肌肉加壓訓(xùn)練環(huán)境下的表面肌電信號特征研究

張卓遠，賈 誼

肌肉作為人體運動的動力器官，是人體運動系統(tǒng)中重要的組成部分。而肌肉體積是影響肌肉力量大小的重要因素。人在30歲之后，人體的肌肉形態(tài)以及功能會逐漸衰退[1]，因此需要不斷地訓(xùn)練才能維持。目前所知，抗阻訓(xùn)練是促進肌肉體積和力量增長的有效手段。在傳統(tǒng)抗阻訓(xùn)練中，一般多采用65% ～85%1RM的強度進行練習(xí)[2]，這種訓(xùn)練強度對運動員的心血管系統(tǒng)、肌肉以及關(guān)節(jié)的負擔(dān)較大，極其容易產(chǎn)生疲勞帶來傷病。近年來，加壓訓(xùn)練(KAATSU training)在運動訓(xùn)練、康復(fù)醫(yī)療以及健康等領(lǐng)域得到很大的推廣和普及，它可以在低強度(20% ～30%1RM)負荷條件下，起到刺激肌肉增長、提高肌肉力量的作用[3]。目前有關(guān)加壓訓(xùn)練結(jié)合傳統(tǒng)抗阻訓(xùn)練以及加壓訓(xùn)練對肌肉形態(tài)、身體機能的研究較多，但是加壓訓(xùn)練結(jié)合表面肌電的研究較少，且鮮有關(guān)于探索在抗阻訓(xùn)練中適宜的加壓強度和負重負荷的相關(guān)研究。因此，本研究皆在探索抗阻訓(xùn)練中適宜的加壓強度和負重負荷。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

募集高校男子運動員16名作為受試者。受試者測試前均無運動損傷、心血管疾病、皮膚過敏等情況。每位受試者至少進行1次預(yù)實驗，熟悉實驗流程、測試內(nèi)容以及注意事項。所有受試者均自愿參加本次實驗。運動員基本信息見表1。

表1 受試者基本情況

1.2 研究方法

1.2.1 整體實驗設(shè)計本研究采用加壓強度和負重負荷雙因素實驗設(shè)計，其中加壓強度選取250mmHg、300mmHg、350mmHg 三種，負重負荷選取0%1RM、30%1RM、75%1RM三種。一種加壓強度對應(yīng)三種負荷，分別進行離心與向心兩個動作。每個動作進行三次測試，記錄相關(guān)肌電指標(biāo)。

測試過程中每一位受試者分別進行不同加壓強度、不同負重負荷的離心訓(xùn)練與向心訓(xùn)練。一種加壓強度對應(yīng)三種負重負荷，同時包含兩個動作，即三種加壓強度共有18個不同加壓強度、負重負荷的動作。為了避免測試時，前面的測試項目影響后面項目的測試效果，每個人的測試順序以抽簽的形式?jīng)Q定。每名受試者總共進行三次測試完成整個實驗。采用表面肌電技術(shù)，記錄深蹲過程中兩個階段下肢不同肌肉的肌電數(shù)據(jù)。實驗均以受試者右腿進行加壓綁帶。

圖1 血流限制綁帶和肌電貼片位置

1.2.2 血流限制訓(xùn)練方法加壓訓(xùn)練是由日本的佐藤儀昭博士在跪坐中由于腿部受到壓迫后造成發(fā)麻，進而引發(fā)“在力量訓(xùn)練中通過人為的方式對肢體帶來額外的壓力，來限制肢體的血流量，可能會利于增加某一負荷對身體的刺激深度導(dǎo)致肌肉快速增大”的設(shè)想。因加壓的目的是閉塞血管以限制肢體的靜脈血流量(blood flow restricted，BFR)，所以該訓(xùn)練方法也被稱為“血流限制訓(xùn)練”(blood flow restricted training，BFRT)。加壓力量訓(xùn)練通常采用可量化壓力的特制彈性充氣袖帶和尼龍充氣袖帶對肢體給予適當(dāng)?shù)膲毫σ韵拗七h端的血流量，并結(jié)合某種運動形式(專項訓(xùn)練、康復(fù)訓(xùn)練、有氧訓(xùn)練等)進行訓(xùn)練[4，5]，適用于高水平運動員、傷后康復(fù)人群、特殊疾病人群以及中老年人群等[6]。本實驗所采用的加壓設(shè)備為B STRONG品牌加壓訓(xùn)練帶(配圖見圖2)。本產(chǎn)品具有設(shè)計精密，方便、耐用等特點，在競技體育領(lǐng)域有極高的認可度。本器材由加壓泵和壓力帶組成，調(diào)節(jié)方式是魔術(shù)貼。加壓部位為受試者大腿根部位置。

