動力性運動誘發下肢肌肉酸痛過程中sEMG信號的特征分析*

趙龍飛 國 偉 張油福 蔣 彬 張 華

（貴州醫科大學，貴州 貴陽 550025）

延遲性肌肉酸痛（DOMS）是指人體從事大強度、大運動量或開始一項新運動后一段時間內出現的肌肉酸痛現象，一般出現在運動后 12～24h,24～48h達高峰，3-7天可自行緩解并消失，其是一種特殊類型的運動性肌肉疲勞[1]。雖然已有的研究證實延遲性肌肉酸痛會使酸痛部位的關節活動幅度減小，導致關節活動幅度受限、減震能力減弱，使肌肉的募集順序和模式發生改變，從而導致肌肉收縮力量減小[2]。但延遲性肌肉酸痛對酸痛部位肌肉工作效率的具體影響如何尚不清楚，也未曾發現有相關報道。而利用sEMG研究局部肌肉的疲勞特征、揭示肌肉疲勞的機制、判斷疲勞程度，特別是靜力性運動誘發的肌肉疲勞的研究已經得到了廣泛的應用，而針對動力性運動誘發的肌肉疲勞（或酸痛），特別是疲勞恢復過程中sEMG信號變化的研究非常稀少。本研究利用表面肌電(sEMG)重點探索由動力性運動負荷誘發的特殊性肌肉疲勞（延遲性肌肉酸痛）發生前后肌肉的肌電時域指標RMS、iEMG和頻域指標MF及MPF的差異，探討RMS隨肌肉酸痛程度（疲勞）而變化的時序特征，明確延遲性肌肉酸痛狀態下酸痛部位肌肉sEMG信號特征，為延遲性肌肉酸痛的防治、恢復和運動訓練提供參考。

1 研究對象和方法

1.1 研究對象

在校大二男生10名，平均年齡（20.0±0.8）歲，平均身高（172.3±3.4）cm，平均體重（67.2±5.8）kg，受試者近1年均無下肢關節肌肉損傷。

1.2 實驗器材及肌電電肌片的貼放位置和要求

表面肌電測試采用意大利Cometa生產的Wave系列16導通道無線遙測表面肌電測試系統，采樣頻率設置為1000Hz，采用EmgEasyReport5.36表面肌電分析軟件對原始數據進行解析，濾波截斷頻率為 10Hz-500Hz。杠鈴和杠鈴片一套。選取雙側臀大肌、股二頭肌、股直肌、股內側肌、股外側肌、脛骨前肌、小腿腓腸肌(外側)為測試肌群。測試前對測試部位皮膚表面用剃須刀、酒精做脫毛除脂處理。參照Cometa表面肌電測試系統自帶電極片貼放圖譜順肌纖維走向將電極片貼放在肌腹最隆起處，兩電極片中心點相距不超過2cm，采用系統配套強力雙面膠將接受器順肌纖維走向固定。

1.3 實驗設計及過程

實驗前72h測試受試者下肢1RM（112.6±10.2kg），選取被試25%RM負荷進行深蹲表面肌電跟蹤實驗，并要求受試者在接下來的72h內不參加任何形式的大中強度運動，不得有肌肉疲勞。整個測試過程分為延遲性肌肉酸痛發生前的前測，完成前測之后通過動力性運動（蛙跳）誘發延遲性肌肉酸痛，在完成延遲性肌肉酸痛誘發后的 24h、36h、48h、60h、72h共5次在25%RM負荷條件下測試受試者雙側臀大肌、股二頭肌、股直肌、股內側肌、股外側肌、脛骨前肌、小腿腓腸肌（外側）的表面肌電，對比分析這個過程中酸痛部位肌肉肌電信號的變化規律。

1.4 數據計算與統計學處理

肌電信號處理內容包括時域指標均方根（RMS）和積分肌電（iEMG）及頻域指標中位頻率（MF）和平均功率頻率（MPF），取3次測試結果的平均值，各組數據結果均以（xˉ±S）形式表示，利用SPSS17.0統計軟件對數據結果進行統計學分析，延遲性肌肉酸痛前后時域、頻域指標采用配對樣本T檢驗；對RMS的時序變化曲線進行了插值和平滑處理。

