低頻振動負荷訓練對人體膝關節肌肉力量作用效果的實驗研究

李家發

低頻振動負荷訓練對人體膝關節肌肉力量作用效果的實驗研究

李家發

阿壩師范學院，四川 汶川，623002。

近幾年振動負荷訓練頗受關注，眾多學者對振動負荷訓練的研究也碩果累累，取得了不菲的成績。但在振動負荷訓練中對低頻振動的效果研究相對較少，大部分研究主要集中在35Hz以上的中高頻率。因此為探討低頻振動負荷訓練對人體膝關節肌肉力量的作用效果。文章以22名非體育專業男生作為實驗對象，分別進行有附加低頻振動和無附加振動形式對膝關節屈伸肌力量練習進行對比實驗研究。研究方法主要采用全能型PowerPIate Pr05 AIR振動器使用縱波在振動頻率30Hz，振動幅度3mm的低頻情況下利用膝關節“向心－離心”循環測量方法，用等速肌力測試系統分別采集實驗對象在60°/s和120°/s膝關節的向心和離心收縮工作狀態時的力矩峰值和平均功率數據。通過對結果進行分析表明，膝關節屈伸肌肉在附加低頻振動負重蹲練習訓練后能夠更有效的促進膝關節肌肉在向心和離心工作狀態下的最大收縮能力和快速收縮能力，并在一定程度上加強了膝關節伸肌群的能力儲備。

低頻振動；膝關節；力量；實驗研究

隨著運動訓練水平的不斷提高，肌肉力量振動訓練作為一種全新的力量訓練方法越來越受到業屆的廣泛關注。振動訓練的早期大多采用局部振動的方式進行力量訓練[1-2]，后來擴展到使用全身振動的方式進行[3-4]。全身振動訓練基本方式是在傳統肌肉力量訓練的基礎上通過附加振動刺激進行的，大量研究證明，這種訓練方式能夠在相同外加以載荷的條件下比傳統訓練方法更有效地提高肌肉的最大力量和爆發力[5-6]。特別是近年來國內眾多學者對在附加振動情況下采用負重半蹲起來探索振動刺激對大腿肌肉力量的變化會產生怎樣的影響，取得了不俗的成果和成績。但是在探索采用低頻振動進行輕中等負荷負重情況下，對非體育專業學生膝關節屈伸肌肉力量的影響程度如何？低頻振動刺激和輕中負荷負重對增加膝關節肌肉在向心和離心工作狀態下最大收縮和快速收縮能力的影響是否顯著？這些問題的研究都還需要我們不斷的努力和探索。因此本項研究希望通過以人體實驗的方式，利用相關儀器設備采集受試者等速肌力方面的數據并對其進行分析，深入了解低頻振動訓練對于促進膝關節肌肉力量提高時的一些基本特點，探索低頻振動訓練對于人體肌肉力量的影響規律，對進一步完善振動訓練的機制，科學指導運動實踐有一定的指導價值。

1 研究方法

1.1 實驗對象

實驗對象：成都體育學院2015級運動人體及康復專業男生22人，年齡在18至22歲之間，下肢無傷病，隨機分為2組，每組11人。選擇負重蹲作為練習動作，以膝關節曲伸肌群為主要實驗目標。

1.2 實驗內容

實驗組A：附加低頻振動向心收縮，兩腳站立在振動臺上做負重深蹲。實驗組B：不附加振動向心收縮，兩腳站立在地面做負重深蹲。練習量：每課10次×5組（每組20s內完成）。練習要求：振動方向為縱向，振動頻率30Hz，振動幅度3mm。負重深蹲動作要求保持軀干垂直，深蹲到最大限度，站起時要求全力、全速，下肢完全伸直并提踵。訓練時間8周，每周5次。外加負荷重量選擇個人最大載荷的80%重量（10RM），該載荷可發展最大肌力和爆發力。訓練所用設備：震動訓練器（全能型PowerPIate Pr05 AIR）2臺。

