運用BTEPrimusRS系統(tǒng)測定人體下肢單關節(jié)肌群極限功率與肌耐力的方法學研究

史冀鵬，徐紅旗，張欣，楊帆，冉令華，王安利，鄭秀瑗

●博士（生）論壇Doctor Forum

運用BTEPrimusRS系統(tǒng)測定人體下肢單關節(jié)肌群極限功率與肌耐力的方法學研究

史冀鵬1，徐紅旗1，張欣2，楊帆2，冉令華2，王安利3，鄭秀瑗4

目的：明確BTEPrimusRS系統(tǒng)測評下肢肌群極限功率與肌耐力的測量模式選取與參數(shù)設置；并測量青年男性髖伸、膝伸與踝跖屈肌群極限功率與肌耐力。方法：40名男大學生，在BTEPrimusRS系統(tǒng)等張模式下，阻力矩50%等長峰值力矩（The Isometric Peak Torque，IPT）。IPT重復3次，時間3 s，間歇5 s，非爆發(fā)式靜力性測量模式；等張極限功率（The Isotonic Peak Power，IPP）重復3次，時間10 s，間歇15 s，盡最快速度完成；等張極限肌耐力（The Isotonic Peak Endurance，IPE）測試要求運動幅度（90°或90°以內(nèi)）與動作頻率（60次/min）一定，持續(xù)運動至疲勞。結果：青年男性髖伸、膝伸與踝跖屈肌群IPT為198.56（24.53）、166.45（27.53）、154.90（25.17）N·m；IPP為161.21（28.57）、74.43（16.12）、74.62（19.91）W；IPE總功為6 460.69（2 521.18）、1 407.28（456.93）、2 259.56（771.88）J。結論：BTEPrimusRS系統(tǒng)能以等張模式精確測評下肢單關節(jié)肌群IPP與IPE，阻力矩為非爆發(fā)式靜力性測量模式50%IPT。青年男性髖伸、膝伸與踝跖屈肌群IPT、IPP、IPE測試結果完善了人體單關節(jié)肌群生物力學特征基礎參數(shù)庫。

功率；等張測試；等長峰值力矩；等張極限功率；等張極限肌耐力

以往人體肌肉測試常集中在最大力量或肌肉力量的測量上[1]，并將測定結果作為參考值用于指導實踐，因此康復訓練計劃中常強調(diào)肌肉最大力量能力的練習，這是假定力量強的肌肉其做功能力也較強。然而，肌肉最大功率僅在肌力適中時的收縮速度下出現(xiàn)[2-3]。此外，肌肉收縮峰值速度的發(fā)展受肌肉收縮幅度的限制，且此收縮幅度的限制為肌肉發(fā)揮最高速度的能力強加了一個時限。因此，肌肉要想達到最大功率輸出，力量產(chǎn)生的速度必須盡可能地快，而力量產(chǎn)生的速度是由神經(jīng)系統(tǒng)的活化程度與肌肉的收縮速度兩方面決定的。有研究表明，人體上身肌肉靜態(tài)與動態(tài)收縮時的神經(jīng)激活方式不同[4]，如果肌肉極限功率與肌耐力和肌肉力量的生理學機制不同，那么等長、等速或徒手肌力的測定可能不足以確定某一個體是否存在肌肉的功能缺陷。人體肌肉極限功率與肌耐力，在完成體育運動、工業(yè)勞動和日常生活活動中起著非常重要的作用。與力量測試相比，功率測試是一種動態(tài)的過程，它涉及因肌肉收縮與放松產(chǎn)生的關節(jié)運動。因許多工作的完成是一種動態(tài)的做功過程，所以與靜態(tài)肌力相比，動態(tài)功率是一個能較好地反應人體工作能力的指標。肌肉耐力測試是對人體肌肉的耐力水平或疲勞耐受程度的測評，是對個體執(zhí)行一項特殊肌肉活動、關節(jié)運動或模擬一項特定工作時能持續(xù)時間長度的測定。因大多數(shù)活動中人體大部分肌群都在執(zhí)行一個持續(xù)的工作過程，所以肌肉耐力是人體功能能力的重要部分。通過測量人體完成特定任務時的總功輸出量或是持續(xù)一項活動的時間長度，可以量化特定肌群功率的保持能力。另外，在康復醫(yī)學肌肉功能訓練中，肌肉力量、肌肉功率與肌耐力常被用作患者肌肉功能康復程度的監(jiān)測指標[5]。本研究的目的：一是明確運用BTE PrimusRS模擬仿真測試評價訓練系統(tǒng)（Baltimore Therapeutic Equipment，BTE）測評人體下肢單關節(jié)肌群極限功率與肌耐力時的測量模式選取與測試參數(shù)的設置標準；二是對中國青年男性下肢單關節(jié)肌群極限功率與肌耐力進行測量，以完善人體單關節(jié)肌群的生物力學特征基礎參數(shù)庫，為體育運動技術的研究與評價，力量素質(zhì)訓練方法的改進與訓練手段的設計及訓練效果的評定，運動損傷的預防與康復訓練，人工假肢的設計與研制，航空航天設計與軍事訓練，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)操作技術的工效學評價等研究領域提供生物力學基礎參數(shù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

