振动频率和负荷重量对半蹲起大腿肌群表面肌电活动的影响

袁 艳，吴贻刚，苏彦炬，李玉章

振动频率和负荷重量对半蹲起大腿肌群表面肌电活动的影响

袁 艳1，2，吴贻刚1，苏彦炬3，李玉章1

附加振动刺激的负重半蹲运动成为一种新兴的下肢力量训练手段，但是，负重半蹲运动中附加不同频率的振动刺激对下肢肌肉的激活特征研究较少。以10名健康男性大学生在不附加振动、分别附加频率为30、40、50 Hz共计4种振动刺激条件以及无负重和负重30%最大力量两种负荷条件下完成10次半蹲起的大腿表面肌电活动特征进行研究。实验结果经双因素方差分析，振动刺激对所有被检肌肉肌电均方根值（EMGrms）有显著影响（P＜0.05），负重对股直肌、股内侧肌和股外侧肌EMGrms有极显著性影响（P＜0.01），对股二头肌和半腱肌无显著影响；振动刺激和负重对各被检测肌肉肌电交互作用不显著。多重比较表明，50 Hz的振动频率可以显著提高被检肌群的EMGrms。结论：30%1RM负重可以提高股直肌、股内侧肌和股外侧肌的肌肉激活，但不能增加股二头肌和半腱肌的肌肉激活。无论是否负重，半蹲起练习时附加振动频率为50 Hz的振动刺激可以显著增加大腿肌肉激活（P＜0.05）。

全身振动训练；振动频率；表面肌电；大腿肌肉；肌肉激活；垂直振动

全身振动力量训练主要针对专门腿部力量进行训练，运动员脚部接受振动刺激，比较符合绝大多数运动项目的动作技术特点和发力要求［15］。近十年，国内、外诸多研究集中在全身振动训练对最大力量、快速力量、力量耐力训练效果的影响方面［6，12－14，24］，振动刺激引起肌肉力量变化机制的研究较少。振动刺激可以引起梭外肌长度改变，通过肌梭内的感觉神经末梢Ⅰa传入改变单个运动单位的活动［17］。表面肌电信号是肌肉中许多运动单位动作电位在时间和空间上的叠加［8］，通过表面肌电的时域分析可以反映肌肉激活特征。

通过表面肌电观察附加振动刺激对肌肉激活的影响研究，目前国内、外多见于无负重的力量训练中［2，3，16，19，21］，对于动态、负重力量训练中附加振动刺激的肌肉激活变化的研究较少。半蹲起是常用的训练下肢力量的手段。近年来，国内下肢振动训练形式多采用负重半蹲起［4，6，7，12－14，24］，在动态半蹲运动中附加振动刺激对大腿肌肉激活会产生怎样的影响，轻负荷负重对肌肉的激活水平影响程度如何，振动刺激和轻负荷负重对肌肉激活影响的交互作用是否显著，这些问题的研究可以进一步完善振动训练的机制，并对运动实践有指导价值。

振动分为周期性振动和非周期性振动。目前，用于训练的振动主要是周期性振动中的简谐振动。振动频率和振幅是影响振动训练强度的主要参数。振幅一般指波峰离开平衡位置的最大距离，也称半振幅［6］。振幅大离心作用大，离心速度快，则Ⅰa兴奋程度越高。目前，用于训练的振动仪大多振幅值固定不可以调节。振动频率指单位时间内振动的次数，不同的振动频率引起肌肉激活的程度不同，振动频率的选择通常会影响训练的效果。不同频率的振动刺激对负重半蹲起运动的肌肉表面肌电变化的差异研究未见报道。因此，本研究以表面肌电为观测指标，以半蹲起运动中大腿肌群的神经激活变化为观察对象，探讨不同振动频率刺激对其影响，比较无负重和轻负荷负重对其影响。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

上海体育学院10名男性大学生，平均年龄20.3±1.6岁；平均身高173.5±5.3 cm；平均体重69.6±6.5 kg。受试者下肢均无关节肌肉损伤、无心血管疾病、无皮肤过敏等振动训练禁忌症。