1.3 數據采集

數據采集使用瑞士多關節等速肌力測試與訓練系統（CONTREX-MJ+TP1000）。測量時儀器設定運動速度分別為60°/s和120°/s。采用膝關節“向心－離心”循環測量方法，伸肌先做向心收縮（膝從屈曲100°伸膝到0°），然后再做離心收縮（膝從伸直狀態0°屈膝到100°）。分別測量股四頭肌在向心收縮和離心收縮工作狀態的肌力指標。采集數據包括膝關節力矩峰值，平均做功功率等。

1.4 數據處理

數據采集在實驗前、后各測量一次。對前后兩次采集的數據使用統計分析軟件（PASW Statistics 18.0）進行處理。分析A、B兩組間在實驗后數據差異、以及同組實驗前、后數據差異均采用獨立樣本T檢驗方法（independent-Sample T test）。差異顯著性標準為P＜0.05和P＜0.01。數據表達方式為“平均數±標準差”。

2 實驗結果與分析討論

2.1 膝關節屈伸峰值力矩實驗數據分析

峰值力矩（peak torque，PT）是關節屈伸過程中最大力矩的表達，是肌肉力量的體現，有較好的重復性，被視為等速測試的黃金標準和參照值。研究發現，在等速測試中，測試最大肌張力、爆發力適宜選用慢速測試。本研究中采用60°/s和120°/s兩種測試速度更能準確地涵蓋受試者關節的最大肌張力和爆發力水平。膝關節屈伸等速肌力峰值力矩（N.m）實驗數據如表1所示。

表1 膝關節屈伸等速肌力峰值力矩（N.m）實驗數據（n1=11；n2=11）

說明：同組實驗前、后比較：◇，P<0.05；，◆，P<0.01；A、B組間實驗后比較：△，P<0.05；▲，P<0.01。

同組實驗前、后峰值力矩數據自身比較：A組實驗后數據在兩種測試速度下的四項數據較之實驗前均有較大增長，數據差異均具有顯著或非常顯著意義。B組實驗后數據在兩種測試速度下的4項數據較之實驗前均有不同程度增長，但是僅在兩種速度的向心收縮時數據差異具有非常顯著意義，而在離心收縮過程中數據的差異不具有顯著意義。

兩組實驗后峰值力矩數據相互比較：A組在兩種測試速度下的4項數據的提高幅度均高于B組。但是只在兩種運動速度的離心收縮時其提高幅度的差異具有顯著或非常顯著意義。

表1所示數據差異說明：負重蹲練習（不論有無附加振動）都能在不同程度提高受試者膝關節肌肉的最大力量，特別是能夠提高膝關節肌肉向心工作時的最大收縮能力。但是有低頻振動的負重蹲練習除了能夠提高膝關節肌肉向心工作的最大收縮能力外，對于肌肉的離心工作最大收縮能力也具有較好的促進作用。而沒有附加振動的負重蹲練習對于膝關節肌肉離心工作最大收縮能力的促進作用并不明顯。

2.2 膝關節屈伸平均功率實驗數據分析

平均功率（average power，AP）是指單位時間內肌肉所做功。該指標在一定程度上可反映運動員肌肉的快速發力能力。在一定范圍內肌肉功率隨著運動速度的增加而增加，但當肌肉運動速度達到一臨界值時，功率反而隨著運動速度的加快而下降。本研究中采用60°/s和120°/s兩種測試速度，從而更能客觀的反映受試者膝關節的快速發力的能力。膝關節屈伸等速肌力平均功率（N.m/s）實驗數據如表2所示。

表2 膝關節屈伸等速肌力平均功率（N.m/s）實驗數據（n1=11；n2=11）

說明：同組實驗前、后比較：◇，P<0.05；，◆，P<0.01；A、B組間實驗后比較：△，P<0.05；▲，P<0.01。

同組實驗前、后平均功率數據自身比較：A組實驗后數據在兩種測試速度下的4項數據較之實驗前均有較大增長，數據差異均具有非常顯著意義。B組實驗后數據在兩種測試速度下的四項數據較之實驗前均有不同程度增長，但是僅在運動速度120°/s向心收縮時數據差異具有非常顯著意義，而其它3項數據的差異不具有顯著意義。