未受過體育專業(yè)訓練的健康普通男大學生，均在知情同意的基礎上自愿參加測試，并填寫《試驗同意書》。為保證受試樣本的代表性，以身高、體重兩項目作為基礎數(shù)據(jù)，據(jù)2005年《第二次國民體質(zhì)監(jiān)測報告》中20～25歲年齡段全國成年男性身高（（170.4±6.23）cm，n=10 344）與體重，（（63.7±10.50）kg，n=10 340）的二維分布概率，在相應的身高、體重范圍中選定相應比例的人數(shù)，組成本研究40人的樣本量。經(jīng)單個總體均數(shù)T檢驗（One-Sample T Test）知，所選樣本的身高、體重、BMI與全國20～25歲成年男性相比無顯著性差異（P＞0.05），具體情況見表1。

表1 受試者基本情況一覽表Tab.1 Basic Characteristics of Subjects

1.2 研究方法

1.2.1 測試儀器BTE PrimusRS系統(tǒng)、身高體重測試儀、坐位體前屈測試儀、關節(jié)角度測試儀、肢體長度測量尺、肢體寬度測量尺。

1.2.2 測試步驟（1）問卷調(diào)查。自行編制的《受試者調(diào)查問卷》由專人負責講解與指導填寫，并回收與檢查；獲取受試者的基本信息與健康狀況，排除疾患以確保測試安全，量化受試者的日常體力活動水平，在正式測試開始前讓受試者清楚本研究的測試內(nèi)容，并征得同意。

（2）基本形態(tài)與素質(zhì)測量。受試者著短褲、背心，由專人進行身高、體重、下肢長B、小腿長A、小腿長B、大腿圍、小腿圍、肩寬、坐位體前屈等9個基本形態(tài)與素質(zhì)指標的測量，每個指標測兩次。

（3）下肢伸肌力量特征測試。①準備活動。以下肢活動為主，準備活動的量與強度以全身發(fā)熱，不感到疲勞為宜；準備活動后心率約在100～120次/min。

②測試順序與測試姿勢。測試順序：踝關節(jié)—膝關節(jié)—髖關節(jié)。測試姿勢：要求受試者測試中雙臂交叉放于胸前。踝關節(jié)屈伸測試取斜躺位，踝關節(jié)轉(zhuǎn)動中心與系統(tǒng)測試頭轉(zhuǎn)軸保持在同一直線上，以腳面與小腿垂直位為90°，在40°關節(jié)活動度（Range OfMotion，ROM）范圍屈伸，小腿、大腿與軀干用綁帶固定。膝關節(jié)屈伸測試取坐位，膝關節(jié)轉(zhuǎn)動中心與系統(tǒng)測試頭轉(zhuǎn)軸保持在同一直線上，以大小腿伸直位為180°，在90°ROM范圍屈伸，大腿與軀干用綁帶固定。髖關節(jié)屈伸測試取平躺位，髖關節(jié)轉(zhuǎn)動中心與系統(tǒng)測試頭轉(zhuǎn)軸保持在同一直線上，以大腿中立位為0°，在90°ROM范圍屈伸，軀干用綁帶固定（見圖1）。

圖1 受試者下肢單關節(jié)肌群極限功率與肌耐力測試Fig.1 The Peak Powerand Endurance Test in Lower Limb Single-JointMuscles of Subjects

③測試參數(shù)設置。等長峰值力矩（The Isometric Peak Torque，IPT）：重復測試3次，測試時間為3 s，組間間歇5 s，采用非爆發(fā)式的靜力性測量模式，組內(nèi)變異系數(shù)控制在10%以內(nèi)。

等張極限功率（The Isotonic Peak Power，IPP）：采用50%IPT的阻力設置，測試時間10 s，組間間歇15 s，重復測試3次，受試者盡自己最快的速度完成，組內(nèi)變異系數(shù)控制在15%以內(nèi)。