2 結果與分析

2.1 延遲性肌肉酸痛發生前后sEMG時域指標的對比分析

在進行肌電信號分析時，常選取均方根（RMS）和積分肌電（iEMG）這兩項時域指標來對肌肉激活程度、募集順序和疲勞進行評價。RMS和iEMG可反映出肌纖維的募集數量、肌纖維的同步性、肌纖維收縮或募集的速率這三個方面的信息。動力性運動項目中的蛙跳及負重深蹲是被證明對下肢訓練效果較為明顯的訓練方式，其工作形式是向心收縮與離心收縮交替進行。一般認為sEMG信號的肌電均方根振幅、積分肌電等時域指標會隨著肌肉疲勞的發生和發展呈線性上升趨勢[3,4]。從表1可知，在DOMS發生前后左右側臀大肌的RMS分別上升了20.8%、19.2%；左右側股二頭肌的RMS分別上升了29.5%、23.0%；左右側股直肌的RMS分別增加了31.9%、32.1%；股內側肌的RMS在整個運動過程中激活程度最高，在DOMS發生后左右側RMS分別只增加了3.5%、5.0%；左右股外側肌的RMS分別增加了63.2%、62.2%；左右側脛骨前肌的RMS分別增加了123.7%、115.5%；左右側腓腸肌的RMS分別增加了25.1%、28.0%。在DOMS前后左右側臀大肌的iEMG分別下降了9.2%、5.8%；左右側股二頭肌的iEMG分別下降了17.2%、13.6%；左右側股直肌的iEMG分別增加了32.9%、33.3%；左右側股內側肌的iEMG分別增加了 4.7%、7.9%；左右股外側肌的iEMG分別增加了69.0%、70.8%；左右側脛骨前肌的iEMG分別增加了140.0%、133.3%；左右側腓腸肌的iEMG分別增加了31.8%、27.9%。延遲性肌肉酸痛24h時參與完成25%RM負荷深蹲中的所有肌肉的RMS和iEMG值都出現了上升，且都具有顯著性差異（P＜0.01），但DOMS發生后各肌群的RMS和iEMG值的變化幅度各不相同。以往有研究也指出，時域指標RMS和iEMG雖在肌肉疲勞過中有所變化，但它們的時間序列曲線變化類型缺乏嚴格意義的一致性，從而表現出不穩定變化的基本特點[5]，RMS和IEMG變化的不一致說明使用sEMG的RMS、iEMG時域指標評價肌肉疲勞狀態具有不確定性。這主要是因為肌肉疲勞過程中 RMS和iEMG的增加主要是神經系統募集肌纖維的數量增加所致。但時域值的變化還受到受試者的皮下脂肪厚度、肌纖維類型百分構成，其不同類型運動單位放電活動的差異等因素影響。由于受試者皮下脂肪的分布有較大的差異，而且肌纖維類型的不同，從而使時域指標的變化表現出一定的不確定性[3、4、5、6]。各肌群RMS和iEMG變化幅度不同的原因可能是神經中樞共驅動機制造成的，即神經中樞根據各肌群的實際疲勞狀態及肌力情況進行的有效調節，疲勞程度相對較大、肌力相對較小的肌群的肌纖維會得到相對更多的調動，而疲勞程度相對較小、肌力相對較大的肌群的肌纖維會被相對更少的調動。另外對比分析雙側肌群的RMS及iEMG發現雙側肌群在完成固定負荷技術動作時表現出非對稱性，且大多數是左側肌群的RMS和iEMG值大于右側。已有研究表明人體在完成小強度練習疲勞時,弱勢腿運動單位的動員程度遠大于優勢腿,且肌肉用力的“遷移”較為明顯[7]。除此之外結合sEMG時域指標的時序特征發現這也有可能與人體習慣性使用右側完成技術動作，優先使用右側發力導致負荷向左側的細微傾斜，從而引起左側承擔更多的負荷需要募集更多的肌纖維參與工作有關。

