探求疲勞程度較小的訓練方法。28名運動員隨機分組在傳統(tǒng)或立姿振動條件下，進行遞增負荷運動試驗至力竭性疲勞狀態(tài)，實時監(jiān)測、記錄肌電圖后運算求值。結果顯示，相應等級負荷時，振動時平均功率頻率曲線與時間的斜率（MPFs）絕對值、近似熵和分維數(shù)的時間變化率均比傳統(tǒng)的小，達到疲勞力竭時的時間均明顯推遲，都有顯著性差異。因此，一次適當強度的立姿振動使機體疲勞推遲，立姿振動是疲勞程度較小的訓練新思路。

全身振動；平均功率頻率；近似熵；分維數(shù)；疲勞進程

振動研究集中在競技體育（肌肉力量［1］、力量耐力、身體形態(tài)、體成分、柔韌性、平衡能力、骨骼系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)和激素系統(tǒng)、按摩、放松）、康復（骨質(zhì)疏松、減輕疼痛、本體訓練、力量訓練、協(xié)調(diào)性訓練）、大眾體育（拉伸放松、按摩、力量訓練、抗衰老、愉悅）、太空（骨骼肌肉衰減）、美容（蜂窩織炎、拉緊組織）、醫(yī)學（作用方式、安全性、骨質(zhì)疏松、循環(huán)障礙、激素代謝、十字韌帶損傷）方面，但這些研究很少關注甚至忽略振動刺激肌肉疲勞進程的定量檢測。振動訓練已經(jīng)成為一種新興的訓練方法，肌肉力量是絕大多數(shù)運動形式的基礎，采用表面肌電信號（sEMG）分析技術評價肌肉功能水平和狀態(tài)已被眾多的實驗和臨床應用研究所確認［2-5］，sEMG信號具有線性科學和非線性科學兩方面的特征，為保證評價的全面性，本文擬同時應用線性科學的MPFs和非線性科學的近似熵、分維數(shù)兩方面的三種典型定量分析方法，評價肌肉疲勞進程，科學穩(wěn)妥地尋求疲勞程度較小的訓練方法。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

上海體育學院運動訓練專業(yè)28名志愿者（具體情況見表1），簽訂同意合同，能夠按標準完成實驗要求動作。隨機分為對照組和實驗組，各組14人。

表1 研究對象基本情況

1.2 研究方法

1.2.1 實驗法

（1）測試地點及監(jiān)控實施：上海體育學院運動生物力學實驗室。4名博士進行測試，溫度20-22℃，相對濕度應控制在30%-35%。

（2）實驗方案：實驗前一周進行一次預實驗，讓學生和測試人員熟悉實驗儀器和內(nèi)容，做好準備活動，每人次測試前都校準儀器，確保實驗對象的正常發(fā)揮和測試的準確性。

1）第一周對照組進行傳統(tǒng)訓練測試：

A采用美國產(chǎn)Concept II賽艇測功儀，下肢蹬踏進行遞增負荷運動。每個受試者50 W為第一級，每3 min遞增50W，逐級遞增，直至力竭。實時動態(tài)儲存，利用MegaWin軟件輸入計算機，處理原始數(shù)據(jù)。

B采用芬蘭Mega公司產(chǎn)ME6000 8通道肌電采集盒測量表面肌電圖。刮掉股外側肌皮膚體毛，用酒精溶液擦試皮膚和電極，降低電阻，電極按照MegaWin軟件［6］提供的解剖位置在右下肢的股外側肌肌腹，與肌纖維平行放置，電極間隔2cm，用透明膠帶固定電極，保證電極固定在皮膚上。放大器的低頻截止頻率是10Hz，高頻截止頻率是700Hz，采樣頻率是1 000Hz。信號的噪音控制與判定方法、檢測結果符合肌電基線標準的要求。