等張極限肌耐力（The Isotonic Peak Endurance，IPE）：采用50%IPT的阻力設置，運動幅度和動作頻率一定，持續(xù)運動直至疲勞。運動幅度與動作頻率的設置標準為附件運動幅度達到90°或90°以內(nèi)時，測試的動作頻率為60次/min；附件運動幅度超過90°時，測試的動作頻率為30～40次/m in。

1.2.3 數(shù)據(jù)的整理與分析本研究測試所得數(shù)據(jù)在SPSS17.0統(tǒng)計學軟件中建立數(shù)據(jù)庫，正態(tài)性檢驗應用單樣本K-S檢驗，連續(xù)性變量以均數(shù)±標準差（M±S）或中位數(shù)[四分位差（25%～75%）]表示。主要涉及的數(shù)據(jù)處理與分析方法有一般統(tǒng)計學描述，單一樣本T檢驗，單因素方差分析與多重比較等。

2 研究結果

2.1 等長峰值力矩的測試結果

受試者下肢單關節(jié)肌群IPT測試結果見表2。變異系數(shù)（Coefficientof Variation，CV）是一項基于平均數(shù)和標準差的統(tǒng)計分析量，一個度量相對離散程度的指標，反應受試者完成測試一致性程度的客觀且量化的方法。CV值較高說明不同試驗產(chǎn)生的力矩值間存在著較大的不一致性，CV值較低則說明作用力具有很強的一致性[6]。手工“提”操作工作實踐指導中要求身體能力測試中，可接受的CV值上限應低于15%[7]。但加利福尼亞職業(yè)與康復機構應用BTE PrimusRS系統(tǒng)進行的一項研究表明，15%的上限規(guī)定過于寬泛[8]。這項研究結果表明，運用特定的附件對受試者進行測試時的CV值大多數(shù)低于10%。美國BTE國家數(shù)據(jù)庫的前臂旋前與旋后測試也表明CV值低于10%[6]。由表2可知，此次下肢單關節(jié)肌群IPT測試中CV值均在10%以下，說明此次IPT測試的可靠性較好。由表2可知，下肢單關節(jié)肌群IPT測量值從大至小的順序為：髖伸展肌群IPT→膝伸展肌群IPT→踝跖屈肌群IPT，且呈顯著性降低趨勢（P＜0．05）。

表2 下肢單關節(jié)肌群IPT測試結果Tab.2 The TestResultof IPT in LowerLimb Single-JointMuscles

2.2 等張極限功率與肌耐力的測試結果

受試者下肢單關節(jié)肌群等張極限功率與肌耐力的測試結果見表3與表4。BTE PrimusRS系統(tǒng)從5個傳感器獲得信息，3個（負載元件、位置傳感器、速度傳感器）在儀器回路內(nèi)，2個（負載元件、電位表）在回路外。JAMES等人曾從此系統(tǒng)靜動態(tài)測量特點、多次測試結果的一致性程度及測量信度3方面來驗證其信效度，在20名健康男大學生進行膝關節(jié)最大用力屈伸運動中，用系統(tǒng)內(nèi)外負載元件同時收集力矩資料來比較此系統(tǒng)類似的力輸出和已知靜態(tài)負荷及校正外負荷的動態(tài)輸出，以確定力傳感器的效度。利用受試者5次重復最大用力，每次間隔30 s，低力矩與高力矩間隔3min的功率試驗與隨后休息5min的動作檢查實驗，來確定每個受試者試驗中與受試者個體間的信度，結果表明系統(tǒng)可重復性好且測試結果可靠、客觀[9]。JOHN等人從不同預負荷阻力設置和多次重復測試兩方面來驗證系統(tǒng)等張功率與肌耐力測試的可靠性，29名大學生在膝關節(jié)屈曲70°時進行6 s等長最大隨意收縮以獲取他們的IPT，分別在20%、40%、 60%IPT阻力設置下，讓每位受試者執(zhí)行6次90°ROM膝伸展肌群的等張功率與肌耐力測試；間隔5～7天后進行同樣的測試，共重復3次；計算3組測試間的ICC系數(shù)；結果表明平均功率測試中阻力設置為20%～60%IPT時可靠性均很好，平均總功測試阻力設置為40%～60%IPT時可靠性很好，20%IPT阻力設置時可靠性一般[5]。由此可知，在50%IPT阻力設置下，BTE PrimusRS系統(tǒng)等張功率與肌耐力的測試能得到可靠且客觀的結果。為及時了解等張功率測試的組內(nèi)信度，即作用力一致性程度，可計算重復3次等張功率測試中的CV值；受試者功率測試中會因疲勞積累因素的影響而使CV系數(shù)增大，故合適的CV值上限為15%[6，10]。由表3可知，此次下肢單肌群IPP測試的CV值均在15%以下，具有較好的信度。由表3可知，下肢單關節(jié)肌群IPP測量值的大小順序為：髖伸展肌群IPP→（踝跖屈肌群IPP、膝伸展肌群IPP），且髖伸展肌群IPP與膝伸展肌群IPP、踝跖屈肌群IPP間有非常顯著性差異（P＜0．01），但膝伸展肌群IPP與踝跖屈肌群IPP間無顯著性差異（P＞0．05）。

