不同频率振动刺激和负重条件下半蹲运动中小腿肌群表面肌电活动特征研究

袁 艳 ，吴贻刚 ，苏彦炬 ，李玉章

全身振动训练指在振动训练台上进行训练，振动训练台放置于地面，可供双脚站立，被试的脚部接受振动刺激[1]，是一种较新的提高体能的训练形式。近10年，国内外大量研究集中在全身振动训练对最大力量、快速力量、力量耐力训练效果的影响[2－8]，而振动刺激对神经肌肉激活的影响研究较少。国内外仅有的研究多见于在静态、不负重的力量训练中附加振动刺激对肌肉激活的影响[9－13]，对于在动态、负重力量训练中附加振动刺激对肌肉激活的文章较少。目前国内下肢振动训练形式多采用负重半蹲起[3－7]，在动态半蹲运动中附加振动刺激对腿部肌肉激活会产生怎样的影响？轻负荷负重对肌肉的激活水平影响程度如何？振动刺激和轻负荷负重对肌肉激活的影响是否存在交互作用？这些问题的研究可以完善振动训练的机制并对运动实践有指导价值。

振动刺激频率是影响振动训练强度的主要参数之一，不同的振动频率引起肌肉激活的程度不同，振动频率的选择通常会影响训练的效果。全身振动训练中，振动刺激在人体会自下而上衰减，小腿离振动台较近，受振动刺激影响较大。肌肉表面肌电可以反映肌肉激活特征，因此，本研究以肌肉表面肌电为观测指标，以半蹲起运动中相关小腿肌群的神经激活变化为观察对象，探讨不同振动频率刺激，并比较不负重和轻负荷负重对这一神经激活的影响，为负重振动训练提供理论依据和振动频率的选择提供参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

上海体育学院 10 名男性大学生，平均年龄（20．3±1．6）岁，平均身高（173．5±5．3）cm，平均体重（69．6±6．5）kg。受试者下肢均无关节肌肉损伤、无心血管疾病、无皮肤过敏等振动训练禁忌症。

1.2 试验地点与试验器材

试验于2011年12月在上海体育学院完成。振动训练仪为台湾期美公司生产，型号ZenPro TVR－5 930，振动模式为垂直振动，振幅2 mm，振动频率25～50 Hz。表面肌电测试采用美国Noraxon公司生产的无线肌电遥测系统，该系统硬件采用前置放大器，本身具有无线波（50/60 Hz）滤波器，基线噪音＜1μVrms，输入阻抗＞100 MΩ，采样频率为1 000 Hz。表面电极片采用上海励图医疗设备有限公司生产的银/氯化银一次性电极片。关节角度控制采用美国Noraxon公司生产的Biometric角度信号采集系统。同时，采用Panasonic数码摄像机（型号为NV－GS400）通过USB线与肌电遥测系统实施同步（30 Hz）采集。杠铃和杠铃片一套。笔记本两台。

1.3 试验设计

采用双因素（是否负重和振动频率）试验设计，其中是否负重分为不负重和负重30%最大力量两种，振动频率分为7种：不振动、25、30、35、40、45、50 Hz。

1.3.1 半蹲起动作要领的确定 被试站立于振动台上，双目平视，脚趾向前，下蹲至膝关节角度120°后，快速蹲起，蹲起要求髋、膝同时伸展，最后有提踵动作（踝关节跖屈）。关节角度计测定并监控运动中被试关节角度，用于口头提醒被试。被试通过多次练习熟悉并掌握动作要领后开始正式试验。

1.3.2 肌电电极片的贴放部位与要求 选取右侧小腿的腓肠肌外侧头、腓肠肌内侧头和胫骨前肌为测试肌群。依据The ABC of EMG[14]安放电极，安放前对皮肤进行清洁，刮除汗毛，用砂纸清除皮肤角质，再用75%的酒精擦拭，去除皮肤表面的油脂。表面电极片安放于肌肉肌腹最高处，顺着肌纤维的走向贴放，两电极片中心点相距2 cm。采用肌电仪配套绷带对电极和放大器进行固定，避免因振动引起的干扰。

1.3.3 动作节奏的控制 通过预试验，确定半蹲起的动作节奏为3 s/次，被试完成半蹲起运动过程中，前方放置一台笔记本电脑，每3 s播放下蹲幻灯片一张，被试根据幻灯片的提示掌握半蹲起节奏。

