董雪芬

(浙江師范大學 體育與健康科學學院,浙江 金華 321004)

表面肌電信號(surface electromyography,sEMG)是神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動時的生物電變化經(jīng)貼在皮膚表面的電極引導并通過儀器放大后的電壓時間序列信號.基礎研究表明，大腦皮層通過電信號控制運動單元，肌肉中很多運動單元的動作電位在時間和空間上疊加就形成了表面肌電信號，它可以反映神經(jīng)肌肉功能.sEMG是一種簡單、無創(chuàng)、準確、重復性高的檢測手段，在臨床、康復、科研上都有廣泛應用[1-2].肌電信號指標常見的有時域指標平均肌電值(average EMG,AEMG)和頻域分析指標平均功率頻率(mean power frequency,MPF).肌肉活動時，AEMG是某一時間內動作電位的平均幅值，它跟肌肉活動時運動單位激活的數(shù)量、運動單位類型及其同步化程度有關；MPF是反映信號頻率特征的生物物理指標，其高低與外周運動單位動作電位的傳導速度有關，它同時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)負荷，在靜態(tài)運動中,sEMG頻域分析指標均呈現(xiàn)一定的特征變化[5-6]，而動態(tài)運動中除了時域指標AEMG之外均未發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律，在不同負荷形式下肌肉收縮力或輸出功率的變化與MPF之間的關系有待進一步研究.Masuda等[3]觀察了股四頭肌在5個不同角速度下分別進行40%～70% MVC (maximum voluntary contraction) 4個等級收縮時的sEMG，發(fā)現(xiàn)MPF與力無相關性，但是會受到角速度的影響.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.Geulle等[8]在等速實驗中發(fā)現(xiàn)股四頭肌的MPF與角速度無明顯相關，而肌肉的最大輸出功率與角速度呈負相關，由此推論MPF與輸出功率無關.而股外肌MPF隨負荷功率的遞增呈現(xiàn)先升后降的關系[9].有研究發(fā)現(xiàn)，MPF在不同個體中分別呈現(xiàn)不同規(guī)律：隨著負荷的增加，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)做重復動態(tài)收縮時，40～60次階段輸出功率下降然后保持一個穩(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[12].因此,筆者認為MPF可在動態(tài)負荷時預測疲勞，股四頭肌三塊肌群的相關系數(shù)為0.63～0.72.而有的研究則發(fā)現(xiàn)MPF與輸出力矩/力的關系呈現(xiàn)出多面性，它們只是部分相關并由不同的機制決定[13].大負荷動態(tài)疲勞實驗發(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性[14].有研究認為動態(tài)收縮比靜態(tài)收縮更耗體力，需要更快的ATP生成速度，因為收縮和伸展都需要能量[15].動態(tài)負荷下考察頻域指標與輸出功率間關系的研究較少，得到的結果也不一致.因此,本研究擬考察：1)不同強度快速伸膝運動對股四頭肌sEMG信號MPF下降率的影響；2)不同強度快速伸膝運動對伸膝平均輸出功率下降率的影響；3)不同強度快速伸膝運動過程中股四頭肌MPF下降率與伸膝平均輸出功率下降率的相關性.為進一步闡明動態(tài)肌肉活動的中樞控制理論和建立更加有效的肌肉疲勞評價方法提供實驗依據(jù).

1 實驗方法

1.1 實驗對象

健康青年男性大學生志愿者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，下肢無損傷和疾病，實驗前24 h內未從事劇烈運動，無任何肌肉疲勞現(xiàn)象.熟悉運動負荷方法和實驗要求.