表3 下肢單關節(jié)肌群IPP測試結果Tab.3 The Test Result of IPP in Lower Lim b Single-JointMusc les

BTE PrimusRS系統(tǒng)主要通過確保受試者在測試中阻力設置、運動幅度和動作頻率等變量保持一致性，據(jù)受試者輸出的總功量與系統(tǒng)測試頭的角位移距離及測試持續(xù)時間的長短來量化其肌耐力的發(fā)展水平，所以測試結果包括總功（J）、距離（deg）、時間（s）三參數(shù)。由表4可知，下肢單關節(jié)肌群IPE總功（J）、距離（deg）、時間（s）測量值從大至小的順序皆為：髖伸展肌群IPE→踝跖屈肌群IPE→膝伸展肌群IPE，且總功（J）與距離（deg）兩參數(shù)呈非常顯著性降低趨勢（P＜0．01）；時間（s）參數(shù)僅髖伸展肌群IPE、踝跖屈肌群IPE與膝伸展肌群IPE間有非常顯著性差異（P＜0．01），但髖伸展肌群IPP與踝跖屈肌群IPP間無顯著性差異（P＞0．05）。

表4 下肢單關節(jié)肌群IPE測試結果Table.4 The TestResultof IPE in Lower Lim b Single-JointMuscles

3 分析與討論

3.1 肌肉極限功率與肌耐力的測量模式選取

3.1.1 肌肉功率等長與等速測量模式的比較肌肉功率的等長測量模式是將功率與神經(jīng)肌肉系統(tǒng)快速產(chǎn)生力或力矩的能力相關，如對等長模式下力矩發(fā)展速率（Rate of Torque Development，RTD）的測評[11]。初步研究表明，等速模式下的功率測評可能不像肌力測試一樣可靠[12]，與峰值力矩發(fā)展速率相比，特定范圍內(nèi)（如30%～60%峰力矩）的平均力矩發(fā)展速率可能更具一致性[11]。少數(shù)比較動態(tài)工作疲勞后等速功率與等長肌力差異性的動物與人體研究表明，等速峰值功率的下降要大于等長最大隨意收縮（Maximal Voluntary Contraction，MVC）條件下等長峰值肌力的下降[13-14]。因等長收縮僅依賴于肌力的發(fā)展能力，而等速收縮中功率的大量損失與肌肉收縮速度的降低并伴有力矩或力量發(fā)展能力的下降有關[14]。CHENG等人對13名男大學生等速測試系統(tǒng)上50%等長MVC阻力設置下，膝伸展肌群等張收縮后等張功率與等長收縮性能的疲勞與恢復情況進行研究，發(fā)現(xiàn)因收縮速度的降低而導致等張功率的下降要遠大于MVC的下降率，但等張功率恢復速度要快于MVC，即等長最大肌力的下降并沒有推遲等張功率的恢復；他們認為疲勞外周機制，如代謝因素等會導致等張收縮后肌肉興奮收縮偶聯(lián)受損，引起肌力發(fā)展能力損失，但肌肉的“活化后潛能（Post-activation Potentiation，PAP）”可能會相對加速等張功率的恢復，因此肌肉的等長收縮特征僅能部分解釋肌肉等張功率的變化特征[15]。另外，年齡的增長會導致肌力與肌肉收縮速度的損失[16]，等長測量模式的靜力性特點不能提供肌肉收縮速度隨年齡增長的損失，因此它無法實現(xiàn)對肌肉功能的全面評價。CHRIST等人對青年人、老年人與高齡老年人等速測試系統(tǒng)上20%MVC阻力矩設置下足背屈肌群等張功率測試中的疲勞特征進行研究，發(fā)現(xiàn)肌肉收縮速度的損失是老年人功率損失的主要原因，而肌力與收縮速度的損失是高齡老年人功率損失的原因；且70～90歲高齡老年人的功率損失中，肌力損失的貢獻要高于收縮速度[17]。

