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肌肉发力率与运动表现的关系及其训练干预研究进展

2020-02-26李志远虞松坤车同同李玉章

中国运动医学杂志 2020年12期
关键词:时段峰值可靠性

李志远 虞松坤 车同同 李玉章

1 浙江大学公共体育与艺术部(杭州310058)

2 首都体育学院(北京100191)

3 上海体育学院体育教育训练学院(上海200438)

力-时间曲线目前已广泛用于评价神经–肌肉系统功能,它强调在特定时间窗口力量产生的重要性,例如,在等长收缩条件下,从发力开始到达最大力量所需时间约为400 ms。然而,由于许多专项动作发力所需的时间很短,往往不能达到最大力量,例如冲刺跑、变相跑、投、踢等动作,其肌肉收缩时间一般在250 ms以内[1,2]。因此,当反映短时间内力量产生的速率时,最大力量参数则变得相对次要。肌肉收缩的发力率(rate of force development,RFD)是最大力量和快速运动中获得速度的决定因素,它是爆发力测量的关键指标。

在发力率的研究历程中,起初Bemben 等[3]采用等长测试来量化RFD 指标,并得出等长RFD 值与人体动态运动表现之间存在相关关系[3,4];而Wilson 等[5]提出,爆发力训练可以提高骑行和跳跃能力,而对等长RFD值则无影响。因此,等长测试对于动态爆发性运动来说缺乏专门性。近些年来,Mueller等[6]采用单纯的向心运动测量手段来评价RFD,探讨了向心与等长RFD 间的关系,但没有分析向心RFD 值与动态运动表现间的关系。此外,在短跑、跳跃和投掷等许多运动项目中也包含了肌肉“拉长-缩短”周期(stretching-shorten cy⁃cle,SSC)运动,即在进行向心收缩之前进行离心拉长运动。在SSC运动的快速发力过程中测取RFD值对于短跑、跳跃等项目运动员的爆发力评价也至关重要[5]。

鉴于此,本研究系统综述了不同肌肉收缩条件下RFD 的主要测量方法及其可靠性,RFD 与各专项运动表现的关系,以及提高RFD能力常用的训练方法,以便为爆发力的科学诊断和评价,提高运动员力量训练的科学化水平提供理论依据和参考。

1 RFD的概念和影响因素

Aagaard等[7]将RFD定义为肌肉在静力性收缩(iso⁃metric rate of force development,IRFD)和动力性收缩(dynamic rate of force development,DRFD)条件下力-时间曲线的斜率(如图1、2所示),它常用来测量肌肉快速发力的能力,其在爆发性运动项目中起着关键作用。图1为深蹲最大负荷(>1 RM)时,下肢肌群等长收缩时的力-时间曲线;图2为分别进行半蹲跳(squat jump,SJ)和下蹲跳(countermovement jump,CMJ)动作时,下肢肌群向心收缩(图2左)和SSC 运动(图2右)时的力-时间曲线。

图1 静力性RFD测试时的力-时间曲线[7]

图2 动力性RFD测试时的力-时间曲线[7]

RFD 主要与神经激活有关,运动神经元的放电频率是其最重要的参数。在肌肉最大自主收缩开始阶段,运动神经元的放电频率可达到200 Hz,而当力量达到最大值时放电频率比开始阶段低得多[8]。Duchateau等[9]认为,肌肉在弹性收缩(ballistic contract,BC)期间,RFD 的增加主要是由于对运动神经元放电频率的适应。当放电频率从100 Hz增加到200 Hz,RFD也大幅度提高,运动单位的最大放电频率是提高肌肉快速发力能力的关键因素。一般而言,使RFD 持续增加的刺激频率要高于达到最大强直收缩所需的频率。因此,在肌肉收缩初期,次最大放电频率可最大限度提高RFD,且在本质上不会影响最大力量。

另外,肌肉体积和肌纤维类型也是影响RFD 的重要因素[7]。放电频率与肌纤维类型的组成有关,高轴突传导速度的运动神经元和较短的收缩时间(Ⅱ型肌球蛋白重链)对应较高的RFD值。所以,许多文献都探讨了肌纤维类型与RFD 之间的关系[10,11]。肌肉体积也可以影响RFD,较大体积的Ⅱ型肌纤维是肌肉肥大与RFD相关的主要原因。