1.3.4 试验过程 被试最大力量采用1 RM测试。在进行1 RM的测试后72 h进行肌电测试试验。被试进行15 min准备活动后，告知试验流程并安放好电极片进行最大静力收缩（MVC，Maximum Voluntary Contraction）。被试在测定过程中缓慢增加用力，3 s后达到最大力量并持续5 s。腓肠肌：抗阻提踵，做2次，每次间隔1 min；胫骨前肌：脚尖抗阻，做勾脚尖动作，做2次，每次间隔1 min。

测试过程连续记录肌电，取肌肉连续最大静力收缩5 s肌电进行分析。休息5 min后，被试站立于振动台上，安放关节角度计于膝关节，两脚开立略宽于肩，标记第一次站立位置，要求每组测试时，站立于标记位置。在振动台上进行半蹲练习，熟悉并掌握动作要领。被试不负重在振动台上完成7组半蹲起，每组10次，组间休息3 min。7组控制条件依次如下：（1）不附加振动刺激；（2）附加频率为25 Hz的振动刺激；（3）附加频率为30 Hz的振动刺激；（4）附加频率为35 Hz的振动刺激；（5）附加频率为40 Hz的振动刺激；（6）附加频率为 45 Hz的振动刺激；（7）附加振动频率为50 Hz的振动刺激。休息5 min后，被试站立于振动台上，以负重30%IRM负荷完成7组相同控制条件的半蹲起，组间休息5 min。下蹲起完成过程中进行同步摄像，肌电的采集信号与视频同时储存。

1.3.5 振动台是否干扰肌电测试 肌电测试当日，被试肌肉放松静坐于振动仪旁，采集表面肌电信号10 s。开启振动训练仪频率依次调试到 25、30、35、40、45、50 Hz，每个刺激频率采集表面肌电信号10 s。分别计算各次测试肌电的EMGrms值并进行多重比较分析，结果显示，各组间均无显著性差异。由此证明振动仪器本身及其频率调节对表面肌电均不产生影响。

1.4 肌电数据处理与统计分析

根据试验同步摄像，选取第2次下蹲开始到第10次下蹲开始（8个下蹲起周期）共计24 s的肌电图。采用MyoResearch XP 1．07 Master Edition仪器配套分析软件对原始肌电数据进行整流、滤波、平滑和标准化处理，进行EMGrms计算。肌电的标准化采用肌肉MVC测试时对应肌电处理，表示为EMGrms（%MVC）。

运用SPSS17．0统计软件进行分析，经检验，数据符合正态分布且具有方差齐性。采用双因素方差分析考察振动刺激和负重对各肌肉激活的影响。之后，采用LSD法进行均值多重比较，分析不同振动刺激频率之间的差异。

2 结果与分析

2.1 振动刺激和负重对半蹲起练习中小腿肌群的肌电影响

肌电均方根振幅（RMS）反映一定时间内肌肉放电的平均水平，被认为与运动单位参与的数量和肌纤维放电的同步化有关，因此，被用来测量肌肉活动的时间，判断肌肉活动的开始和停止时间，以及估计肌肉产生肌力的大小[15]。在半蹲起运动中，振动刺激和负重对小腿肌群的肌电影响结果见表1。在不振动条件下，附加30%1RM重量后，腓肠肌外侧头EMGrms（%MVC）增加9．5%；腓肠肌内侧头增加10．8%。在不负重条件下，振动刺激频率为45 Hz时腓肠肌外侧头肌电增加9．2%；腓肠肌内侧头肌电增加12．3%。负重与附加45 Hz振动刺激对腓肠肌肌电增加值相近，表明轻负荷的负重与振动刺激对小腿肌肉激活影响有相近的效果。对于那些因为关节肌肉损伤不能进行负重训练的、处于康复中的运动员和不适合进行负重的锻炼者，振动训练可以替代负重训练，对肌肉产生相近的激活效果。在负重条件下，附加振动刺激能增加腓肠肌的EMGrms（%MVC），腓肠肌外侧头最大增加10．1%，腓肠肌内侧头最大增加14．6%，说明在常规负重训练基础上附加振动刺激可以提高小腿肌肉的激活，这可能是负重振动训练比常规负重训练产生更好力量训练效果的原因之一，为科学的振动力量训练提供了理论依据。