兩組實驗后平均功率數據相互比較：A組在兩種測試速度下的4項數據的提高幅度均高于B組。其中在速度為60°/s時的向心和離心數據差異非常顯著意義，在速度為120°/s時的離心數據差異具有顯著意義。

表2所示數據差異說明：負重蹲練習（不論有無附加振動）都能在不同程度提高受試者膝關節肌肉的快速收縮能力。但是無附加振動的負重練習對肌肉快速工作能力的促進作用并不明顯，本項實驗中僅在個別測試數據（120°/s速度的向心工作時）表現出實驗前后的明顯差異。而有低頻振動的負重蹲練習對于兩種速度下向心和離心的4項數據中，實驗前后數據都表現出了明顯的差異。說明有附加振動的負重蹲練習能夠有效提高膝關節肌肉向心和離心工作時的快速收縮能力。實驗后兩個組的數據比較表明，有附加振動負重蹲練習對于促進膝關節肌肉快速收縮能力的提高幅度相對于無附加振動負重蹲而言具有明顯的優勢。

2.3 低頻振動訓練引起數據差異原因分析

通過前人的研究可知提高肌肉絕對力量主要有三種方式，第1種就是通過提高肌肉的橫截面積，使肌纖維增粗來提高肌肉的收縮效率；第2種是提個神經放電頻率與同步性來增強神經募集肌肉的能力；第3種是提高肌肉的內部協調性。這種內部協調性包括了主動肌、拮抗肌和協同肌對完成同一個動作所表現出來的統一性和整體性。通過對A、B兩組進行8周時間的訓練后發現，附加低頻振動訓練組膝關節屈伸峰值力矩和平均功率中的各項指標值均發生改變，這說明低頻振動訓練對膝關節屈伸肌肉群的最大收縮能力和快速收縮能力上都得到了有效的提高。特別是在肌肉最大收縮能力改變過程中，從圖1可以看出膝關節屈伸等速肌力峰值力矩（N.m）其差異主要表現在離心收縮上（見圖1）。這種提高一方面是因此振動訓練通過振動頻率來產生加速度作用于肌肉，根據牛頓定律F=m×a可知，在振動負荷訓練情況下振動產生的加速度會使產生類似于“超重”和“失重”的現象，并且會導致實驗對象在訓練中的負荷量時刻發生變化，當肌肉負荷在“超重”階段時運動員所承受的負荷量要遠遠大于實際承受的負荷量。在長時間的訓練過程中將會不斷增加肌肉的橫截面積，因此相同質量的負荷在附加振動后肌肉力量的提高會更加顯著。

圖1 膝關節屈伸等速肌力峰值力矩（N.m）實驗數據

另一方面等速肌力峰值力矩（N.m）在離心收縮上表現較為明顯，這主要是因為肌肉中的彈性成分要表現出彈性收縮力，只有在處于被拉伸的狀態下才能發揮出彈性收縮性能，而肌肉做離心工作正好處于被拉伸的狀態，在加上振動波從肢體遠端傳遞到膝關節屈伸肌時，會誘發膝關節屈伸肌肉群大幅度快速的拉長收縮來引起神經調節反射[7]。其機制是振動波首先通過引起肌梭末端興奮，逐步提高了初級Iα傳入纖維的興奮性，從而反射性地引起了梭外肌纖維收縮，進一步促進了人體肌肉中肌梭和腱梭對振動波的條件性反射[8]。肌梭的這種末端興奮刺激通過單突觸閉合傳導增加了α運動神經元的放電，不僅提高了神經元的同步性[9]，還增加了從肌梭到運動神經元池的興奮流入，激活了腱器，從而最大限度地募集了運動單位參與活動[10]。因此在有附加振動負重蹲的8周訓練中，這種刺激反復快速地作用于受試者的下肢肌肉，使得膝關節屈伸肌逐漸適應了這種條件刺激，動員了更多的運用單位參與工作，增加了肌肉整體做功的能力，必然形成其肌肉力量的明顯提高。