2 RFD的测量

人体神经-肌肉系统产生爆发力或力矩的能力一般都可以通过RFD 反映,它可以通过在最大努力时力或力矩-时间曲线的平均斜率来计算,单位以N·S-1或Nm·S-1来表示。RFD 测量要考虑到许多变量,如收缩类型(静力性和动力性)、RFD 变量参数(峰值RFD、到达峰值RFD时间)、特定时间间隔的RFD值等(表1)。

表1 RFD测量可靠性研究

一种测量的实施是否有效,关键要验证其可靠性,组内相关系数(intra-class correlation coefficient,ICC)是衡量和评价重复测量(test-retest reliability)可靠性的重要指标。到目前为止,RFD 的测量仪器中测力台和应变仪的可靠性较高,实用性较强,等动测力计和线性位移传感器也被许多研究者所使用。采用线性位置传感器测量RFD 常常存在一些争议,但在研究中对于大多数RFD 变量都存在很高的可靠性。然而,Chiu 等[30]的研究发现,到达峰值RFD 时间的可靠性较低(ICC为-0.03~0.72)。但是,同样变量在使用测力台测量时也显示出较低的可靠性(ICC 为0.16~0.58)。同时,从Chiu 等[30]的研究可以看出,在使用相同仪器进行测量时,测量同一变量(Peak RFD、T-peak RFD 等)在不同类型的纵跳动作(SJ和CMJ)中的可靠性也有差异。

关于等动测力计的可靠性,Ingebrigtsen[31]和Prieske[32]等发现,在屈臂练习中未发现峰值RFD 的高可靠性(ICC分别为0.69和0.68);相反,使用同样仪器测量下肢肌肉时,相同的变量间有着很高的可靠性(ICC为0.93~0.99)[33,34],其原因由测试动作类型(上肢:屈臂,下肢:膝伸展、膝屈曲和趾屈)不同所致。此外,表1的许多研究中受试者类型不同,如有专业运动员、普通大学生、女性等,其差异也会影响测量的可靠性,即便是同种类型的受试者,其对测试动作的熟练程度也会对可靠性造成影响。

因此,比起RFD变量、动作模式和受试者类型等因素,RFD测量的可靠性更加依赖于仪器设备。另外,许多研究在RFD测量时主要为与下肢肌群参与有关的动作(下蹲跳、半蹲跳、举重动作),而涉及到上肢肌群较少。因此,今后应更多地对上肢肌群参与的动作进行测量,并检验其可靠性,以补充RFD测量的理论体系。

综上所述,相比于肌肉动力性收缩,静力收缩更容易规范标准和控制动作,因此,在RFD测试中应用得更为普遍。RFD 的测量仪器中,测力台由于可以同时测量等长(静力)和动力性收缩(等动和非等动)而得到广泛应用。同时,线性位移传感器(LPT)和等动测力计也有较高的可靠性。RFD变量测量主要从最初集中于峰值RFD和达到峰值时间到肌肉收缩初期各时段的RFD值,逐渐发展进步。

3 RFD变量与运动表现间的关系

许多学者解释了RFD与快速动作运动表现间存在关联性的主要原因。Aagaard等[7]发现,冲刺跑、跳跃或拳击等动作时间在50~250 ms时,如果在肌肉收缩初期就达到较高力量水平,RFD 的增加部分则是其运动表现的重要影响因素,提示RFD 是快速动作中获得最大力量和速度的主要决定因素,它对于从事爆发性项目的运动员来说至关重要。另外,Wilson 等[35]提出,尽管在许多运动项目中RFD和最大力量间存在较强的相关关系,但对于冲刺跑、跳跃、投掷等爆发式动作来讲,发力时间被限制在100~300 ms 之间,肌肉短时间收缩产生力量的速率是这些项目运动员运动表现最重要的因素。RFD变量与各专项运动表现之间的关系在不同文献中的结果也不一致,如表2所示。