表1 振动刺激和负重对半蹲起练习中小腿肌群EMGrms（%MVC）影响（n=10）Table 1 Summary data of the EMGrms（%MVC）of lower leg for load and unloadeddyna micsquats during different vibration frequencies（n=10）

由表2可见，经双因素方差分析，振动刺激对胫骨前肌、腓肠肌外侧头和腓肠肌内侧头EMGrms（%MVC）均有显著影响（P＜0．05）；负重对腓肠肌 EMGrms（%MVC）有非常显著的影响（P＜0．05）；振动刺激和负重的交互作用不显著（P＞0．05）。因此，振动刺激可以显著增加腓肠肌和胫骨前肌肌肉激活；负重可以极显著增加腓肠肌肌肉激活，但对胫骨前肌无显著影响；振动刺激和负重的交互作用对各被检测肌肉的激活影响均无显著性。

表2 振动刺激和负重对小腿肌群肌电影响的双因素方差分析（n=10）Table 2 The two- f act or analysis of variance of EMGRMS（%MVC）of lower leg for load and unloaded dynamic squats during different vibrat ion frequencies（n=10）

从生理学的角度看，全身振动训练仪产生的振动刺激使梭外肌长度发生改变，通过肌梭内的感觉神经末梢Ia传入，改变单个运动单位的活动，表面肌电振幅增加，这种反应类似于振动性张力反射（Tonic vibration reflex）[16]。振动性张力反射是指振动刺激作用于局部肌肉和肌腱所引起肌肉的不随意反射性收缩[17]。振动刺激还可能刺激皮肤和关节感受器产生兴奋，兴奋传入到γ运动系统，增加肌梭的敏感性和反应能力[16，18]。MARTIN的研究表明，肌肉激活水平提高后附加振动刺激，可以增加Ia传入神经的敏感性[19]。本研究结果显示，负重可以增加腓肠肌肌肉激活，但是本研究双因素方差分析结果表明负重和振动刺激交互作用不显著，这可能提示：振动训练时附加30%1 RM的重量可能不能增加Ia传入神经的敏感性。更大的负重负荷是否能够增加Ia传入神经的敏感性还有待于进一步的研究。从生物力学的角度看，力等于质量乘以加速度，振动刺激增加了身体加速度，负重增加了质量，它们都可以导致身体运动的阻力增加。在完成半蹲起运动中，腓肠肌必须产生更大的力量对抗阻力。虽然肌电不能直接估量力量的大小，但是肌电的增加可以反映对抗负荷力量的增加。本试验结果显示：负重提踵的主动肌——腓肠肌的肌电振幅增加，这反映了腓肠肌产生的力量增加。

2.2 不同频率振动刺激对半蹲起练习中小腿肌群的影响

2.2.1 不同频率振动刺激对腓肠肌肌电的影响 经过多重比较，在不负重条件下，振动频率为40、45、50 Hz与不振动时腓肠肌外侧头肌电比较有显著性差异，其他频率振动刺激与不振动比较，肌电虽然有增加，但差异不显著；在负重条件下，频率为45 Hz振动刺激与不振动时腓肠肌外侧头肌电比较有极显著差异，频率为50 Hz振动刺激与不振动时比较腓肠肌外侧头肌电有显著差异（见图1）。

图1 不同频率振动刺激对腓肠肌外侧头肌电影响比较Figure1 The EMGrms（%MVC）of Lat.Gastrocnemius during different vibration frequencies

经过多重比较，在不负重条件下，振动频率为45 Hz与不振动比较，腓肠肌内侧头肌电有显著性差异，其他频率振动刺激肌电虽然有增加，但差异不显著；在负重条件下，频率为40、45、50 Hz振动刺激与不振动比较，腓肠肌内侧头肌电有显著性差异（见图2）。

MARTIN的研究表明：振动导致肌电激活的增加和运动单位同步化程度依赖于振动频率[19]。本研究结果表明：无论是否负重，随着振动频率的增加，腓肠肌肌电激活呈增加趋势，在较高频率振动刺激中出现显著差异；腓肠肌内侧头和外侧头的变化稍有不同，原因可能是不同频率测试时运动中身体姿势控制稍有差异导致重心移动造成的。