3.1.2 肌肉功率等速與等張測量模式的比較肌肉功率的等速測量模式常用于人體動態(tài)功能能力的評價，峰值功率或均值功率可用動力測試系統(tǒng)的等速模式直接測量[11]。等張與等速收縮具有不同的生物力學特征，等張收縮模式下神經(jīng)肌肉系統(tǒng)必須克服一個恒定的初始阻力才能移動骨杠桿臂做功，因此神經(jīng)肌肉系統(tǒng)在關節(jié)活動范圍內(nèi)的力學薄弱點承受最大負荷，其余部分則在小于此最大負荷下工作。等速收縮模式提供一個順應性阻力，當環(huán)節(jié)達到預定速度后則保持此恒定角速度運動，因此神經(jīng)肌肉系統(tǒng)在整個關節(jié)活動范圍內(nèi)均承受較大的負荷；在相同關節(jié)活動幅度范圍內(nèi)，理論上肌肉等速收縮模式較等張收縮模式有較大的總功輸出[18-19]。但有研究表明，肌肉等張收縮模式下可通過增加肌肉激活數(shù)量或調(diào)節(jié)肌群的協(xié)同激活程度，完成與等速收縮模式相同的總功輸出或達到相同的訓練負荷強度。ANTHONY等人曾在Biodex系統(tǒng)上對同一批受試者的輸出總功進行標準化，并控制環(huán)節(jié)運動的平均角速度，以比較膝伸展肌群等張與等速收縮模式的差異，研究表明通過均衡對外輸出總功與環(huán)節(jié)運動速度兩因素來比較兩種收縮模式的方法是可行的，但膝伸展肌群兩模式下達到相同對外輸出總功的重復做功次數(shù)相等，可能與兩收縮模式下腘繩肌的協(xié)同激活程度不同有關[19]。另外，O'HAGAN等人的研究也認為與等速訓練相比，等張訓練時肌肉負荷強度的不足可能通過增加肌肉激活的數(shù)量來補償[19]。肌肉功率還可用動力測試系統(tǒng)的等張模式直接測量，如對等張模式下環(huán)節(jié)運動速度與加速度的測評[11]。由于日?；顒觿幼骺捎煤愣ㄘ摵上滤俣鹊臎_擊正弦曲線式變化所描述，而非速度恒定的運動，因此等張收縮形式的肌肉功率評價與人體日常行為動作更為相近[20]。應用等張負荷進行的動態(tài)測試表明，功率輸出的疲勞過程通常會出現(xiàn)環(huán)節(jié)運動幅度與環(huán)節(jié)運動速度的降低[2]，但有關肌肉功率等張測量模式的研究還未得到廣泛的應用[21]。STAUBER等人在等張測試系統(tǒng)上應用中等等張負荷下的力矩—速度功率測試，對28名女大學生膝伸展肌群功率輸出與疲勞測試的研究表明，肌肉等速與等長收縮疲勞后力量的產(chǎn)生能力下降，但等張收縮中功率的損失主要與肌肉收縮速度的下降有關[2]。

