中年男性膝关节肌群的生物力学特征*

西安体育学院(西安710068)

黄志刚

中年人群是社会的主要工作群体,工作压力大、任务重,是运动能力和身体素质发生显著变化的阶段。机体免疫力开始减退,机体各系统也将会发生一系列衰老的生理功能变化。中年人的血脂水平通常较高,中年人的肥胖问题严重,脑血管疾病患者增多,不时感到双腿僵硬无力。本研究以中年男性人群为研究对象,借助等速功能测试系统,获得不同人群下肢膝关节肌群肌肉收缩的力学参数,旨在提高中年人的自我认识,促使他们积极参加体育锻炼,同时为运动损伤的康复与预防提供理论依据。

对象与方法

1 研究对象 西安市区事业单位60例健康男性,年龄为45～49岁。其中30例长期坚持体育锻炼,30例几乎不参与任何体育活动。所有受试者均未接受过任何形式的专项训练,且下肢各关节无疾病、外伤和手术史,下肢各关节肌力和关节活动范围均正常,目前健康状况良好。见表1。

表1 受试者基本情况

2 研究方法(1)测试方法:膝关节肌力测试时,测试对象身体端坐在测试椅上,两腿呈自然状态,测试腿(优势腿)与额状面垂直,膝关节的关节运动轴线与连杆转动轴线重合,两手紧握测力仪器的专用扶手,躯干用两条绷带跨过肩关节,连同胸部的一条绷带将其固定,大腿用一条绷带将其固定。(2)主要实验仪器:德国ISOMED2000等速功能评定系统。(3)测试内容:膝关节屈伸肌群等速向心收缩(克制性工作),膝关节屈伸肌群等速离心收缩(退让性工作)。(4)测试参数设置[1～4]:膝关节屈伸肌群等速向心测试速度选取为60°/s、120°/s、180°/s、240°/s,每个速度重复完成 3组,每组完成3次,组间间歇 30s。膝关节屈伸肌群等速离心测试速度选取为60°/s、120°/s、180°/s,每个速度重复完成3组,每组完成3次,组间间歇 30s。

结 果

1 锻炼组等速向心收缩膝关节屈伸肌群测试结果 见表2。锻炼人群膝关节屈伸肌群等速向心收缩峰值肌力矩随给定运动速度的增大(60～240°/s)而减小,膝关节屈肌群峰值肌力矩从107.3降至86.5N·m,伸肌群峰值肌力矩从 165.8降至123.3N· m。且膝关节屈伸肌群等速向心收缩时伸肌峰力矩明显高于屈肌峰力矩,而膝关节屈伸肌群等速向心收缩峰值肌力矩屈伸比变化不显著,变化范围为0.65～0.70之间。屈伸肌群力矩梯度均在 240°/s时达到最大。

2 非锻炼组等速向心收缩膝关节屈伸肌群测试结果 见表3。非锻炼组膝关节屈伸肌群等速向心收缩峰值肌力矩随给定运动速度的增大(60～240°/s)而减小,膝关节屈肌群峰值肌力矩从79.3降至52.7N· m,伸肌群峰值肌力矩从142.8降至98.5N· m。且膝关节屈伸肌群等速向心收缩时伸肌峰力矩明显高于屈肌峰力矩,而膝关节屈伸肌群等速向心收缩峰值肌力矩屈伸比变化不显著,变化范围为0.54～0.56之间。屈伸肌群力矩梯度均在 240°/s时达到最大。

表2 向心收缩屈伸肌群峰值力矩、力矩梯度及峰力矩屈伸比

表3 向心收缩屈伸肌群峰值力矩、力矩梯度及峰力矩屈伸比

3 屈伸肌群等速向心收缩峰值力矩对应的膝关节角度 见表4。锻炼组膝关节屈肌群等速向心收缩峰值力矩出现时的关节角度在139.6～143.7°之间。伸肌群等速向心收缩峰值力矩出现时的关节角度在 126.7～131.4°之间。非锻炼组膝关节屈肌群等速向心收缩峰值力矩出现时的关节角度在138.7～143.2°之间。伸肌群等速向心收缩峰值力矩出现时的关节角度在 126.8～129.7°之间。

表4 屈伸肌群向心收缩峰值力矩对应的膝关节角度

4 锻炼组膝关节屈伸肌群等速离心收缩峰值力矩 见表5。锻炼组膝关节屈伸肌群等速离心收缩时,随着给定运动角速度的加快,力矩峰值无显著变化。屈肌群力矩峰值在 109.6到 117.2N·m之间变化(P＜0.05),伸肌群力矩峰值183.4到198.7N· m在之间变化(P＜0.05)。然而,力矩梯度随给定速度的加快而增加,均在180°/s达到最大。峰力矩屈 /伸比变化不显著,变化范围在 0.58～0.63之间。

