不同强度快速伸膝运动对股四头肌肌电图平均功率频率和输出功率的影响*

董雪芬

(浙江师范大学 体育与健康科学学院,浙江 金华 321004)

表面肌电信号(surface electromyography,sEMG)是神经肌肉系统活动时的生物电变化经贴在皮肤表面的电极引导并通过仪器放大后的电压时间序列信号.基础研究表明，大脑皮层通过电信号控制运动单元，肌肉中很多运动单元的动作电位在时间和空间上叠加就形成了表面肌电信号，它可以反映神经肌肉功能.sEMG是一种简单、无创、准确、重复性高的检测手段，在临床、康复、科研上都有广泛应用[1-2].肌电信号指标常见的有时域指标平均肌电值(average EMG,AEMG)和频域分析指标平均功率频率(mean power frequency,MPF).肌肉活动时，AEMG是某一时间内动作电位的平均幅值，它跟肌肉活动时运动单位激活的数量、运动单位类型及其同步化程度有关；MPF是反映信号频率特征的生物物理指标，其高低与外周运动单位动作电位的传导速度有关，它同时反映中枢控制的频域信息.研究表明，伴随着肌肉疲劳的发生和发展，AEMG逐渐上升，MPF则逐渐下降[3-4].以往研究较多采用静态负荷，在静态运动中,sEMG频域分析指标均呈现一定的特征变化[5-6]，而动态运动中除了时域指标AEMG之外均未发现明显的规律，在不同负荷形式下肌肉收缩力或输出功率的变化与MPF之间的关系有待进一步研究.Masuda等[3]观察了股四头肌在5个不同角速度下分别进行40%～70% MVC (maximum voluntary contraction) 4个等级收缩时的sEMG，发现MPF与力无相关性，但是会受到角速度的影响.Muro等[7]发现了股直肌在20%MVC用力状况下，MPF与角速度呈正向相关.Geulle等[8]在等速实验中发现股四头肌的MPF与角速度无明显相关，而肌肉的最大输出功率与角速度呈负相关，由此推论MPF与输出功率无关.而股外肌MPF随负荷功率的递增呈现先升后降的关系[9].有研究发现，MPF在不同个体中分别呈现不同规律：随着负荷的增加，MPF分别呈现减小、先增后减及先减后增3种规律[10].Gerdle等[11]发现做重复动态收缩时，40～60次阶段输出功率下降然后保持一个稳定的状态不再下降，输出功率的下降与MPF的变化呈显著相关[12].因此,笔者认为MPF可在动态负荷时预测疲劳，股四头肌三块肌群的相关系数为0.63～0.72.而有的研究则发现MPF与输出力矩/力的关系呈现出多面性，它们只是部分相关并由不同的机制决定[13].大负荷动态疲劳实验发现40～60次的最大力收缩被试疲劳，MPF和输出力矩存在显著相关性[14].有研究认为动态收缩比静态收缩更耗体力，需要更快的ATP生成速度，因为收缩和伸展都需要能量[15].动态负荷下考察频域指标与输出功率间关系的研究较少，得到的结果也不一致.因此,本研究拟考察：1)不同强度快速伸膝运动对股四头肌sEMG信号MPF下降率的影响；2)不同强度快速伸膝运动对伸膝平均输出功率下降率的影响；3)不同强度快速伸膝运动过程中股四头肌MPF下降率与伸膝平均输出功率下降率的相关性.为进一步阐明动态肌肉活动的中枢控制理论和建立更加有效的肌肉疲劳评价方法提供实验依据.

1 实验方法

1.1 实验对象

健康青年男性大学生志愿者17名，年龄(20±1.44)岁，身高(1.72±0.03)m，体重(63.35±6.91) kg.身体健康状况良好，下肢无损伤和疾病，实验前24 h内未从事剧烈运动，无任何肌肉疲劳现象.熟悉运动负荷方法和实验要求.

