不同负重条件下下肢对振动冲击加速度峰值衰减的影响

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中图分类号：G804 文献标识：A 文章编号：1009-9328（2013）01-000-04

摘 要 通过改变全身性冲击振动过程当中受试者的负荷重量，探讨在不同负重条件下冲击振动加速度峰值在下肢的传递特点以及下肢不同肌群的神经肌肉激活特征。在0%BW负重组与 20%BW、30%BW负重组之间，D膝-腰差异具有显著性，其p值分别为0.048、0.013。腓肠肌、股内侧肌、股直肌、股外侧肌、股二头肌标准化积分肌电0%BW负重组与30%BW负重组之间差异具有显著性。研究结论：（1）接受振动刺激的过程中，大腿肌群及小腿腓肠肌的活动状态，随负重量的增加而增大。（2）随着负重量的增加，接受振动刺激的过程中，振动在下肢膝关节至腰部的衰减量增大。（3）膝关节是对冲击力衰减缓冲的主要关节，踝关节有一定的衰减缓冲作用，但不是非常明显。

关键词 冲击振动 振动传递 肌电活动 膝关节角度 峰值加速度

全身振动训练是目前较为流行的一种方法。它可以有效地提高下肢的力量，这点已得到普遍的认可。Schwarzer以站姿进行垂直方向的振动训练，每周3次，每次以最大力量的60%完成12次，振动频率为10～24Hz，振幅为6mm，结果发现，最大力量增加了40%。M. Roelants等对普通女性进行24周全身振动力量训练，发现实验组的膝伸肌力量比参照组有显著性的增长。许以诚等人用振动力量训练器对上海女子手球队发展手臂力量时，发现在进行主动肌振动力量练习时，中枢神经系统募集运动单位增多，使对抗肌也得到发展。危小焰等通过对雅典奥运会集训的部分举重运动员进行尝试性训练，与参照组对比发现振动力量训练可以较快地增长肌肉的最大力量。以提高下肢力量为目的振动训练中，负荷重量是一个重要的因素。在不同的负重条件下，受重力的影响，肌肉的活动状态不同。而肌肉的活动状态是影响振动刺激在人体传递的一个重要因素。Wakeling and Nigg的研究发现下肢软组织的固有频率和阻尼系数均随肌肉力量的变化而变化。James M发现股二头肌和腓肠肌外侧肌电活动的增加使下肢对振动的传递衰减增大。同时他还发现在行走和跑步中，肌肉活性的增加可以用来增大下肢软组织对下肢所受到的地面冲击的衰减。在接受全身振动训练时，受试者负荷不同的重量，下肢肌群的活动状态不同，这会影响到振动在下肢的传递并最终影响到训练的效果。同时下肢对振动刺激的衰减状况会影响到振动对腹部，颅骨等上肢体的冲击，而过度的冲击会造成人体的不适。所以说研究在全身振动训练中振动刺激在下肢的传递特点是有意义的。本研究试图通过在不同的负重条件下，使受试者保持下肢关节在一个稳定角度，施加相同的振动刺激来观察在不同负重条件下冲击振动在下肢的传递衰减特点以及下肢不同肌群的神经肌肉激活特征。

一、研究对象

本研究选择上海体育学院16名二、三年级男性大学生为实验对象。所有受试者自愿参加本实验，均无下肢关节损伤史，近期（一月）没有肌肉拉伤及关节扭伤，无其他心血管疾病，并且对实验过程和对身体影响知情。实验前记录受试者的身高，体重。参与本次实验的受试者的基本信息：年龄、身高、体重等信息见表1

二、试验方法

（一）表面肌电（EMG）的采集

试验采用德国biovision16导多功能运动生物电采集和分析系统采集表面肌电。被测肌群为：左腿胫骨前肌（TA）、内侧腓肠肌（TS）、股直肌（RF）、股内侧肌（VM）、股外侧肌（VL）、股二头肌（BF）。

1.贴肌电片的粘贴

首先，去除相应皮肤表面的毛发，用砂纸进行打磨相应皮肤，去除角质层，用75%的酒精擦拭进行去脂。将直径为10mm的表面肌电片（Ag-AgCl）固定在所选定肌肉的肌腹中心位置，电极间距为25mm。用医用胶带固定放大器，用医用衬底纱布包绕肌电片进行固定。肌电采样频率为1000hz。