1.2 實驗對象與方法

實驗采用單因素被試內設計，自變量為運動負荷.測試前受試者先進行30 min準備活動，包括慢跑、牽拉練習和熟悉輸出功率測試器的使用方法.本研究所采用的運動負荷分別為小負荷(105.8 kg)、中負荷(140.9 kg)、大負荷(176.4 kg)，要求受試者以最大努力完成30次的全力蹬踏運動，動作間隔為1 s，受試者在實驗過程中雙腳始終固定在一個位置上.3次運動負荷之間間隔3 min.運動負荷工具為澳瑞特坐姿平蹬訓練器，被試腰部和腳部固定于訓練器上，初始位置時被試腿部處于較大收縮位，通過蹬踏帶動連于坐底的負重塊.采集股四頭肌sEMG信號和每次動作時間、距離.被試實驗中的負重順序通過隨機實驗設計來平衡順序效應.

1.3 檢測指標

輸出功率：根據(jù)每次運動時間和距離算出單次運動速度v.F為負荷重力，每次被試的蹬踏都經(jīng)歷加速和減速過程，根據(jù)動量守恒原則，可由公式P=F·v算出每次運動平均功率.sEMG信號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個負荷股四頭肌(外側)、股直肌、股四頭肌(內側)伸膝運動的輸出功率的全部肌電信號.肌電圖采樣頻率為1 000 Hz，分別選取3個負荷下股四頭肌(外側)、股直肌、股四頭肌(內側)伸膝運動的輸出功率的全部sEMG進行MPF分析，計算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.

1.4 統(tǒng)計學處理

2 結 果

2.1 頻域指標MPF變化規(guī)律

在3個不同負荷下，受試者的MPF均表現(xiàn)出明顯的遞減變化趨勢,具體見圖1～圖3，相關分析發(fā)現(xiàn)股四頭肌外側和股直肌MPF與次數(shù)存在負相關，股四頭肌內側與次數(shù)不相關(見表1).單因素方差分析顯示不同負荷對各肌肉MPF均有顯著影響,具體見表1.

2.2 功率變化規(guī)律

在3個負荷下，功率變化存在不同趨勢(見圖4)，相關分析發(fā)現(xiàn):小負荷時功率隨次數(shù)上升；中負荷時不變；大負荷時下降.具體見表2

表1 MPF與運動次數(shù)的相關性

注:*表示P<0.05,**表示P<0.01.

圖1 運動次數(shù)與股外肌MPF的關系

圖2 運動次數(shù)與股內肌MPF的關系

圖3 運動次數(shù)與股直肌MPF的關系

圖4 運動次數(shù)與輸出功率的關系

表 2 功率與運動次數(shù)的相關性

2.3 負荷重量對MPF下降斜率的影響

單因素方差分析發(fā)現(xiàn)負荷重量對各肌肉MPF下降斜率無顯著影響(見表3)，多重比較發(fā)現(xiàn)各負荷水平之間MPF下降斜率無顯著差異.

表3 負荷重量對MPF下降斜率的影響

2.4 負荷重量對功率下降斜率的影響

不同強度快速伸膝運動對伸膝平均輸出功率下降斜率有明顯統(tǒng)計學意義(F=27.44,P=0.00)(見表4)，3個負荷輸出功率分別呈現(xiàn)上升、不變和下降的趨勢.

表4 負荷重量對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性

MPF下降斜率與伸膝平均輸出功率下降斜率的變化關系如表5所示.從表5可以看出，在不同負荷下股外肌、股直肌和股內肌的MPF下降斜率與伸膝平均輸出功率下降斜率沒有相關性，統(tǒng)計學分析表明其無明顯統(tǒng)計學差異.