2）第二周實驗組進行振動訓練測試：表面肌電圖測量完全等同于對照組方案，與對照組不同處是坐在固定于韓國產(chǎn)ETS-900N型JET VIBE振動臺上的賽艇測功儀上測試遞增負荷運動，垂直上下振動頻率為20Hz，振幅為6mm，加速度為9.8m/s2。

1.2.2 比較分析法

運用SPSS16.0在均值比較中采用獨立配對T檢驗，均在95%置信區(qū)間進行檢驗及數(shù)據(jù)的處理。對28名運動員的振動或傳統(tǒng)肌電圖逐段求其平均功率頻率曲線斜率、近似熵和分維數(shù)的時間變化率，整組數(shù)據(jù)表達方式為“平均數(shù)±標準差”。

2 實驗結果

2.1 兩種訓練方法對平均功率頻率及曲線斜率的影響

sEMG頻譜分析的平均功率頻率（MPF）是通過功率譜曲線重心的頻率，MPFs是時間與MPF曲線的斜率。從表2中可見，在相同等級負荷下，振動遞增負荷運動中MPFs呈線形下降變化，MPFs絕對值總體上比傳統(tǒng)的小，平均下降斜率為0.278±0.126Hz/s，t檢驗分析表明，MPFs與疲勞進程中時域分析指標間無明顯統(tǒng)計差異（t=0.04，P〉0.05），而頻域指標間的差異均有顯著性差異（t=4.16，P〈0.05）。（見圖1）

表2 各等級運動末MPFs、相關性分析

圖1 各等級運動末MPFs變化曲線圖

2.2 兩種訓練方法對近似熵（ApEn）的影響

表3 各等級運動末ApEn的時間變化率、相關性分析

振動刺激和傳統(tǒng)的近似熵的時間變化率在50W、100W等級時下降較大，到150W、200W等級疲勞較深時，近似熵下降速度減小，到250W等級疲勞的末期時其變化率幾乎為零，但這并不能掩蓋振動刺激ApEn值比傳統(tǒng)的低25%。與傳統(tǒng)訓練相比，振動訓練過程中肌電的近似熵下降的時間變化率總體上相對較小，兩者有顯著性差異（t=2.59，P〈0.05）。（見圖2）

圖2 各等級運動末ApEn變化圖

2.3 兩種訓練方法對分維數(shù)的影響

表4 表面肌電信號分維數(shù)的時間變化率、相關性分析

從表4可見，振動肌電和傳統(tǒng)肌電分維數(shù)的時間變化率在50W、100W等級時增長較小，隨著遞增負荷等級的增加，肌肉逐漸進入疲勞狀態(tài)，到150W、200W等級疲勞較深時，肌電信號分維數(shù)增長幅度更大，進入疲勞狀態(tài)的速度也更快，兩者有顯著性差異（t=4.03，P〈0.05）。（見圖3）

2.4 兩種訓練方法對疲勞力竭時的時間的影響

力竭的判斷標準為主觀感覺筋疲力盡同時心率達到180次/分以上。同一個人，在正常身體狀況下，由相同的初始功率，按相同的遞增幅度運動，傳統(tǒng)訓練與振動刺激訓練達到疲勞力竭時的時間有顯著性差異（t =7.81，P〈0.001）。

3 分析與討論

3.1 三種分析方法對疲勞進程的分析結果的異同

近年來有學者證明sEMG信號在肌肉疲勞發(fā)生過程中MPFs成單調(diào)下降趨勢且它的下降斜率可用來評價運動肌的疲勞程度［7］，能有效反映肌肉疲勞狀態(tài)［5］，MPFs可作為衡量肌肉疲勞的客觀指標［8-9］，在反映肌肉功能水平的差異方面具有良好的特異性、敏感性［10-11］和可靠性，眾多的實驗和臨床應用研究已廣泛采用表面肌電信號分析技術定量檢測、評價肌肉功能水平和狀態(tài)［2］。這是從線性科學中時頻方面分析sEMG信號在不同頻率分量或頻率譜維度上的變化特征，是傳統(tǒng)的分析方法。但是，肌肉收縮和疲勞的肌電信號呈現(xiàn)出非線性科學中非穩(wěn)定信號的特征，因此出現(xiàn)傳統(tǒng)的時頻分析的局限性。