圖2 加壓訓(xùn)練設(shè)備

1.2.3 深蹲最大力量測試測試前一周首先對受試者的深蹲最大力量(1RM)進行測試。根據(jù)運動員的體重、力量決定初始重量，每次測試組數(shù)大約在6～8組，每組遞增負荷在10～20kg。根據(jù)完成情況增減重量5% ～10%，再進行一次深蹲，最終測出受試者杠鈴深蹲1RM重量。動作要求:受試者雙手握杠鈴至于肩上，目視前方，兩腳與肩同寬，腳尖略向外站立，膝關(guān)節(jié)的朝向與腳尖相同;保持腰背挺直，下蹲時髖關(guān)節(jié)低于膝關(guān)節(jié)至90度，大腿與地面平行，然后將杠鈴自行抬起至身體站直。

1.2.4 表面肌電測試在熱身結(jié)束后進行肌電測試。實驗采用美國Delsys表面肌電采集分析系統(tǒng)，無需電極片，內(nèi)置三軸加速度傳感器。與系統(tǒng)配套軟件為EMGworks Analysis，包括數(shù)據(jù)采集與分析兩個模塊，可以分別完成肌電信號的采集與處理工作。根據(jù)深蹲動作的基本特征，本次實驗選取股直肌、股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌、股二頭肌和腓腸肌進行測試。根據(jù)解剖學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，選定傳感器安放位置。在粘貼前進行皮膚清潔處理并刮去附近的毛發(fā)，用酒精棉擦拭皮膚區(qū)域，以降低皮膚阻抗，保證傳感器良好附著。受試者準(zhǔn)備好后聽取操控者發(fā)出指令開始蹲起動作。每個動作測試三次，分開采集每次的肌電信號。蹲起的節(jié)奏要求受試者控制在4～5秒內(nèi)完成。每做完一個動作之后受試者進行休息，隨后進行加壓強度和負重負荷的調(diào)整，繼續(xù)下一個動作的測試。本實驗選取均方根振幅(root mean square RMS)反映肌肉放電量大小，在原始數(shù)據(jù)上截取肌肉用力的范圍，并計算RMS最大值，之后導(dǎo)入Excel進行分析。受試者完成深蹲后，記錄下肢5塊肌肉的肌電圖，通過截取肌電圖計算相關(guān)參數(shù)來探討不同壓力及負荷對下肢肌肉激活的差異，找出引起肌肉最大激活的壓力及負荷范圍。

表2 肌電數(shù)據(jù)采集方案設(shè)計

1.3 實驗器材及設(shè)備

B Strong血流限制訓(xùn)練帶、Delsys表面肌電采集分析系統(tǒng)、筆記本電腦、醫(yī)用酒精、醫(yī)用棉棒等。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法與統(tǒng)計學(xué)分析

使用Excel軟件對所有數(shù)據(jù)進行編輯整理，采用SPSS26.0統(tǒng)計學(xué)軟件進行統(tǒng)計分析，采用單次測量雙因素(壓力負荷)、(壓力動作形式)方差分析法進行差異性檢驗;組間壓力比較使用配對t檢驗;組間壓力比較使用LSD法。所有數(shù)值都表示為平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差，顯著性水平取0.05，P＜0.05表示有顯著性差異，P＜0.01有非常顯著性差異。

2 研究結(jié)果

2.1 不同壓力與負荷對肌電信號的交互影響

表3 不同壓力刺激結(jié)合負重負荷對下肢肌肉均方根振幅影響(μν)

由表4雙因素方差分析結(jié)果可知，壓力對于肌肉均方根振幅不具有顯著性影響(P＞0.05)，負荷對肌肉均方根振幅具有非常顯著性影響(P＜0.01)。而壓力和負荷對股直肌均方根振幅的交互作用具有顯著性影響(P＜0.05)。由此可見，負荷是影響肌肉激活程度大小的主要因素，并且股直肌在負荷的基礎(chǔ)上介入壓力對肌肉激活有顯著效果，而其他肌肉均無明顯作用。

表4 壓力和負荷對下肢肌肉均方根振幅影響的雙因素方差分析結(jié)果

表5是一名受試者在各組深蹲運動中股直肌原始肌電圖?？梢钥闯?，這名受試者在進行不同壓力和負荷下的運動時肌電振幅的差異。

表5 一名受試者全部組合深蹲運動中股直肌原始肌電圖

2.2 不同壓力與動作形式對肌電信號的交互影響

由表6雙因素方差分析結(jié)果可知，壓力對于肌肉均方根振幅不具有顯著性影響(P＞0.05)，動作形式對股直肌均方根振幅有顯著性影響(P＜0.05)，對股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌具有非常顯著性影響(P＜0.01)。壓力和動作形式對所測肌肉肌電的交互作用均無顯著性影響(P＞0.05)。因此，動作形式是影響肌肉激活程度大小的主要因素。