1.2 实验对象与方法

实验采用单因素被试内设计，自变量为运动负荷.测试前受试者先进行30 min准备活动，包括慢跑、牵拉练习和熟悉输出功率测试器的使用方法.本研究所采用的运动负荷分别为小负荷(105.8 kg)、中负荷(140.9 kg)、大负荷(176.4 kg)，要求受试者以最大努力完成30次的全力蹬踏运动，动作间隔为1 s，受试者在实验过程中双脚始终固定在一个位置上.3次运动负荷之间间隔3 min.运动负荷工具为澳瑞特坐姿平蹬训练器，被试腰部和脚部固定于训练器上，初始位置时被试腿部处于较大收缩位，通过蹬踏带动连于坐底的负重块.采集股四头肌sEMG信号和每次动作时间、距离.被试实验中的负重顺序通过随机实验设计来平衡顺序效应.

1.3 检测指标

输出功率：根据每次运动时间和距离算出单次运动速度v.F为负荷重力，每次被试的蹬踏都经历加速和减速过程，根据动量守恒原则，可由公式P=F·v算出每次运动平均功率.sEMG信号MPF下降斜率：采用双极肌电记录系统(MC6000,Mega electronics,Kuopio,Finland)分别记录受试者在完成3个负荷股四头肌(外侧)、股直肌、股四头肌(内侧)伸膝运动的输出功率的全部肌电信号.肌电图采样频率为1 000 Hz，分别选取3个负荷下股四头肌(外侧)、股直肌、股四头肌(内侧)伸膝运动的输出功率的全部sEMG进行MPF分析，计算MPF下降斜率(Hz·s-1)，作为反映股四头肌(vastus lateralis)抗疲劳能力的指标.

1.4 统计学处理

2 结 果

2.1 频域指标MPF变化规律

在3个不同负荷下，受试者的MPF均表现出明显的递减变化趋势,具体见图1～图3，相关分析发现股四头肌外侧和股直肌MPF与次数存在负相关，股四头肌内侧与次数不相关(见表1).单因素方差分析显示不同负荷对各肌肉MPF均有显著影响,具体见表1.

2.2 功率变化规律

在3个负荷下，功率变化存在不同趋势(见图4)，相关分析发现:小负荷时功率随次数上升；中负荷时不变；大负荷时下降.具体见表2

表1 MPF与运动次数的相关性

注:*表示P<0.05,**表示P<0.01.

图1 运动次数与股外肌MPF的关系

图2 运动次数与股内肌MPF的关系

图3 运动次数与股直肌MPF的关系

图4 运动次数与输出功率的关系

表 2 功率与运动次数的相关性

2.3 负荷重量对MPF下降斜率的影响

单因素方差分析发现负荷重量对各肌肉MPF下降斜率无显著影响(见表3)，多重比较发现各负荷水平之间MPF下降斜率无显著差异.

表3 负荷重量对MPF下降斜率的影响

2.4 负荷重量对功率下降斜率的影响

不同强度快速伸膝运动对伸膝平均输出功率下降斜率有明显统计学意义(F=27.44,P=0.00)(见表4)，3个负荷输出功率分别呈现上升、不变和下降的趋势.

表4 负荷重量对平均输出功率下降率的影响

2.5 MPF下降斜率和功率下降斜率的相关性

MPF下降斜率与伸膝平均输出功率下降斜率的变化关系如表5所示.从表5可以看出，在不同负荷下股外肌、股直肌和股内肌的MPF下降斜率与伸膝平均输出功率下降斜率没有相关性，统计学分析表明其无明显统计学差异.

3 讨 论

MPF是反映sEMG频率变化的特征性指标，其高低与外周运动单位动作电位的传导速度、参与活动的运动单位类型及其同步化程度有关.以往众多研究发现，MPF下降与肌肉疲劳密切相关[16-18].就目前研究而言，静态负荷时频谱左移现象较明显，而动态负荷时呈现不同的变化.动态运动时表面肌电电极所覆盖的肌纤维处于不断变化中，而频谱左移程度亦或MPF、MF下降幅度与被检肌纤维类型及疲劳程度等有相关性.而受试者皮下脂肪厚度、表皮温度也会影响测定结果[19].肌肉疲劳过程中，sEMG的快速傅立叶转换(FFT)频谱发生左移现象的解释有中枢控制因素和外周因素两种，中枢主要是神经元放电频率下降、放电活动同步化变化等，而外周主要是由于剧烈运动时肌肉内环境乳酸堆积、H+浓度增加引起的动作电位传导速度下降，不过，有研究发现，即使不能产生乳酸的磷酸化酶缺乏症，患者在剧烈运动至疲劳时仍发生sEMG频谱左移现象.H+或乳酸累积与sEMG频谱左移并不一定属因果关系[18].