最近20多年，許多專家學者發(fā)現(xiàn)，sEMG信號也具有非線性科學中混沌信號的主要特征，并證明是混沌信號［12］；1991年，Pincus［13］發(fā)現(xiàn)非線性科學中的近似熵很具有表面肌電信號的特征，開始嘗試用非線性信號分析中的近似熵衡量系統(tǒng)的復雜度［2］，作為衡量肌肉疲勞程度的指標，優(yōu)于關聯(lián)維數(shù)、哥式熵和李雅普諾夫指數(shù)等常用的非線性動力學參數(shù)［14］；蔡立羽發(fā)現(xiàn)表面肌電信號具有非線性科學中分形幾何特性［12］，以分維數(shù)分析復雜度，比較時頻變化，是肌肉疲勞狀態(tài)的新的量化指標。因為sEMG信號具有線性科學和非線性科學兩方面的特征，所以評價方法至少應該從線性科學和非線性科學兩方面同時進行評價；線性科學評價應用經(jīng)典的MPFs，但非線性科學的定量評價在國內(nèi)處于初級階段，經(jīng)過對各種非線性科學定量評價方法的優(yōu)劣比較，選擇應用近似熵、分維數(shù)兩種，這樣，同時應用線性科學和非線性科學兩方面的三種典型定量分析方法，從三個不同的角度對肌肉疲勞進程的表面肌電信號進行評價，有助于評價方法的全面性，結論的正確性，是互相彌補的，這也是肌電信號的二重性決定的，如同光具有波粒二重性一樣，必須同時從光波、粒子性兩方面進行分析，僅單方面的評價結論之間甚至是矛盾的；這種做法相對于通常僅僅用一種方法或角度評價的做法，應該會增強實驗結論的客觀性、科學性、正確性，應該是實驗研究，甚至是科學研究所倡導的。

從評價的結果看，三種分析方法在50-250W相應負荷時的相關性差別分別是0.6%-1.5%、0.5%-1.9%、0.7%-21%、0.4%-1.9%、0.7%-1.6%，可見，差別很??；共同的趨勢是隨著機體疲勞程度的加深，指標與疲勞程度的相關性越高，因此我們不難理解最后結論是高度一致的，應該說3種評價方式中各自指標都物理意義明確，運算簡便，很客觀和科學的，因為都是建立在線性科學或非線性科學理論基礎之上的；反映肌肉工作方式上不同處在于：相同的時間和負荷遞增幅度內(nèi)，計算出的變化幅度是有差別：MPFs的絕對值范圍是0.124-0.359，近似熵的范圍是0.031-0.0003，分維數(shù)的范圍是0.111-0.185，說明3個指標反映肌肉疲勞程度的敏感性是有差別，其他的異同需要進一步研究，畢竟以近似熵和分維數(shù)評價sEMG信號技術在國內(nèi)還處于開始階段。

3.2 全身振動刺激影響平均功率頻率的機制

采用FFT函數(shù)，數(shù)據(jù)分析窗口為1 024點，用Matlab語言編制MPF的計算程序，頻域算法為［15］：

采用顯性回歸方法計算上述指標時間序列曲線的斜率（MPFs），用Lempel-Ziy的復雜度定義，按照Kaspar和Schusyer的算法計算復雜度C（n）［12］。

肌肉疲勞的發(fā)生和發(fā)展可導致反映頻譜曲線特征的MPF產(chǎn)生相應的下降［16］，斜率值為負值，MPFs絕對值的大小其可反映抗疲勞能力，絕對值大者更易疲勞［3］。