(续表2)

3.1 跑动能力

West 等[22]发现,10 m 冲刺跑用时与peak IRFD 存在显著性相关关系。同时,Tillin 等[36]发现,5 m 和20 m 冲刺跑用时与初期0~100 ms 时段的DRFD 之间也存在显著性相关关系。另外,Storen 等[37]发现Peak DRFD与跑步经济性有关(R2=0.26)。

3.2 跳跃能力

有研究表明,静力性测量中的Peak IRFD 与CMJ能力间存在正相关关系[17,22,34],但另有研究发现,两者间不存在相关关系[13,15,38,39]。动力性测量中,Peak DRFD 与T-peak DRFD[24],Peak DRFD 与ADRFD[27],初期时段的DRFD[38]、Peak DRFD 和初级时段的DRFD[36]与CMJ能力间存在正相关关系。然而,也有研究发现,Peak DRFD与CMJ能力间不存在相关关系[25,41]。

关于SJ 能力的相关研究表明,SJ 能力与肌肉初期收缩时段的IRFD[42]、Peak IRFD[17]和Peak DRFD[43]之间存在显著性相关关系。而Kawamori 等[12]发现,Peak IRFD 与SJ 能力间不存在相关关系。Kraska 等[17]认为,Peak IRFD 与负重CMJ(r=0.62)和负重SJ(r=0.66)间均存在显著性相关关系。此外,West 等[44]指出,Peak DRFD 与游泳起跳蹬台入水能力间存在中等程度但不显著的相关关系。

3.3 推举能力

Haff 等[45]认为,IPRFD 与1 RM 抓举和挺举能力间存在高度的相关关系。而Khamoui等[46]发现,初期时段的IRFD 与动态高拉(DHP)能力和高拉峰值力(HPPF)间存在显著性相关关系。

3.4 其他爆发力能力

Stone 等[47]发现,Peak IRFD 与冲刺骑行能力间不存在相关关系。与其相反,Sunde等[48]提出,Peak IRFD与骑行经济性间存在高度的相关关系(R2=0.58)。另外,Leary 等[23]发现,初期0~150 ms 时段的DRFD 与高尔夫球挥杆速度间存在显著性相关关系。而Thompson等[49]认为,许多RFD 变量可以作为评定足球运动员运动水平的有效指标。

总之,由于收缩类型(静力性和动力性)、各专项运动表现(短跑、跳跃、举重、骑行能力等)或受试者类型(普通人和运动员)的不同,峰值RFD 或达到峰值时间等参数对运动表现的影响尚未十分清楚。但是,初期时段(如0~100 ms)产生的较高RFD能力与某些项目运动表现有关的观点则很明确。

4 提高RFD的训练干预

训练干预后RFD 变化的相关研究见表3。如表3所示,提高RFD 的方法存在着不同的观点。一方面研究表明,采用高强度抗阻训练可以提高RFD。Hartman等[50]指出,RFD 的提高依赖于不考虑实际动作速度而尽最大努力产生的最大肌肉收缩速度,这可以解释采用>90%1 RM负荷强度可以对同一动作的爆发力有积极的训练效果。另一方面,Gruber 等[51]研究表明,采用中等负荷重量更能提高肌肉最大收缩的加速能力,进而提高RFD。相反,高负荷重量仅能提高肌肉最大自主收缩能力(MVC),而对RFD变化的影响很小[52,53]。另外,有学者们假设,末端释放性训练(ballistic training,BT)可以作为提高RFD的最佳方法。因此,Ricard等[54]认为,BT可以增加运动神经元初始放电频率并促进其同步化来提高RFD。

通过不同训练干预方法可以看出,RFD 的变化在训练干预持续时间(4~15周)、肌肉收缩类型(等长、向心和离心)、训练强度(最大负荷、较重负荷和轻负荷)、练习动作(膝伸展、深蹲、脚趾背屈、屈臂和卧推),以及训练量(天数、练习次数、组数和重复次数)等方面存在差异。此外,在RFD 变量的测量上也存在差异,如Peak RFD、到达峰值时间、不同时间间期的RFD(30、50、100、200 ms)或绝对RFD与标准化RFD。