表5 离心收缩屈伸肌群峰值力矩、力矩梯度及峰力矩屈伸比

5 非锻炼组膝关节屈伸肌群等速离心收缩峰值力矩 见表6。非锻炼组膝关节屈伸肌群等速离心收缩时,随着给定运动角速度的加快,力矩峰值无显著变化。屈肌群力矩峰值在 73.7～81.3N· m之间变化(P＜0.05),伸肌群力矩峰值 151.3～157.5N· m在之间变化(P＜0.05)。然而,力矩梯度随给定速度的加快而增加,均在 180°/s达到最大。峰力矩屈 /伸比变化不显著,变化范围在 0.48～0.53之间。

表6 离心收缩屈伸肌群峰值力矩、力矩梯度及峰力矩屈伸比

6 膝关节屈伸肌群等速离心收缩力矩峰值出现时的关节角度 见表7。锻炼组膝关节屈肌群等速离心收缩峰值力矩出现时的关节角度在 150.1～153.9°之间。伸肌群等速离心收缩峰值力矩出现时的关节角度在117.9～120.3°之间。非锻炼组膝关节屈肌群等速离心收缩峰值力矩出现时的关节角度在 149.7～153.5°之间。伸肌群等速离心收缩峰值力矩出现时的关节角度在 116.8～119.2°之间。

讨 论

1 影响肌肉力矩的生物学因素 表2、表3可看出,两组不同人群膝关节屈伸肌群向心收缩峰值肌力矩随给定运动速度的增大而减小。随着肌肉收缩速度的增大而力矩减小的主要原因可能是:(1)肌肉收缩速度不同,中枢神经对肌肉类型的激活程度不同,在等速向心低速状态下,希尔方程可知,肌肉收缩速度与收缩力量成反比,因此可产生较大肌力,表现出的肌力矩峰值较大;在等速向心高速状态下,由于肌肉工作时间短,神经可能仅激活肌肉中的快肌纤维,参与活动肌群的肌肉可能未完全被激活,因此产生肌力较小,肌力矩峰值也会随之下降[5,6]。(2)随着等速向心角速度的增加,肌肉收缩速度加快,由于肌肉的物理特性粘滞性,在其收缩时需要消耗更大的能量,从而导致肌肉力量下降,且粘滞阻力随收缩速度的加大而增加;同时肌肉收缩时随收缩速度的加快,横桥不断地快速结合与分离也要损失肌力,从而使肌肉张力随运动速度的加快而下降,希尔方程也充分说明了这一点,因此肌肉向心收缩的峰值肌力矩随给定运动角速度的增大而减小这一特点。表5、表6可看出,两组不同人群膝关节屈伸肌群等速离心收缩时,随着给定运动角速度的加快,力矩峰值无显著变化,但明显比表2、表3中向心收缩力矩峰值大。造成这种情况的原因可能是:首先在离心收缩产生以前向心收缩已经产生,肌肉拉长时肌肉弹性元成份就会储存弹性势能并在离心收缩中得以利用;其次,由于肌肉的生理特性,牵张反射,在肌肉做离心收缩时,肌肉、肌梭和腱梭同时也受到强烈牵张,反射性地引起肌肉产生强烈收缩,使肌肉张力增大;在生物力学中,将肌肉分成三部分:收缩元(代表可以相对滑动的粗细肌丝),串联弹性元(代表 Z线,肌-腱复合体),并联弹性元(代表肌肉被动状态下的力学性质,包括肌纤维膜,肌束衣等结缔组织)[7,8]。在向心收缩中,只有收缩元产生能克服阻力的肌张力;而在离心收缩中,串联、并联弹性元均被拉长而产生回缩弹性力,也就是说肌肉的三种成份均最大限度地参与工作,因而离心收缩产生的肌力大于向心收缩产生的肌力。而在向心收缩时,只有肌肉可收缩成份产生足够克服外界负荷的张力。也就是说向心收缩只有收缩机制参与,而离心收缩却是非收缩和收缩机制均以最大限度参与工作。因而离心收缩产生的肌力大于向心收缩产生的肌力。