此外在外加振動刺激的條件下，附加振動訓練組的膝關節屈伸等速肌力平均功率表明，其肌肉離心工作狀態時肌肉最大收縮能力的提高幅度明顯高于無附加振動組，正好說明振動波對肌肉中的彈性成分產生了良好的刺激作用。這主要是因為在振動訓練器過程中，振動波對主動肌群的刺激增加，導致神經沖動的釋放頻率加快，以此同時拮抗肌和輔助肌的神經沖動受到抑制。另外在30Hz的頻率下肌肉進行快速的交替收縮放松，進一步加劇肌梭激發主動肌的收縮，同時腱梭抑制拮抗肌，有利于多突觸傳導通路在各組織器官間傳遞著信息，不斷改善神經-肌肉接點傳遞的一致性，從而引起肌肉的同步激活，增強了肌群中肌肉間的配合和同步化工作，使得肌肉在快速收縮能力上得以穩定和提高，因此低頻振動負重蹲訓練對運動員下肢肌肉快速收縮能力具有顯著效果。

3 結 論

（1）通過從等速肌力峰值力矩（N.m）實驗數據中可知膝關節在附加低頻振動負荷訓練條件下，膝關節肌肉在向心和離心工作狀態下的最大收縮能力得到了有效的提高，并且在離心收縮能力上表現尤為顯著。

（2）通過從膝關節屈伸等速肌力平均功率（N.m/s）實驗數據中可知低頻振動負重蹲練習不僅能夠更有效的促進膝關節肌肉在向心和離心工作狀態下的最大收縮能力，而且還能夠提高肌肉的快速收縮能力。

（3）低頻振動訓練對肌肉最大力量和快速收縮能力的促進作用，與振動波對肌肉中的彈性成分和本體感受器產生了有效的刺激作用有關，這在一定程度上說明了低頻振動訓練對普通人群的訓練效果也許更合適，這對完善振動負荷訓練理論和實踐實訓都具有指導意義。

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Experimental Study on the Effect of Low Frequency Vibration Load Training on Hunan Knee Joint Muscle Strength

LI Jiafa

A Ba Teachers University, Wenchuan Sichuan, 623002, China.

In recent years, the vibration load training has attracted much attention, and many scholars have made great achievements in the research of vibration load training, and have achieved good results. However, the research on the effect of low frequency vibration in vibration load training is relatively small, most of the research mainly focused on the high frequency of 35Hz. Therefore, in order to explore the effect of low frequency vibration load training on the muscle strength of the knee joint. In this paper, 22 non physical education students were used as the experimental subjects, and the experimental study was carried out to compare the strength of flexion and extension muscle of knee joint in the form of additional low frequency vibration and no additional vibration. The research method mainly adopts the universal PowerPIate Pr05 AIR vibrator using longitudinal wave in vibration frequency 30Hz, vibration amplitude of 3mm low frequency under the condition of the knee joint “centripetal centrifugal circulation” measurement method, collect experimental objects in concentric and eccentric contraction of the working state of 60 ~ /s and 120 ~ /s of the knee when the peak torque and average power data respectively using isokinetic testing system. Through analysis of the results showed that the knee flexion and extension muscle training in the squat exercise after loading additional low frequency vibration can more effectively promote knee maximal muscle contraction ability in concentric and eccentric condition and rapid contraction ability, and strengthen the knee extensor ability reserve in a certain extent.

Low frequency vibration; Knee joint; Strength; Experimental study

1007―6891（2020）03―0029―04

10.13932/j.cnki.sctykx.2020.03.07

G804.63

A

2019-08-11

2019-09-24