表6 壓力和動作形式對下肢肌肉均方根振幅的雙因素方差分析結(jié)果

2.3 加壓強度對向心階段下肢肌肉激活的影響

由圖3可知，對不同組合下向心階段的肌電數(shù)據(jù)進行整體統(tǒng)計，從整體運動中肌肉的肌電信號變化情況來看:與無負重相比，股直肌RMS在負重30%1RM情況下250mmHg和350mmHg出現(xiàn)增大(P＜0.01)，負重75%1RM情況下250mmHg和350mmHg出現(xiàn)增大(P＜0.01);股外側(cè)肌RMS在負重30%1RM情況下350mmHg出現(xiàn)增大(P＜0.01)，負重 75%1RM情況下 250mmHg和300mmHg出現(xiàn)增大(P＜0.05);股內(nèi)側(cè)肌RMS在負重30%1RM時250mmHg出現(xiàn)增大(P＜0.05)，負重75%1RM時250mmHg和300mmHg出現(xiàn)增大(P＜0.01);股二頭肌RMS在負重75%1RM時，250mmHg、300mmHg以及350mmHg均出現(xiàn)增大(P＜0.01)，腓腸肌 RMS在負重 75%1RM時，300mmHg和350mmHg均出現(xiàn)增大(P＜0.01)。

圖3 向心階段各肌肉均方根振幅測試結(jié)果

圖4 加壓與非加壓對深蹲運動中股直肌RMS影響

在三種壓力中，股直肌RMS在負重75%1RM時，300mmHg大于負重30%1RM(P＜0.05);股外側(cè)肌 RMS在負重 75%1RM時，300mmHg和350mmHg均大于負重30%1RM(P＜0.01);股內(nèi)側(cè)肌RMS在負重75%1RM時，350mmHg大于負重30%1RM(P＜0.05);股二頭肌以及腓腸肌RMS在負重75%1RM時，250mmHg和300mmHg均大于負重30%1RM(P＜0.01)。

2.4 加壓與非加壓對股直肌激活程度的影響

從LSD多重比較結(jié)果可以看出，在75%1RM負荷的刺激下，250mmHg和300mmHg壓力之間不具有顯著性差異，所以250mmHg～300mmHg結(jié)合75%1RM負荷刺激有助于加壓訓(xùn)練以及抗阻訓(xùn)練過程中提高肌肉激活程度，進而提升訓(xùn)練效率。

表7 股直肌加壓與非加壓時不同壓力之間LSD多重比較結(jié)果(P值)

3 分析與討論

RMS是反映肌電信號幅值大小變化的指標(biāo)。在運動過程中肌肉放電量增強，RMS越大，說明肌纖維的募集程度就越高[7]。本研究通過不斷增加加壓強度，發(fā)現(xiàn)下肢肌肉均方根振幅的反應(yīng)無明顯變化，其增長和下降的幅度也不一致。

加壓訓(xùn)練中引起肌肉激活的最佳施加壓力范圍方面有著不同的研究觀點。不適當(dāng)?shù)募訅菏羌訅河?xùn)練造成相應(yīng)風(fēng)險以及影響訓(xùn)練效果的主要原因之一，因此，選擇合適的加壓壓力對于加壓訓(xùn)練的安全以及效果十分重要[8]。以往研究中加壓訓(xùn)練采用肱動脈收縮壓或者完全閉塞動脈血流壓力的百分比來確定最佳外部壓力的大小[9]，而近年來采用基于根據(jù)個人大腿圍所推斷出的動脈閉塞壓計算出來的動脈閉塞壓百分比(%AOP)得到了更多的應(yīng)用和普及[10]。李志遠[11]對男子手球運動員進行負重30%1RM的深蹲練習(xí)，分別完成無加壓、40%動脈閉塞壓(AOP)、50%AOP和60%AOP四種加壓方式。結(jié)果表明50%AOP施壓可以顯著提高股四頭肌和股后肌群的激活程度，產(chǎn)生更佳訓(xùn)練效果。Yasuda等[12]對受試者進行 20%1RM的加壓屈肘練習(xí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)147～160mmHg之間能夠引起肱二頭肌最大程度激活，能夠在無不適感的同時募集更多肌纖維參與運動。而Counts等[13]采用40% ～90%AOP范圍進行加壓屈肘練習(xí)，觀察不同壓力刺激下對肱二頭肌的激活程度。結(jié)果表明肌肉激活程度不受外部壓力的影響，壓力的高低產(chǎn)生的效果并無差異，但是較高的壓力會帶來額外的不適感。因此可以看出采用低中強度的壓力能夠在不產(chǎn)生不適感的同時提升訓(xùn)練效果。趙澤銘[14]選取 150mmHg、200mmHg、250mmHg 以及300mmHg四種不同的壓力值并觀察結(jié)合30%1RM對下肢肌肉的影響。結(jié)果表明200mmHg～250mmHg的壓力值可以得到較好的訓(xùn)練效果。Sumide等[15]發(fā)現(xiàn)20%1RM的負荷刺激的等速伸膝練習(xí)，結(jié)合50～150mmHg的壓力范圍能夠有效增加股四頭肌的力量和肌肉耐力，而肌肉力量的增加可以間接反映出肌纖維募集水平的提高。Loenneke等[16]通過分析動脈閉塞壓百分比推算出的外部壓力相對值發(fā)現(xiàn)，在加壓等速膝伸展練習(xí)中，40%～50%AOP之間的范圍能夠提高肌肉的激活效果，而更高的壓力則無明顯變化。