1.2 实验地点与实验器材

实验于2011年12月在上海体育学院完成。振动训练仪为台湾期美公司生产，型号ZenPro TVR-5930，振动模式为垂直振动，振幅2 mm。表面肌电测试采用美国Noraxon公司生产的无线肌电遥测系统，该系统硬件采用前置放大器，本身具有无陷波（50／60 Hz）滤波器，基线噪音＜1 μVrms，输入阻抗＞100 MΩ，采样频率为1 000 Hz。表面电极片采用上海励图医疗设备有限公司生产的银／氯化银一次性使用电极片。关节角度控制采用美国Noraxon公司生产的Biometric角度信号采集系统。同时，采用Panasonic数码摄像机（型号为NV-GS400）通过USB线与肌电遥测系统实施同步（30 Hz）采集。杠铃和杠铃片1套。笔记本2台。

1.3 实验设计

本研究采用双因素（是否负重和振动频率）实验设计，其中，是否负重分为无负重和负重30%最大力量2种；振动频率分为0 Hz（不振动）、30 Hz、40 Hz和50 Hz 4种。

1.3.1 半蹲起动作要领的确定

被试站立于振动台上，双目平视，脚趾向前，下蹲至膝关节角度120°后，快速蹲起，蹲起要求髋、膝同时伸展，最后有提踵动作（踝关节跖屈）。关节角度计测定并监控运动中被试关节角度，用于口头提醒被试。被试通过多次练习熟悉并掌握动作要领后开始正式实验。

1.3.2 肌电电极片的贴放部位与要求

选取右侧大腿的股直肌、股内侧肌、股外侧肌、股二头肌和半腱肌为测试肌群。依据The ABC of EMG［20］安放电极，安放前对皮肤进行清洁，刮除汗毛，用砂纸清除皮肤角质，再用75%的酒精擦拭，去除皮肤表面的油脂。表面电极片安放于肌肉肌腹最高处，顺着肌纤维的走向贴放，两电极片中心点相距2 cm。采用肌电仪配套绷带对电极和放大器进行固定，避免因振动引起的干扰。

1.3.3 动作节奏的控制

通过预试验，确定半蹲起的动作节奏为3 s／次，被试完成半蹲起运动过程中，前方放置1台笔记本电脑，每3 s播放下蹲幻灯片1张，被试根据幻灯片的提示掌握半蹲起节奏。

1.3.4 实验过程

被试最大力量采用1 RM测试，测试方法参考《ACSM的运动测试与处方指导手册》第六版［18］。在进行1 RM的测试后72 h进行肌电测试实验。被试进行15 min准备活动后，告知实验流程并安放好电极片进行最大静力收缩（MVC，Maximum Voluntary Contraction）测试。测试具体方法［20］：1）被试坐在椅子上，背部紧靠椅背，双脚自然下垂并悬空，双臂自然置于体侧。躯干与大腿成90°，右侧大腿与小腿约为90°时尽最大力量伸膝关节，同时测试人员在被试脚踝上端施加阻力使其固定，对抗伸膝力量，记录股直肌、股内侧肌和股外侧肌肌电信号。2）被试俯卧于软垫上，双手自然放于身体两侧，右侧膝关节弯曲，小腿与水平面角度约20°并尽最大力量屈膝，同时测试人员于踝关节上端施加阻力使其固定对抗屈膝力量，记录股二头肌和半腱肌肌电。每次测定过程中要求被试缓慢增加用力，3 s后达到最大力量并持续最大用力5 s，肌肉缓慢放松3 s到安静状态。测试均做2次，每次间隔1 min。

休息5 min后，被试站立于振动台上，安放关节角度计于右膝关节，两脚开立略宽于肩，标记第一次站立位置，要求每组测试时，站立于标记位置。在振动台上进行半蹲练习，熟悉并掌握动作要领。被试无负重在振动台上完成4组半蹲起，每组10次，组间休息3 min。4组控制条件依次：1）不附加振动刺激；2）附加频率为30 Hz的振动刺激；3）附加频率为40 Hz的振动刺激；4）附加振动频率为50 Hz的振动刺激。休息5 min后，被试站立于振动台上，以负重30%1 RM负荷完成4组相同控制条件的半蹲起，组间休息5 min。下蹲起完成过程中进行同步摄像，肌电的采集信号与视频同时储存。

1.3.5 振动台是否干扰肌电测试

肌电测试当日，被试肌肉放松静坐于振动仪旁，采集表面肌电信号10 s。开启振动训练仪频率依次调试到30、40、50 Hz，每个刺激频率采集表面肌电信号10 s。分别计算各次测试肌电的EMGrms值并进行多重比较分析，结果显示各组间均无显著性差异，由此证明振动仪器本身及其频率调节对表面肌电均不产生显著影响。