表5 MPF下降斜率与伸膝平均输出功率下降斜率变化的相关一览表

本实验显示：股外肌、股内肌和股直肌在不同强度负荷下MPF随次数均表现出明显的递减变化趋势，这与以往的静态运动疲劳过程中运动肌sEMG具有相同的变化规律.研究发现，负荷对各肌肉MPF下降斜率无显著影响，这一结果在以往研究中少有报道，可参考的文献也较少，在以往的静态负荷条件下，无论是四肢还是躯干肌肉，sEMG的MPF及MF随着运动性疲劳的发生和发展均表现出单调递减的变化规律，且其下降斜率与以肌肉最大收缩力表示的疲劳状态密切相关[9-10].而本实验以最快速度进行约30 s的蹬伸运动，因此是由乳酸能系统和糖酵解系统供能，乳酸是糖酵解的最终产物，肌乳酸的产生量与肌纤维收缩的强度大小有密切的关系.小到中等强度的活动有助于改善剧烈运动后的运动肌血流，使得运动肌获得充足的氧气而加快肌肉乳酸的氧化利用和肌糖原合成.肌肉代谢产物乳酸消除速度较快，H+浓度低，各负荷下肌肉均未处于疲劳状态，其MPF下降率也未呈现差别，后期研究可增加负荷强度和次数来进一步观察动态疲劳状态下的MPF变化.

根据运动次数与平均输出功率的相关性及功率下降率数据可以发现，3个负荷对输出功率存在不同影响，在小负荷下输出功率随时间呈上升趋势；中等负荷下输出功率随时间变化不大；大负荷下输出功率随时间呈下降趋势.笔者认为，在小负荷状态下，快速伸膝30次运动对机体的刺激还不强烈，不容易引起疲劳.功率上升的原因就是动作速度提高，动作速度随次数而有所加快的原因可能与中枢神经控制的肌纤维募集的大小原则有关.“大小原则”认为随着肌张力的不断增加，运动神经元及其支配的运动单位按照由小到大顺序进行募集[20].小α运动神经元支配I型纤维，神经冲动的传导速度较慢，耐受疲劳，适于持续低水平的力输出.Ⅱ型纤维则由较大的α运动神经元支配，神经冲动的传导速度较快，能快速收缩并产生较大的肌张力，但是容易疲劳[21].因此，在中小负荷时主要动用I型纤维，耐受疲劳，功率能保持不变或上升;大负荷条件下，由于需要的肌张力很大，需要动用大阈值的Ⅱ型纤维，相比较更容易出现疲劳.

4 结 论

本研究通过观察腿部肌肉完成3种不同强度爆发力练习过程中的MPF及输出功率变化发现：不同强度快速伸膝运动，下股四头肌(外侧)、股四头肌(内侧)和股直肌MPF随次数而下降，与以往静态研究相一致；不同强度快速伸膝运动下股四头肌(外侧)、股四头肌(内侧)和股直肌MPF下降斜率没有差别；在短时爆发力运动中，强度对平均输出功率下降斜率有影响，3个负荷输出功率随时间分别呈现上升、不变和下降的趋势，因此，在短时训练时，中等负荷强度对训练爆发力可能有较好效果，在保证强度的同时又不易疲劳.以往研究发现MPF下降率可在一定程度反应静态动作的疲劳性，而本研究发现快速伸膝运动下MPF下降率和输出功率下降率不相关，因此,MPF下降率是否能反应动态动作疲劳性还有待进一步研究证实.

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