表1 DOMS發生前后sEMG時域指標的對比

2.2 延遲性肌肉酸痛發生前后sEMG頻域指標的對比分析

有關研究指出，不論是靜態還是動態運動，隨著肌疲勞的發生、發展，表面肌電的頻域指標都會出現左移的現象，即頻譜的表現參數MF和MPF值的下降，而研究證實MF和MPF的下降程度主要與肌的疲勞程度有關[8]。有學者研究認為肌電頻域指標的下降與疲勞過程中產生的氫離子有關，因為氫離子影響了動作電位的傳導速率。也有學者研究證實動作電位傳導下降的速率與肌電頻率下降的速率不一致，也就說肌電的頻域指標變化可能并不僅僅受外周氫離子影響的[9、10、11]。從表2可知，隨著延遲性肌肉酸痛的產生所有肌肉的時域指標與頻域指標的變化趨勢相反，且呈下降趨勢。與DOMS發生前相比，發生后雙側臀大肌的MF平均下降了10.6%，P＜0.01；雙側股二頭肌的MF平均下降了13.3%，P＜0.01；雙側股直肌的MF平均下降了15%，P＜0.01；雙側股內側肌的MF平均下降了10.9%，P＜0.01；雙側股外側肌的MF平均下降了13.5%；雙側脛骨前肌的MF平均下降了10.2%，P＜0.01；雙側腓腸肌的 MF平均下降了 8.8%，P＜0.01。在延遲性肌肉酸痛產生24h時，雙側下肢肌群MF的平均下降幅度在 8.8%-15%之間，隨時間的推移下降幅度可能會更加明顯。而與DOMS發生前相比，發生24h時雙側臀大肌的MPF平均下降了21.4%；雙側股二頭肌的MPF平均下降了25.3%，P＜0.01；雙側股直肌的 MPF平均下降了 33.9%，P＜0.01；雙側股內側肌的 MPF平均下降了 11.8%，P＜0.01；雙側股外側肌的MPF平均下降了18.8%；雙側脛骨前肌的MPF平均下降了11.6%，P＜0.01；雙側腓腸肌的MPF平均下降了17.9%，P＜0.01。在延遲性肌肉酸痛產生24h時，雙側下肢肌群MPF的平均下降幅度在11.6%-33.9%之間。從DOMS發生前后的頻域指標MF和MPF的下降與運動性疲勞的肌電頻域變化特征一致，即人體有由運動引發的肌肉酸痛則可認為肌肉仍有疲勞存在。另外比較DOMS發生前后MF、MPF的下降百分比，發現MPF的下降幅度大于MF的下降程度，且MPF的標準差大于MF的標準差，這說明在反映疲勞程度方面，MPF比MF更為敏感。

表2 DOMS發生前后sEMG頻域指標的對比

注：“a”表示P＜0.01；“b”表示P＜0.05，與DOMS發生前相比。

2.3 延遲性肌肉酸痛恢復過程中sEMG信號的變化規律分析

多數研究表明，疲勞狀態下sEMG的變化在數分鐘內會得到恢復，但也有數周才能恢復的報道。Kroon在實驗中比較了等長、離心和向心收縮時,屈肘肌RMS、MPF的恢復情況，發現在等長和向心收縮后,兩參數1～2天內恢復,而離心收縮后需7天才能完全恢復[12]。分析前人對sEMG恢復時間相關的研究結果發現，sEMG恢復時間的長短主要與引發肌肉疲勞的負荷強度、肌肉運動時間、疲勞程度、肌肉工作性質、肌纖維類型等因素有關，也有研究表明在完成靜力性收縮至力竭時，iEMG的變化與時間長短相關。而iEMG的改變率與運動強度無關，也就是說在進行靜力性收縮至力竭狀態時，時域指標中 RMS和iEMG增加，而頻譜中低頻成分增加高頻成分減少。目前大多數的研究都是針對靜態性收縮進行的，而體育運動中的純靜力性收縮很少，動力性收縮的工作機制要比靜力性收縮復雜的多。