本研究結(jié)果顯示250mmHg～300mmHg的壓力范圍更有利于提升肌肉激活程度，可應(yīng)用在成年男性抗阻力量訓(xùn)練當(dāng)中，進而提升訓(xùn)練效率，這與前人的研究結(jié)果相類似[17]。研究中當(dāng)壓力達到350mmHg時所測肌肉均方根振幅出現(xiàn)下降，可能是由于壓力過大導(dǎo)致肌肉內(nèi)環(huán)境變化過大，神經(jīng)敏感度降低進而影響了神經(jīng)對肌肉的控制，減少了運動單位募集所導(dǎo)致的。其次由于本實驗采用單次測量法進行測量而并非組數(shù)測量，訓(xùn)練過程中無法募集更多的肌纖維導(dǎo)致均方根振幅無十分明顯的變化。

實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)下肢所測肌肉均方根振幅(RMS)隨著負荷的增加產(chǎn)生明顯變化，這表明負荷對肌電信號能夠產(chǎn)生積極顯著的作用。然而實驗中每塊肌肉均方根振幅的變化情況是不同的，這說明同一種刺激下針對不同肌肉的激活效果有所差異。從圖3可見:股二頭肌在負重75%1RM時，當(dāng)壓力達到350mmHg后均方根振幅出現(xiàn)下降。這就表明不同壓力結(jié)合負荷刺激對下肢肌肉激活程度是不同的，適宜的刺激以及運動強度才能夠進一步提升肌肉的激活效果，相反則起不到或者阻礙肌肉的激活程度。說明加壓強度結(jié)合負重刺激對肌肉的影響具有差異性，針對不同部位的肌肉需要采用更加適宜的刺激方式。覃倩[18]通過加壓訓(xùn)練結(jié)合振動訓(xùn)練，選取250mmHg壓力以及30Hz的刺激進行30%1RM的深蹲練習(xí)。研究表明實驗后加壓振動組、加壓訓(xùn)練組以及振動訓(xùn)練組均方根振幅、積分肌電和中位頻率較實驗前顯著提升。王夢婷[19]采用40%AOP、60%AOP 以及80%AOP 結(jié)合30%1RM進行抗阻訓(xùn)練，發(fā)現(xiàn)60%AOP壓力下男性股內(nèi)側(cè)肌RMS、女性股直肌RMS均顯著增加，其余各組無顯著差異。陳科奕[20]對受試者進行上肢90mmHg、下肢120mmHg結(jié)合25%1RM的坐姿伸膝、臥推和站姿腿伸展三個動作測試，實驗后發(fā)現(xiàn)實驗組所測肌肉均方根振幅發(fā)生明顯變化，加壓訓(xùn)練結(jié)合低強度抗阻訓(xùn)練能夠有效提升肌肉激活程度。因此，在設(shè)計加壓訓(xùn)練方案的同時，要考慮不同壓力和負荷對身體不同部位肌肉會產(chǎn)生不同的作用效果，并且采用適宜的加壓強度和負重負荷才能產(chǎn)生積極適應(yīng)性反應(yīng)。

4 結(jié)論

正常成年男性在進行深蹲加壓力量訓(xùn)練時，采用壓力值以250mmHg～300mmHg之間為宜，同時結(jié)合75%1RM的刺激更有利于提高下肢肌肉激活程度，產(chǎn)生更佳訓(xùn)練效果。