2.MVC测试

采集受试者肌肉最大等长收缩时的表面肌电信号，每块肌肉的采集时间为5s，重复测试三次，间隔为1min。

（二）加速度信号的采集

试验采用美国Endevco公司生产的三维加速度计四个量程为（-10～+10g），加速度传感器放置的位置分别为振动台台面（Platform P）、左侧外踝（ankle A）、左腿膝关节中点（knee K）、第四腰椎（lumbar L）。先用双面胶将加速度传感固定在皮肤表面上，保持z轴竖直向上，再用关节止痛膏在外面固定，最后再用医用胶带进行缠绕固定。加速度计的采样频率为2000hz。

（三）振动实验

根据研究目的，在查阅相关文献资料的基础上，本研究中受试者所负荷的重量分为0%BW（bodyweight）、10%BW、20%BW、30%BW四个负重量级。实验采用苏州实验仪器总厂生产制造的DY-600电动振动试验系统进行冲击振动试验。试验中受试者站立于振动台上，双脚与肩同宽，每人以随机的方式分别接受四个级别负重的冲击振动试验。为了控制实验条件，所有受试者统一着某品牌平板鞋。实验过程中，为了缓解振动所引起的不适反应，要求受试者在接受振动过程中膝关节角度保持120°，上身保持竖直。每个负荷级别接受的振动冲击波形为三角波，脉冲时间为20ms，振幅为51mm，峰值加速度控在4g，脉冲次数为10次。

三、实验结果

实验数据采用Spss 17.0进行数据处理与统计分析。对4个负重级别的数据采用单因素方差分析，显著水平P=0.05。

（一）表面肌电结果

通过Dasylab 8.0软件对采集到的肌电信号进行分析。找到并截取10次冲击振动中与所选加速度信号相对应的肌电信号，截取长度为1024个点（持续时间为1024ms），对肌电信号进行滤波、全波整流。计算截取段肌电的积分肌电（IEMG）。用每块肌肉做功能测试使的积分肌电，对振动试验中的各块肌肉的积分肌电进行标准化处理。计算公式如下：

标准化积分肌电（%）=积分肌电/MVC测试积分肌电*100%

表2 被测肌肉在不同负重条件下接受振动刺激的标准化积分肌电（n=16）

测试肌肉 0%BW 10%BW 20%BW 30%BW

胫骨前肌 97.33±22.38 92.30±27.37 90.43±25.76 90.83±26.49

腓肠肌 71.13±18.29 79.71±19.46 88.31±19.74 87.42±17.89

股内侧肌 72.20±13.32 79.69±16.50 82.29±21.21 88.53±18.21

股直肌 73.99±12.94 89.85±30.50 99.47±47.91 101.95±46.52

股外侧肌 73.91±13.60 74.63±17.09 83.39±20.59 86.99±14.17

股二头肌 67.69±20.23 82.17±20.60 84.95±23.83 94.41±38.75

结果显示胫骨前肌标准化积分肌电四个组之间未表现出显著地差异性（表2）。腓肠肌标准化积分肌电0%BW负重组与20%BW、30%BW负重组之间均表现出显著的差异性，p值分别为0.017、0.021。股直肌、股外侧肌标准化积分肌电0%BW负重组与30%BW负重组之间差异具有显著性，p值分别为0.044、0.046。股内侧、股二头肌肌标准化积分肌电0%BW负重组与30%BW负重组之间差异具有高度显著性，p值分别为0.013、0.009。其他各组之间差异不具有显著性。

（二）加速度数据分析

利用美国National Instruments 公司开发的LabVIEW数据采集分析系统，对采集的加速度信号进行分析。从十次冲击中选取信号最稳定且台面峰值加速度与预设的加速度值最接近的一次脉冲，提取计算数据中的振动台台面、左脚外踝、膝关节中心和第四腰椎的冲击波峰值加速度ap、aa、ak、am：

D台-踝（%）= （aP-aa）/aP*100%

D踝-膝（%）= （aa-ak）/ap*100%

D膝-腰（%）= （am-ak）/ap*100%

剔除偏移平均数三倍标准差的实验数据，按此标准有两名受试者的数据被舍弃。

表3 下肢各段峰值加速度衰减百分比（n=14）

下肢各段 0%BW 10%BW 20%BW 30%BW

D台-踝 13.563±7.5213 13.617±6.8076 13.576±5.9597 13.0361±5.5400

D踝-膝 17.317±7.2855 17.820±8.9601 17.868±7.8788 17.6637±8.0853

D膝-腰 36.03±11.2979 41.59±12.0051 44.687±9.0224 46.989±11.1025

统计结果显示D台-踝（振动台台面至踝关节处），D踝-膝（踝外侧髁至膝关节处），四个组之间差异不具有显著性（表3）。结果显示D膝-腰（膝关节至第四腰椎处）0%BW负重组与 20%BW、30%BW负重组之间差异具有显著性，其p值分别为0.048、0.013。