3.1.3 BTEPrimusRS系統(tǒng)等張測量模式測評肌肉功率的優(yōu)勢綜觀以往研究發(fā)現(xiàn)，以功率或總功為測量結果的人體機能測評實驗可分為做功總量限定測量、持續(xù)時間限定測量、功率輸出量或預負荷限定測量、極限功率值測量、遞增負荷無氧閾測量、遞增負荷功率峰值測量、等慣性肌力測量、等速與等張肌力儀器測量9種類型[22]，這9種測評方法中的后3種更側(cè)重于人體肌肉功能的測量。隨著科學技術的不斷進步，肌力測評手段已由簡單的靜力性單關節(jié)肌力與肌耐力測量發(fā)展到動力性最大速度的多關節(jié)肌力測量，以求達到更準確地反映運動中肌肉工作模式的真實情況。等速肌力測試是在等速儀器提供的恒定速度與順應性阻力條件下，測量關節(jié)運動過程中任一點的肌肉力矩輸出值，同時還可獲得肌肉做功能力、爆發(fā)力及耐力等數(shù)據(jù)。但等速收縮方式只在人體某些特定運動方式下出現(xiàn)，用等速測量模式來評定人體其他收縮方式下的肌肉功能爭議較大[23-24]。在等速測試儀器上模擬出的等張收縮模式因受測試角速度（15～500°/s）的限制，只能達到人體最大生理反應速度的20%～30%，與實際運動中關節(jié)的運動速度相差甚遠[25-26]。等慣性測試是指受試者以爆發(fā)用力的形式執(zhí)行簡單運動來對抗身體或肢體的質(zhì)量慣性，以及外部附加質(zhì)量慣性的測量方法[22]。由于在肌肉的收縮與放松運動中，負荷量會因加速度、關節(jié)角度的改變而改變，因此等慣性測試可以更為準確地反映人體負重時肌肉的收縮與放松過程；尤其是在競技體育運動訓練和肌肉機能評定中，等慣性測評方法的使用更為普遍。等張與等慣性肌力測試的不同點在于等張測試條件下力或力矩固定不變[6，22]，而等慣性測試中質(zhì)量是保持不變的。等慣性、等張測試與等速測試相比，限制性因素較少，且兩者均為常見的動態(tài)測試，可用來評定個體執(zhí)行特定動作時的肌肉功能；由于兩者對測試速度與加速度兩因素沒有限制，所以兩種方法更貼近于現(xiàn)實情況。但等慣性測試由于受測試方法與常用儀器的影響，較難實現(xiàn)人體單關節(jié)肌群的精確固定，測試結果會受身體其他部位肌群機能代償作用的影響。BTE PrimusRS系統(tǒng)是一套神經(jīng)肌肉功能測評與訓練系統(tǒng)，它可模仿日常生活動作、三維功能性運動、多種工作任務操作動作及體育運動項目動作，完成測試評估、功能評價、康復訓練與工傷康復等多種模擬仿真功能。它配置了多種附件，可對受測部位進行合理的固定，測試角速度達4 500°/s，可設定向心/離心的等張測量模式模擬肌肉工作的真實狀態(tài)，對人體單關節(jié)肌群功率與肌耐力進行測評。

3.2 肌肉極限功率與肌耐力的測試參數(shù)設置

3.2.1 50 %等長峰值力矩的阻力設置標準以往研究證實，以IPT或等長峰值肌力（The Isometric Peak Strength，IPS）測試結果為依據(jù)，在一系列預負荷（IPT百分比值）阻力設置的測試中，等張阻力矩（預負荷設置）與測試系統(tǒng)角速度成線性關系[3]，且最大功率出現(xiàn)在阻力矩值與角速度值均達到其最大值的50%時。此現(xiàn)象在等速肌力測試中也常見報道，但此“阻力矩—角速度”線性關系的成因尚不清楚[2]。STAUBER等人曾以一位受試者的20種不同負荷與幾位受試者的12種負荷（代表20%～80% IPT）在等張測試系統(tǒng)上設置等張功率與肌耐力測試時的阻力矩來驗證此線性關系，結果發(fā)現(xiàn)測得的角速度值與此線性關系的預測值相一致[2]。RANDY等人在對21名大學生膝伸展肌群肌力的研究中也證實，50%IPT的阻力設置是受試者等張測量模式下完成膝90°ROM伸展運動中能克服的最大阻力[25]。BTEPrimusRS系統(tǒng)指南手冊中關于功率測試的標準方案也要求受試者在其50%IPS的阻力設置下進行測試[27]，其合理性已在多個實驗中得到證實。

IPS的確定必須經(jīng)過多次測試才能獲得。以往已有大量研究表明，取3次測試的平均值具有最高的重測信度與最低的時間變異性[28]。CHAFFIN曾在美國工業(yè)衛(wèi)生協(xié)會（American Industrial Hygiene Association，AIHA）發(fā)布的人體靜態(tài)力量評估工效學指南中報道過靜態(tài)力量測試中肌肉每次收縮的時間限制，為了對受試者的最大力量能力，即峰值力進行測試，2～3 s的持續(xù)時間較為充裕；當受試者達到IPS時，能觀察到肌肉的生理性震顫[7，29]。BTE PrimusRS系統(tǒng)默認的IPS測試時間為3 s。充分的間歇時間能使機體的能量物質(zhì)恢復，進而提高重測信度。Trossman和Li認為間歇時間至少1min[30]；然而，CHAFFIN認為間歇時間應從30 s到2 min不等，主要取決于測試時肌肉收縮時間的長度[29]。前面建議肌肉收縮時間少于4 s，因此需要較短的間歇時間。美國BTE國家數(shù)據(jù)庫實驗方案中把多次測試的間歇時間定為5 s，并證實可保證靜態(tài)力量測試的可靠性與有效性[6]。國內(nèi)外眾多研究證實，IPS測量更多的是采用標準的靜力性方式進行，可分為兩種，一種要求受試者緩慢、漸進式地用力，依次募集到較多的運動單位；另一種則要求受試者爆發(fā)式地快速用力，此種情況下除極少數(shù)運動單位未被動員外，絕大多數(shù)的肌纖維幾乎同時收縮產(chǎn)生力量峰值。兩種方法所得力量峰值與到達力量峰值的時間，以及單位時間內(nèi)力的增加幅度都有所差異[31]；爆發(fā)式一般高于非爆發(fā)式的靜力最大值[32]。為防止損傷的發(fā)生，BTEPrimusRS系統(tǒng)要求受試者緩慢勻速發(fā)力，發(fā)力時間相對較短，一旦達到最大作用力應立刻停止測試，以避免疲勞的出現(xiàn)。