表3 训练干预后RFD变化的研究

(续表3)

(续表3)

4.1 Peak RFD值和T-peak RFD指标

许多研究发现,在不同的训练干预之后,Peak RFD值有明显的提高。如感觉系统训练[51,55]、快速伸缩复合训练[56,57]、负重抗阻训练[58-60]、肌肉肥大训练[37,61]、末端释放性训练[51,62]和混合式大强度训练[63]。另有研究发现,Peak RFD 在训练干预后未见提高,如举重训练[64]、肌肉肥大训练[29]、最大自主收缩训练[21]和肌肉肥大和爆发力交替的周期性训练[50]。而关于对到达峰值RFD 时间的训练干预的研究中,仅有Gruber 等[55]评价了训练干预后到达峰值RFD 时间的变化,并显示不相同的结果。一种结果得出,核心稳定训练后达到峰值RFD时间无明显变化;而另一种结果则发现,在末端释放性训练后进行核心稳定训练可以缩短到达峰值RFD时间[51]。

4.2 收缩初期时段的RFD

许多研究发现,训练干预可以提高10 ms、20 ms[66],30 ms[4],30 ms和50 ms[55],30 ms、50 ms、100 ms和200 ms[67],30 ms和200 ms[68],50 ms、100 ms和200 ms[69],50 ms 和100 ms[70]以及100 ms 和200 ms[63]时段的RFD 值。然而,少数研究中发现,RFD 值在30、50、80、100、150和250 ms[71],30和50 ms[65],以及30、50、100和200 ms[72]时段未发生变化。

训练干预的差异可以解释RFD在初期时段变化研究的结果差异。一类研究表明,在抗阻训练、最大自主收缩训练、快速伸缩复合训练以及末端释放性训练干预后,初期各时段RFD 值显著提高。而一类研究中发现初期时段RFD值经过肌肉肥大训练未发生变化。基于此,Andersen 等[11]发现,初期时段RFD 值与Ⅱx 型肌纤维比例同步降低(r=0.61),而作为训练干预,肌肉肥大训练会导致Ⅱx型肌纤维比例下降。因此,研究中出现初期时段RFD 值降低的结果就比较合乎逻辑。此外,Andersen 等[11]和Holtermann 等[69]研究测量了初期时段内的平均RFD 值,结果表明,RFD(0~300 ms)和RFD(0~250 ms)的平均值经过训练干预得到了提高。

综上所述,峰值RFD 在许多研究中经过训练干预获得了提高,而这些研究对到达RFD 峰值时间的关注较少。初期时段的RFD值与运动表现和训练干预后的提高值有着较高的关联性,这是RFD 内部变量的关键要素。因此,学者和教练员们必须意识到初期时段RFD的重要性,并测量其参数值。此外,RFD内部构成要素(峰值RFD和到达峰值时间)与许多运动项目间存在较高的关联性,教练员应该选取和实施能够有效提高峰值RFD与缩短到达峰值时间的训练手段。

5 总结与展望

等长RFD的测量由于其容易规范标准和控制动作而被广泛采用,但相比动力性(向心、SSC 运动等)RFD测量,缺乏动作的专项性,不适合诊断和评价各项目运动员的专项力量。今后有必要进一步研究和探讨动力性RFD 测量,在测量的过程中更要关注身体各环节动作速度,以便更好地指导各项目运动员专项动作的爆发力训练;在探讨RFD变量与运动表现的关联性方面,关注的重点应由原来的简单动作模式(如SJ、CMJ等各种纵跳)逐渐转移到上、下肢鞭打等(如网球上手发球、踢球摆腿等)相对复杂的动作模式与RFD 变量的关联性特征方面的研究;在RFD训练干预方面,除了关注传统抗阻练习、克服自身体重等力量训练对RFD 变量的影响外,今后还应将新兴的训练方法如振动训练、加压训练以及电刺激等纳入力量训练计划,从而进一步多视角探讨和分析其对RFD变量的影响。

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