3 討 論

MPF是反映sEMG頻率變化的特征性指標，其高低與外周運動單位動作電位的傳導速度、參與活動的運動單位類型及其同步化程度有關.以往眾多研究發(fā)現(xiàn)，MPF下降與肌肉疲勞密切相關[16-18].就目前研究而言，靜態(tài)負荷時頻譜左移現(xiàn)象較明顯，而動態(tài)負荷時呈現(xiàn)不同的變化.動態(tài)運動時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性.而受試者皮下脂肪厚度、表皮溫度也會影響測定結果[19].肌肉疲勞過程中，sEMG的快速傅立葉轉換(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、放電活動同步化變化等，而外周主要是由于劇烈運動時肌肉內環(huán)境乳酸堆積、H+濃度增加引起的動作電位傳導速度下降，不過，有研究發(fā)現(xiàn)，即使不能產生乳酸的磷酸化酶缺乏癥，患者在劇烈運動至疲勞時仍發(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一覽表

本實驗顯示：股外肌、股內肌和股直肌在不同強度負荷下MPF隨次數(shù)均表現(xiàn)出明顯的遞減變化趨勢，這與以往的靜態(tài)運動疲勞過程中運動肌sEMG具有相同的變化規(guī)律.研究發(fā)現(xiàn)，負荷對各肌肉MPF下降斜率無顯著影響，這一結果在以往研究中少有報道，可參考的文獻也較少，在以往的靜態(tài)負荷條件下，無論是四肢還是軀干肌肉，sEMG的MPF及MF隨著運動性疲勞的發(fā)生和發(fā)展均表現(xiàn)出單調遞減的變化規(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[9-10].而本實驗以最快速度進行約30 s的蹬伸運動，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物，肌乳酸的產生量與肌纖維收縮的強度大小有密切的關系.小到中等強度的活動有助于改善劇烈運動后的運動肌血流，使得運動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.肌肉代謝產物乳酸消除速度較快，H+濃度低，各負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，后期研究可增加負荷強度和次數(shù)來進一步觀察動態(tài)疲勞狀態(tài)下的MPF變化.

根據(jù)運動次數(shù)與平均輸出功率的相關性及功率下降率數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，3個負荷對輸出功率存在不同影響，在小負荷下輸出功率隨時間呈上升趨勢；中等負荷下輸出功率隨時間變化不大；大負荷下輸出功率隨時間呈下降趨勢.筆者認為，在小負荷狀態(tài)下，快速伸膝30次運動對機體的刺激還不強烈，不容易引起疲勞.功率上升的原因就是動作速度提高，動作速度隨次數(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.“大小原則”認為隨著肌張力的不斷增加，運動神經(jīng)元及其支配的運動單位按照由小到大順序進行募集[20].小α運動神經(jīng)元支配I型纖維，神經(jīng)沖動的傳導速度較慢，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運動神經(jīng)元支配，神經(jīng)沖動的傳導速度較快，能快速收縮并產生較大的肌張力，但是容易疲勞[21].因此，在中小負荷時主要動用I型纖維，耐受疲勞，功率能保持不變或上升;大負荷條件下，由于需要的肌張力很大，需要動用大閾值的Ⅱ型纖維，相比較更容易出現(xiàn)疲勞.

4 結 論

本研究通過觀察腿部肌肉完成3種不同強度爆發(fā)力練習過程中的MPF及輸出功率變化發(fā)現(xiàn)：不同強度快速伸膝運動，下股四頭肌(外側)、股四頭肌(內側)和股直肌MPF隨次數(shù)而下降，與以往靜態(tài)研究相一致；不同強度快速伸膝運動下股四頭肌(外側)、股四頭肌(內側)和股直肌MPF下降斜率沒有差別；在短時爆發(fā)力運動中，強度對平均輸出功率下降斜率有影響，3個負荷輸出功率隨時間分別呈現(xiàn)上升、不變和下降的趨勢，因此，在短時訓練時，中等負荷強度對訓練爆發(fā)力可能有較好效果，在保證強度的同時又不易疲勞.以往研究發(fā)現(xiàn)MPF下降率可在一定程度反應靜態(tài)動作的疲勞性，而本研究發(fā)現(xiàn)快速伸膝運動下MPF下降率和輸出功率下降率不相關，因此,MPF下降率是否能反應動態(tài)動作疲勞性還有待進一步研究證實.

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