目前全身振动训练仪的频率调节范围在20～50 Hz之间，不同的刺激频率产生的训练效果不同。任满迎研究表明：45 Hz振动刺激对运动员蹲跳（SJ）和下蹲跳（CMJ）两种模式的纵跳能力的训练效果显著高于30 Hz[4]，原因可能是不同的振动频率对肌肉激活的程度不同，但该研究没有进行肌电的观察。MESTER通过肌电测试与分析表明：腓肠肌激活随振动频率（5、10、15、20、25 Hz）的增加而增加[20]。然而，CARDINALE 研究观察了 30、40、50 Hz不同振动频率时的EMGrms，结果表明：30 Hz振动对股外侧肌的EMGrms影响最大，且显著高于其他振动频率[16]。MESTER和CARDINALE两者研究结果不一致的原因之一，是因为前者采用的是Galileo2000，后者采用的是Bosco-system振动训练仪，他们选择的振动范围也不同。由此可见，不同的振动训练仪由于振动模式和振幅的不同，振动频率和肌电激活的关系可能不相同。本研究结果表明：在振幅为2 mm的垂直振动模式条件下，频率为45 Hz的振动刺激对于无论是负重还是不负重的半蹲起，都显著增加了腓肠肌激活，这为科学运用振动训练提供了实践指导。

2.2.2 不同频率振动刺激对胫骨前肌肌电影响 经过多重比较，在不负重条件下，振动频率为45、50 Hz与不振动比较，胫骨前肌肌电有显著差异，其他频率振动刺激，肌电虽然有增加，但差异不显著；在负重条件下，频率为45、50 Hz与不振动比较胫骨前肌肌电有显著性差异（见图3）。研究结果与MESTER肌电观测胫骨前肌激活变化趋势相一致[20]。

图2 不同频率振动刺激对腓肠肌内侧头肌电影响比较Figure 2 The EMGRMS（%MVC）of Med.gastrocnemius during different vibration frequencies

图3 不同频率振动刺激对胫骨前肌肌电影响比较Figure 3 The EMGRMS（%MVC）of Tibialis Anterior during different vibration frequencies

胫骨前肌是小腿前面的肌肉，是腓肠肌的对抗肌。本研究结果显示：负重不能增加胫骨前肌的肌肉激活，也就是说常规负重力量训练在发展主动肌力量时，不能很好的同步发展对抗肌力量，这种发展的不均衡可能造成肌肉拉伤和运动成绩停滞不前等现象。许以诚对上肢拉力器训练的研究表明：附加振动刺激时，除了主动肌肌电增大，对抗肌肌电也显著增大；该研究还观察到振动训练增加主动肌力量的同时，对抗肌力量也增加[21]。彭春政研究了振动训练对下肢肌肉力量的影响，得到了相同的结果，但该研究没有观察肌电的变化[1]。本研究通过肌电观察发现：在垂直振动模式、振幅为2 mm的条件下，频率为45 Hz的振动刺激对无论是负重还是不负重的半蹲起，都明显增加了胫骨前肌的激活。说明振动刺激不仅提高了主动肌的激活，同时也提高了对抗肌的激活，同时附加振动刺激的半蹲起运动增强了神经系统的协调，提高了小腿肌肉的反应能力和协调能力。

3 结 论

（1）在半蹲起运动中，附加振动刺激可以显著提高腓肠肌和胫骨前肌肌肉激活，负重30%最大力量可以显著提高腓肠肌肌肉激活，不能提高胫骨前肌肌电激活，负重和振动刺激的交互作用不显著。

（2）不负重或负重30%最大力量半蹲起时，振幅为2 mm、振动频率为45 Hz的垂直振动刺激可以显著增加腓肠肌和胫骨前肌的激活。这为全身振动训练的频率选择提供参考。

（3）在负重条件下，附加振幅为2 mm、振动频率为45 Hz或50 Hz的垂直振动刺激可以显著增加腓肠肌的激活程度，证明了在常规负重训练中附加振动刺激可以诱发激活更多的运动单位参与工作，为振动力量训练提供了理论依据。

（4）在半蹲起运动中，振幅为2 mm、振动频率为45 Hz或50 Hz的垂直振动刺激在增加主动肌激活的同时增加了对抗肌的激活，提示频率为45 Hz或50 Hz的振动训练有利于主动肌和对抗肌力量的协调发展。

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