四、分析与讨论

研究结果显示，在不同的负重条件下接受全身振动刺激，腓肠肌、股内侧肌、股直肌、股外侧肌、股二头肌表现出不同的活动状态。导致这种差异性的原因一方面是随着肩部负重量的增大，为了保持膝关节角度不变，下肢肌肉活动增强来抵抗重力的作用；另一方面是因为在振动的刺激下，肌肉的活动状态更加强烈。振动刺激作为一种外予性刺激，能刺激肌肉的本体感受器，特别是初级肌梭传入纤维末梢的兴奋性，从而募集更多的运动单位参与活动，使肌肉活动增强。本研究中，受试者膝关节要求维持在120，股四头肌肌群作为维持膝关节屈曲位的主动肌，一方面要抵抗重力的作用，另一方面受振动刺激的影响，其肌电活动在不同负重条件表现出显著差异性。振动台台面对人体施加向上的冲击时，膝关节有伸的趋势，为了保持原位，股二头肌作用增强。

在本研究中D膝-腰段的峰值加速度衰减量0%BW负重组与 20%BW、30%BW负重组之间均表现出显著的差异性。这种结果与受试者所负荷的重量有关。本实验中受试者以固定姿势站立于振动台面，双足直接接受冲击振动刺激。这种振动刺激在向头部的传递过程中被衰减。这种衰减除受到振动刺激的频率、振幅等振动参数的影响外，与机体自身的固有频率、阻尼系数以及关节运动学特征也有关系。Lafortune MA的研究发现增加膝关节的屈曲角度可以明显地减小身体有效的轴向刚度，增大振动在下肢的衰减。本研究中，所有实验施加相同的振动刺激，受试者静止站立，膝关节角度统一维持在120，这样就使下肢关节的关节运动学参数为恒量。在本研究中不同负重组之间的振动衰减差异主要可认为机体自身的振动传递特性的变化引起的。人体下肢的组成主要包括骨骼、肌肉、皮肤等组织。有研究认为相对于软组织，骨骼的弹性刚度较大且不易改变，对振动传递的衰减作用较小。肌肉、脂肪、皮肤等软组织是影响振动衰减量的主要成分。其中Morgan DL认为对软组织阻尼系数影响最大的两种成分是肌腱和肌纤维激活横桥的数目，振动过程中，能量能够被肌腱和活化的横桥吸收且释放。本研究中，当受试者负荷较大的重量时，肌电测试结果表明股四头肌、股二头肌肌电活动明显增大，这说明在较大负荷条件下，膝关节至腰椎段的肢体被激活的运动单位数目更多，被活化的肌纤维横桥数目增多。另外在较大外负荷作用下被动紧张成分的紧张度更大，从而使该段肢体的阻尼系数增大，0%BW负重组与 20%BW、30%BW负重组之间D膝-腰值差异具有显著性。这个结果与Wakeling 等人的研究一致。Wakeling and Nigg的研究发现下肢软组织的固有频率和阻尼系数均随肌肉力量的变化而变化，且发现肌肉活性对阻尼的影响要大于对固有频率影响。他发现肌肉力量增加，肌肉的结构发生变化，更多的横桥被激活，软组织阻尼系数增大。本研究中0%BW负重组与10 %BW、20%BW负重组与 30%BW 负重组之间的振动衰减没有呈现出显著地差异性，这可能是因为两个组之间的负重量差异较小 ，没有使下肢的振动传递特性明显变化的原因。D台-踝、D踝-膝值四个组之间差异不具有显著性，这说明膝关节是下肢对冲击力衰减缓冲的主要关节，踝关节具有一定的缓冲衰减作用，但不是非常明显。

五、结论

（一）接受振动刺激的过程中，大腿肌群及小腿腓肠肌的活动状态，随负重量的增加而增大。

（二）随着负重量的增加，接受振动刺激的过程中，振动在下肢膝关节至腰部的衰减量增大。

（三）振动冲击在人体的自下而上的传递过程中，其加速度峰值的衰减主要出现在D膝-腰段。

因此，下肢对冲击力衰减缓冲的主要关节是膝关节，踝关节具有一定的缓冲衰减作用，但不是非常明显。

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