振動MPFs絕對值與傳統(tǒng)的差異達到顯著性，與代謝性酸化誘發(fā)肌纖維動作速度下降有關［17］。因為代謝性酸化是肌肉疲勞過程中所產(chǎn)生的一種普遍性現(xiàn)象且與頻譜左移具有較好的單值因果關系［10］。振動刺激時，肌肉本體感受器始終保持一定的興奮，發(fā)放的神經(jīng)沖動引起肌肉輕微的、持續(xù)的交替收縮，皮膚血流量一直處于持續(xù)增加狀態(tài)，皮膚血流加速，加快物質(zhì)間的交換，有利于氧的運輸，細胞膜對有害物質(zhì)的通透性增強，促進機體新陳代謝的速率，一方面其抗疲勞能力得到增強，另一方面也有利于機體疲勞的快速消除［18］。據(jù)此可以認為相應等級負荷時，振動訓練比傳統(tǒng)訓練機體消除疲勞的速度快，疲勞程度小。

3.3 全身振動刺激影響近似熵的機制

采用基于相空間重構的近似熵作為肌電信號特征進行分析。

3.3.1 相空間重構

設給定長度為N的時間序列｛u（i），i=1，2，…，N｝，由T akens′時延定理可重構相空間

（m為嵌入維數(shù)，τ為時延；i=1，…，n；Xi代表相空間中第i個坐標點）

3.3.2 近似熵算法

①進行相空間重構。

②計算任意向量

③統(tǒng)計dij≤r的數(shù)目并求出該數(shù)目與向量總數(shù)n的比，記為

④再對所有的i求平均值，

⑤求得Cmi+（1r）和φm+（1r）

⑥得到近似熵

本實驗條件下取參數(shù)r=0.5SD，m=1，計算程序采用C語言編制。

傳統(tǒng)訓練是機體處于穩(wěn)定狀態(tài)下以線圓環(huán)型刺激，“適應”成特定的神經(jīng)—肌肉型，而振動訓練是在多質(zhì)點不穩(wěn)定機械振動狀態(tài)下承受遞減性傳遞和自身體重后負荷的以點圓環(huán)刺激，振動波在肌肉中傳導，刺激本體感受器，神經(jīng)中樞機制發(fā)生變化，自身隨時調(diào)節(jié)、適應時刻變化的刺激，神經(jīng)系統(tǒng)加強，動員體交感神經(jīng)系統(tǒng)、運動器官，神經(jīng)沖動的頻率、強度增加［15］，通過多突觸傳導的調(diào)節(jié)作用，使快、慢肌發(fā)放沖動的頻率接近一致，主動肌和協(xié)同肌同時收縮，對抗肌及時而充分地放松，提高運動神經(jīng)元沖動的同步性、肌肉收縮的效率和協(xié)調(diào)能力［19］。而募集越來越多相鄰運動單元的同步收縮造成了肌電有序性的增加［14］，sEMG信號趨于周期性變化，無序程度降低，系統(tǒng)復雜度下降，導致振動刺激下的肌電復雜度要低于傳統(tǒng)刺激下的肌電復雜度，因此，振動肌電ApEn絕對值均小于傳統(tǒng)的。由于肌電ApEn絕對值越大顯示肌肉疲勞程度越深［14］，推斷相應等級的負荷強度時，振動刺激的疲勞程度要小于傳統(tǒng)的情況。

3.4 全身振動刺激影響分維數(shù)的機制

采用最直接的改變粗視化程度，求分維數(shù)的計算方法［12］：曲線總長度L與步長s、步數(shù)N的關系為

則曲線總長度為:

其中k為一比例常數(shù)，而該曲線的維數(shù)D則為:

對肌電信號波形歸一化處理方法如下：

設肌電信號的總采樣點數(shù)為N，第i個點的幅度為x（i），則對這N個點的幅度歸一化步驟為：

2）求相對平均值最大的幅度值：xm=max｛x′（i），i=0，l，…，N-1｝

3）幅度歸一化：y（i）=x′（i）/xm。

由于系統(tǒng)的復雜度越大，肌電信號分維數(shù)越大，顯示肌肉疲勞程度越高［19］，無疑表明相應等級的負荷強度時，振動刺激的疲勞程度要小于傳統(tǒng)的情況。