圖1 下肢各肌群平均肌電--時間變化曲線

從圖1可知，在經過動力性蛙跳誘發肌肉酸痛之后，所有下肢肌群的RMS表現出了不同的變化幅度。動力性運動后即刻RMS即刻開始發生變化，臀大肌、股二頭肌、股直肌、股內側肌、股外側肌、脛骨前肌、腓腸肌（外側）的 RMS表現出了一致的變化走向，都是先上升后下降，RMS從動力性訓練后即刻開始上升,至36h時左右上升達峰值，隨后開始下降，至72h時基本恢復到初始值。但在整個酸痛過程中各肌群的RMS變化的幅度并不一致，脛骨前肌變化幅度最大，腓腸肌、臀大肌及股二頭肌變化最小，股直肌、股內、外側肌的變化幅度居中。也就是說經過動力性運動誘發肌肉酸痛后，在神經中樞的共驅動機制下各肌群根據疲勞程度或肌力的增長情況實現了重新組配。RMS的變化規律與延遲性肌肉酸痛（DOMS）的發生-發展-高峰-恢復的時間周期基本一致，即RMS會隨著肌肉酸痛程度的增加而上升，隨肌肉酸痛程度的下降而逐漸恢復。

3 討論

延遲性肌肉酸痛是一種特殊的運動性疲勞，而運動性肌肉疲勞是指運動引起肌肉產生最大收縮力量或者最大輸出功率暫時性下降的生理現象，是肌肉在收縮過程中由于代謝產物堆積、能源物質消耗以及神經系統功能狀況改變等一系列變化的一個具有連續性和動態性的復雜過程[13]。在利用sEMG信號評價疲勞時往往需要將時域指標與頻域指標相結合才能準確的評價肌肉疲勞的狀態。以往研究發現,等長、等速運動負荷引起肌肉疲勞 sEMG信號的時域指標 iEMG和RMS與疲勞程度呈線性正相關,頻域指標MPF和MF值與疲勞程度呈線性負相關。但動態條件下的sEMG信號因運動形式的復雜性、信號穩定性等因素的影響,以上分析指標會出現多種不確定的變化[5]。本實驗通過動力性運動蛙跳誘發下肢產生延遲性肌肉酸痛，分析 DOMS發生前后及恢復過程中sEMG信號的變化特征，發現時域指標RMS和iEMG在DOMS發生前后有顯著性差異（P＜0.01）。DOMS產生后的 RMS和iEMG呈上升趨勢，另外在完成25%RM負荷深蹲運動條件下雙側肌群的RMS和iEMG的變化呈現出非對稱性，這可能是神經中樞共驅動機制作用的結果；DOMS發生前后頻域指標MF和MPF有顯著性差異（P＜0.01），DOMS產生后的MF和MPF呈下降趨勢；DOMS發生前后iEMG和MPF的變化幅度比RMS和MF的變化幅度更大，這說明在反映肌肉疲勞程度方面，iEMG和MPF比RMS和MF更為敏感。在經過動力性誘發肌肉酸痛后，RMS即刻開始發生變化，臀大肌、股二頭肌、股直肌、股內側肌、股外側肌、脛骨前肌、腓腸肌（外側）的RMS表現出了一致的變化走向，都是先上升后下降，RMS從動力性訓練后即刻開始上升,至36h左右上升達峰值，隨后開始下降，至72h時基本恢復到初始值。但在整個酸痛過程中各肌群的RMS變化的幅度并不一致，脛骨前肌變化幅度最大，腓腸肌、臀大肌及股二頭肌變化最小，股直肌、股內、外側肌的變化幅度居中。也就是說經過動力性誘發肌肉酸痛后，在神經中樞的共驅動機制下各肌群根據疲勞程度或肌力的增長情況實現了重新組配。

4 結論

經過動力性運動誘發肌肉酸痛后，在完成25%RM負荷條件下，DOMS發生前后sEMG信號的時域指標RMS和iEMG有顯著性差異（P＜0.01），且iEMG的變化幅度較RMS大；DOMS發生前后MF和MPF有顯著性差異，且MPF的變化較MF大；在雙側協調完成固定負荷的運動中，雙側下肢的sEMG信號表現出非對稱性，且左側的平均值大于右側；DOMS恢復過程中 RMS的變化與延遲性肌肉酸痛的發生--發展--高峰--恢復過程的時間周期基本一致，這有利于教練員和運動員有效掌握超量恢復時期，提高運動訓練效益。