2 等速向心收缩膝关节屈伸肌群 表2、表3显示,锻炼和非人群膝关节屈伸肌群等速向心收缩峰值肌力矩均随给定运动速度的增大(60～240°/s)而减小。锻炼人群膝关节屈肌群峰值肌力矩从107.3降至86.5 N· m,伸肌群峰值肌力矩从 165.8降至123.3N·m,且膝关节屈伸肌群等速向心收缩时伸肌峰力矩明显高于屈肌峰力矩,峰值肌力矩屈伸比变化不显著,变化范围为0.65～0.70之间;非锻炼组膝关节屈肌群峰值肌力矩从 79.3降至52.7N· m,伸肌群峰值肌力矩从 142.8降至98.5N· m,且膝关节屈伸肌群等速向心收缩时伸肌峰力矩明显高于屈肌峰力矩,膝关节屈伸肌群等速向心收缩峰值肌力矩屈伸比变化不显著,变化范围为0.54～0.56之间。从膝关节屈伸肌群等速向心收缩峰值肌力矩可知,锻炼人群和非锻炼人群之间存在很大差距。长期坚持锻炼运动的中年人无论是股前肌群还是股后肌群的收缩能力均优于那些由于工作紧张、压力大,不注重锻炼的人群。且长期锻炼的人屈伸肌群等速向心收缩峰值肌力矩屈伸比变化范围为0.65～0.70之间,明显高于不锻炼人群的0.54～0.56。屈伸肌群峰值力矩比越小,说明前后肌群肌肉力量差异越大,主动肌与对抗肌的肌肉力量不协调,这也是导致人们在工作或活动中肌肉损伤发生的主要原因之一。建议想从事锻炼的人群要首先注意股后肌肉的力量训练,以免出现不必要的损伤而影响工作与生活。由表4可知,锻炼与非锻炼组组膝关节屈肌群等速向心收缩峰值力矩出现时的关节角度分别在 139.6～143.7°之间和138.7～143.2°之间。伸肌群等速向心收缩峰值力矩出现时的关节角度分别在 126.7～131.4°之间和126.8～129.7°。最大力矩出现时的关节角度几乎相同,变化不大。但不同速度下最大力矩梯度出现时的关节角度差异不大,屈肌群向心收缩膝关节角度在 141°左右力矩梯度最大,伸肌群向心收缩膝关节角度在128°左右力矩梯度最大。建议人们在完成下肢曲的动作时,膝关节角度保持在 141°左右较为合理;完成下肢伸的动作时,膝关节角度保持在128°左右较为合理。在这样的角度下小腿容易完成曲或伸的动作。在临床康复训练中可以借鉴使用,病人在康复训练中采用此角度有利于康复者完成训练任务与损伤后的恢复。

表7 膝关节离心收缩屈伸肌群等速峰值力矩出现时的关节角度

3 等速离心收缩膝关节屈伸肌群 表5、表6显示,锻炼和非人群膝关节屈伸肌群等速离心收缩峰值肌力矩均随给定运动速度的加快,力矩峰值无显著变化。锻炼人群膝关节屈肌群峰值肌力矩在 109.6到117.2N· m之间变化,伸肌群力矩峰值在 183.4到198.7N·m在之间变化,且膝关节屈伸肌群等速离心收缩时伸肌峰力矩明显高于屈肌峰力矩,但峰值肌力矩屈伸比变化不显著,变化范围在 0.58～0.63之间;非锻炼组膝关节屈肌群峰值肌力矩在73.7～81.3N·m之间变化,伸肌群力矩峰值在 151.3～157.5N· m之间变化,且膝关节屈伸肌群等速离心收缩时伸肌峰力矩明显高于屈肌峰力矩,但膝关节屈伸肌群等速离心收缩峰值肌力矩屈伸比变化不显著,变化范围在 0.48～0.53之间。从膝关节屈伸肌群等速离心收缩峰值肌力矩可知,锻炼人群和非锻炼人群之间存在很大差异。锻炼人群的峰力矩屈伸比0.58～0.63明显高于非锻炼人群0.48～0.53。对非锻炼人群而言,由于曲伸比小,前后肌群力量不协调就更易引起损伤。离心收缩引起肌肉损伤的原因可能有:①屈伸肌肉力矩不平衡导致损伤,这种损伤在运动中经常发生;②从离心收缩的收缩机制来看也容易导致肌肉损伤,有研究报道在运动量相同的条件下,离心收缩的耗氧量仅为向心收缩的五到六分之一,随运动速度的加快,离心收缩的耗氧量明显低于向心收缩。同时也有研究报道,在相同的运动强度下,离心收缩时单位数量的肌纤维所承受的张力大于向心收缩。因此这种高张力可能就是肌肉离心收缩时容易损伤的一个主要原因。由表7可知,锻炼与非锻炼组膝关节屈肌群等速离心收缩峰值力矩出现时的关节角度分别在 150.1°～153.9°之间和149.7°～153.5°之间。伸肌群等速离心收缩峰值力矩出现时的关节角度分别在 117.9°～120.3°之间和116.8°～119.2°。最大力矩出现时的关节角度几乎相同,变化不大。尽管不同速度下锻炼与非锻炼人群各肌群力矩梯度变化非常显著,但不同速度下最大力矩梯度出现时的关节角度差异不大,屈肌群离心收缩膝关节角度在 151°左右力矩梯度最大,伸肌群离心收缩膝关节角度在118°左右力矩梯度最大。为了避免肌肉损伤,在进行体育锻炼或在日常生活工作中,应在此角度下低速完成动作,可有效的预防肌肉损伤的发生。

4 结 论(1)无论下肢肌肉是等速向心还是等速离心收缩非锻炼人群下肢屈伸肌群肌肉力矩峰值显著低于锻炼人群,肌肉的工作能力显著下降。(2)等速向心收缩不同速度不同人群屈肌群均在膝关节角度为141°左右力矩梯度最大,伸肌群在膝关节角度为128°左右力矩梯度最大。此角度有利于康复者完成训练任务与损伤后的恢复。(3)等速离心收缩不同速度不同人群屈肌群均在膝关节角度为151°左右力矩梯度最大,伸肌群在膝关节角度为118°左右力矩梯度最大。

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