3.5 振動參數(shù)的選取對肌肉疲勞進程實驗的影響

考慮本試驗目標和可操作性，研究對象需要逐漸地達到力竭狀態(tài)，振動參數(shù)沒有選擇最強的指標，依據(jù)是：人體對1-80 Hz振動頻率特別敏感［20］，引起膝關節(jié)共振的頻率是20Hz，對器官的影響最大；根據(jù)國際標準ISO2631和我國標準GB10070-88《城市區(qū)域環(huán)境振動標準》的規(guī)定，垂直容許振動強度（位移/振幅、速度、加速度）限值是0.63-28.00m/s2，強度越大，影響就越大［21］；垂直容許振動時間限值是1min-24h，時間越長，影響就越大；身體接觸方式影響順序是全身振動〉局部振動；下肢蹬踏進行遞增負荷運動，不同部位肌電的趨勢不同，用力越大的肌肉肌電越強；振動影響的振動模式順序是沖擊振動〉穩(wěn)態(tài)振動〉間歇振動；振動方式的影響順序是左右振動〉水平振動〉垂直上下振動。因此實驗組和對照組之間的差異性不是非常顯著性?？梢钥闯?，振動訓練的參數(shù)與人體器官共振最敏感的參數(shù)或產(chǎn)生振動病的參數(shù)集中范圍有明顯交叉［20］，如果參數(shù)在容許區(qū)間內(nèi)，選擇其他自由組合的振動參數(shù)，試驗數(shù)據(jù)會變化，總體變化趨勢是一致的；如果參數(shù)超出容許區(qū)間，人體各系統(tǒng)遭受到傷害，試驗數(shù)據(jù)會變化，總體變化趨勢就不一定是一致的，比如改變時間參數(shù)，長期手接觸振動的工人，最常見的癥狀是振動性白指，他與正常人的手指疲勞進程是不一樣的，強度等其他參數(shù)的改變也會產(chǎn)生不同的效果，因此，本實驗只是通過頻域、近似熵、分維數(shù)三種典型定量評價肌肉疲勞進程的方式，科學穩(wěn)妥地證明一次全身穩(wěn)態(tài)垂直上下振動在人體容許參數(shù)范圍內(nèi)使機體不易疲勞，振動訓練可能是疲勞程度較小的訓練新思路，絕不是只要應用振動訓練就產(chǎn)生較小的疲勞，因為相關的研究表明，適當?shù)卣駝訒o機體良好的生物學效應，不適當?shù)恼駝訉е缕鞴俚膿p傷或改變，而且這種損傷目前發(fā)現(xiàn)是不可恢復的，因此振動訓練的適用范圍，比如利用不同參數(shù)組合，針對不同目的、項目、類型和個體的振動訓練效果，則需要進一步去研究，畢竟真理超出范圍一步就是謬誤。

4 結論

一次適當強度的立姿振動使機體疲勞推遲，立姿振動是疲勞程度較小的訓練新思路。

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Characteristics of Surface Electromyography Signals on the Standing Vibration in Young M ale Athletes during the M uscle Fatigue Process

XU Shu - li,et al
（Liaocheng University，Liaocheng Shandong，252059）

The aim of the study is to research the characteristics of surface EMG signals，the corresponding intensity vibration，MPFs absolute value，change rates of ApEn.The fractal dimensions are smaller than the traditional ones and the time of the fatigue exhaustion is significantly later than the traditional ones with both having significant differences.Conclusion：One time trainingwith appropriate intensity standing vibration leads the fatigue to appearmore slowly than that of traditional training，the standing vibration is the effective training new ideaswith small level of fatigue.

the standing vibration；mean power frequency；approximate entropy；fractal dimension；fatigue progress

G804.23

A

1001-9154（2014）01-0063-05

G804.23

A

：1001-9154（2014）01-0063-05

徐樹禮（1970-），男，山東諸城人，講師，碩士，研究方向為振動訓練。

2013-10-24