3.2.2 等張極限功率測試的測試時間與間歇時間BTE PrimusRS系統(tǒng)關于IPP測試是一種受監(jiān)控的測試，要求受試者在10 s內(nèi)以其最快的速度移動通過測試動作的整個運動范圍，僅余一變量，即完成動作時的速度。馬里蘭大學的一項研究表明這是研究功率的最佳條件，因在此測試中人體疲勞的平均時間大約為8 s，10 s被認為是首選時間長度[6]。組間間歇15 s，此間歇時間能讓肌肉酸痛消除，疲勞恢復[2]。

3.2.3 等張極限肌耐力測試的動作幅度與動作頻率運用BTE PrimusRS系統(tǒng)進行IPE測試時，針對特定的工作要求或模擬動作需要特殊設定；確保除時間外其他變量的一致性，肌耐力可通過受試者輸出的工作量或活動的持續(xù)時間來量化。當對同一受試者的不同肢體進行比較時，阻力設置、運動幅度和動作頻率必須保持一致；必須以所測得的兩IPS或IPT中較小值作為阻力設置的依據(jù)，以測得的兩關節(jié)ROM中較小值為依據(jù)設定每次重復測量的ROM。動作頻率取決于附件的尺寸大小和/或完成一次重復測試所需的動作幅度。STAUBER等人在對28名女大學生膝關節(jié)伸展肌群疲勞測試時發(fā)現(xiàn)，測試動作合理的重復次數(shù)為15次循環(huán)，大部分受試者因疲勞和肌肉酸痛的原因很難再重復更多的次數(shù)；完成測試動作整個運動幅度的時間大約為1 s[2]，此頻率在運動訓練與康復訓練中也被推薦使用[25]。BTE PrimusRS系統(tǒng)規(guī)定附件運動幅度達到90°或90°以內(nèi)的測試，合理的頻率為60次/min；超過90°的測試，合理的頻率為30～40次/m in。

3.3 青年男性下肢單關節(jié)肌群極限功率與肌耐力的特征

等長肌力測量具有易于標準化、操作簡易、可重復性與安全性高等特點，但測定時要求關節(jié)角度固定，因此它僅能反映關節(jié)處于某一選定角度時的肌力情況。盧德明等人曾運用Cybex-6000等速測試系統(tǒng)完成多個關節(jié)角度下人體六大關節(jié)屈伸肌群等長收縮時的最大力矩測量，并繪制了峰力矩與關節(jié)角的關系曲線圖，對本研究IPT測定時的關節(jié)角度確定具有重要的指導意義[33]。本研究BTE PrimusRS系統(tǒng)IPT測量值與盧德明等人測量值間有明顯的差異[33]，這與兩測試系統(tǒng)的機械設計原理、測試方法、系統(tǒng)誤差及受測樣本間存在著較大的差異等因素有關，后期研究可采用同一樣本兩測試儀器同時測量的實驗來量化兩系統(tǒng)IPT測量值間的差異。

肌肉動態(tài)收縮會產(chǎn)生功率，功率被描述為單位時間內(nèi)的做功量，受力與速度的影響。短時間高強度活動后，肌肉功率與肌耐力的損失會導致運動成績的下降與損傷風險的增大。以往雖在跑步、跳躍、騎自行車等運動中已有最大輸出功率的測定方法，但有關健康人簡單運動中肌肉功率與肌耐力的測評卻極為罕見[34]。因此，未能找到相類似的研究提供可比對的數(shù)據(jù)。本研究關于中國青年男性下肢單關節(jié)肌群IPT、IPP、IPE測量結果表明：IPT測試值從大至小的順序為髖→膝→踝（P＜0．05）；而IPP測試值從大至小的順序為髖→（踝、膝）（P＜0．01），但膝與踝IPT間無顯著差異（P＞0．05）；IPE總功（J）、距離（deg）、時間（s）測量值從大至小的順序皆為髖→踝→膝，且總功（J）與距離（deg）顯著降低（P＜0．01）；時間（s）僅髖、踝與膝相比顯著降低（P＜0．01），但髖與踝無顯著差異（P＞0．05）。下肢單關節(jié)肌群IPT與IPP、IPE測量值大小順序間的顯著差異表明，靜態(tài)肌力與動態(tài)功率在用于反映肌肉功能能力時存在著較大的差異。另外，身體不同部位肌群的機能特征與其功能相適應，不同肌群的快慢肌纖維組成、執(zhí)行運動的骨杠桿機械力學效果，以及肌群間神經(jīng)肌肉的募集與協(xié)同工作方式等均會不同。因此，青年人下肢單關節(jié)肌群等張極限功率與肌耐力表現(xiàn)出不同的特征。

4 結論與建議

BTE PrimusRS系統(tǒng)能以向心/離心等張測量模式客觀、精確地評價人體下肢單關節(jié)肌群極限功率與肌耐力，合理的阻力矩設置為非爆發(fā)式靜力性測量模式下50%IPT。中國青年男性下肢髖伸、膝伸與踝跖屈肌群IPT、IPP、IPE的測量結果進一步完善了人體單關節(jié)肌群生物力學特征基礎參數(shù)庫。

建議下一步的研究可將BTE PrimusRS系統(tǒng)與表面肌電儀同步，對下肢單關節(jié)肌群極限功率與肌耐力測試中相應環(huán)節(jié)運動的角位移、角速度、扭矩等與功率或總功密切相關的參數(shù)進行實時監(jiān)控；并同時分析相應肌群表面肌電信號的變化特征，以探討神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的募集與協(xié)同工作方式；以明確人體單關節(jié)肌群極限功率與肌耐力的影響因素與變化特征。

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The M ethodology Research of Human Lower Limb Single-Joint Muscular Peak Power and Endurance w ith BTE PrimusRSSystem

SHIJipeng1，XU Hongqi1，ZHANG Xin2，YANG Fan2，RAN Linghua2，WANG Anli3，ZHENG Xiuyuan4
（1.School of PE，Northeast Normal University，Changchun 130024，China；2.Ergonomics Standardization Research Field，China National Institute of Standardization，Beijing 100088，China；3.Dept.of Sports Rehabilitation，Beijing Sport University，Beijing 100084，China；4. Division of Sports Science and PE，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

Objective：How to select the testmode and install the test parameters of peak power and endurance in human lower limb single-jointmuscles on BTE PrimusRSsystem were identified in the study，and the peak power and endurance level in the hip extensor，knee extensor and p lantar flexion muscles of the Chinese male youth were assessed.Methods：40 male undergraduate students were recruited for the study.In the mode of isotonic test on BTE PrimusRSsystem with the load resistance for 50%of the isometric peak torque（IPT）.IPT was given three trials under a non-explosively static mode，the test time is 3 secondswith a 5 second rest period between trials.The isotonic peak power（IPP）was also given three trials，the individual was asked to move through full range ofmotion as fastas he can for 10 seconds duration with a 15 seconds rest period between trials.Keeping the range ofmotion（90° or less than 90°）and pace（60 times/min）of the activity consistent，the subjects tried to continue until fatigue in the isotonic peak endurance（IPE）test. Results：In the test of peak power and endurance level in the hip extensor，knee extensor and p lantar flexionmuscles of the Chinesemale youth.IPT were 198.56（24.53），166.45（27.53），154.90（25.17）N·m.IPPwere 161.21（28.57），74.43（16.12），74.62（19.91）W.IPE total work were 6 460.69（2 521.18），1 407.28（456.93），2 259.56（771.88）J.Conclusion：In themode of isotonic test，BTEPrimusRSsystem can precisely evaluate the peak power and endurance level in human lower limb single-jointmuscles，The load resistance is 50%IPT from the isometric test under a non-explosively staticmode. The peak power and endurance level in the hip extensor，knee extensor and plantar flexion muscles of the Chinese male youth can consummate the basic biomechanical characteristics parameter database of human single-jointmuscle group.

power；isotonic test；isometric peak torque（IPT）；isotonic peak power（IPP）；isotonic peak endurance（IPE）

G 804.6

A

1005-0000（2012）02-0162-06

2011-11-02；

2011-12-15；錄用日期：2011-12-25

中央基本科研業(yè)務費支持項目（項目編號：52096S-1827）

史冀鵬（1975-），女，天津薊縣人，博士，講師，研究方向為運動生理學。

1.東北師范大學體育學院，吉林長春130024；2中國標準化研究院人類工效學標準化研究中心，北京100088；3.北京體育大學運動康復系，北京100084；4.清華大學體育部，北京100084。