1.4 肌电数据处理与统计分析

根据实验同步录像，选取第2次下蹲开始到第10次下蹲开始（8个下蹲起周期）共计24 s的肌电图。采用MyoResearch XP 1.07 Master Edition仪器配套分析软件对原始肌电数据进行整流、滤波、平滑和标准化处理，进行EMGrms计算。肌电的标准化采用肌肉EMGrms除以MVC测试2次中的较大EMGrms再乘以100，表示为EMGrms（%MVC）。

运用SPSS 17.0统计软件进行统计分析，经检验数据符合正态分布且具有方差齐性。采用双因素方差分析考察振动刺激和负重在各肌肉激活上的效应。之后，采用LSD法进行均值多重比较，分析不同频率的振动刺激之间的差异。

2 结果与分析

2.1 振动刺激和负重对半蹲起运动中大腿肌群肌电影响

肌电均方根振幅（RMS）反映一定时间内的肌肉放电平均水平，被认为与运动单位募集的数量和肌纤维放电的同步化有关，因此，被用来测量肌肉活动的时间，判断肌肉活动的开始和停止时间，以及估计肌肉产生肌力的大小［8］。在半蹲起运动中，振动刺激和负重对大腿肌群EMGrms（%MVC）的影响结果见表1。由表2可知，经双因素方差分析，振动刺激对所测肌肉EMGrms（%MVC）均有显著性影响（P＜0.05）；负重对股直肌、股外侧肌和股内侧肌EMGrms（%MVC）有非常显著性影响（P＜0.01），但对股二头肌、半腱肌无显著性影响（P＞0.05）；振动刺激和负重对所测肌肉肌电的交互作用均不显著（P＞0.05）。因此，振动刺激可以显著增加股直肌、股内侧肌、股外侧肌、股二头肌和半腱肌的肌肉激活；负重可以极显著增加股直肌、股外侧肌和股内侧肌肌肉激活，但对股二头肌、半腱肌肌肉激活无显著影响；振动刺激和负重的交互作用对各被检测肌肉的激活影响均无显著性。

表1 本研究振动刺激和负重对半蹲起运动中大腿肌群EMGrms（%MVC）影响一览表 （n＝10）Table 1 Summary Data of the EMGrms（%MVC）of Thigh for Load and Unloaded Dynamic Squats during Different Vibration Frequencies

表2 本研究振动和负重对大腿肌群EMGrms（%MVC）影响的双因素方差分析结果一览表Table 2 Two-factor Analysis of Variance of EMGrms（%MVC）of Thigh for Load and Unloaded Dynamic Squats during Different Vibration Frequencies （n＝10）

振动刺激引起肌肉肌电增加的生理学机制为：振动刺激使梭外肌长度发生改变，通过肌梭内的感觉神经末梢Ⅰa传入改变了单个运动单位的活动，表面肌电振幅表现为增加，这种反应类似于振动性张力反射（Tonic vibration reflex）［17］。振动性张力反射是指振动刺激局部作用于肌肉和肌腱所引起的肌肉不随意反射性收缩［9］。振动刺激还可能刺激皮肤和关节感受器产生兴奋，兴奋传入到γ运动系统，增加了肌梭的敏感性和反应能力［17，23］。Martin［22］的研究表明，肌肉激活水平提高后附加振动刺激，可以增加Ⅰa传入神经的敏感性。本研究结果显示，负重可以提高股直肌、股外侧肌和股内侧肌肌肉激活水平，但是本研究双因素方差分析结果表明，负重和振动刺激交互作用不显著。这可能提示，振动训练时附加30%1 RM的重量可能不能增加Ⅰa传入神经的敏感性。更大的负重负荷是否能够增加Ⅰa传入神经的敏感性还有待于进一步的研究。从生物力学的角度看，力等于质量乘以加速度。振动刺激增加了身体加速度，负重增加了质量，它们都可以导致身体运动的阻力增加。在完成半蹲起运动中，股直肌、股外侧肌和股内侧肌作为伸膝关节的主动肌必须产生更大的力量对抗阻力。虽然肌电不能直接估量力量的大小，但是，肌电的增加可以反映对抗负荷力量的增加。本实验结果显示，股直肌、股外侧肌和股内侧肌的肌电振幅增加，这反映了股直肌、股外侧肌和股内侧肌产生的力量增加。

2.2 不同频率振动刺激对半蹲起练习中大腿肌群的影响

2.2.1 不同频率振动刺激对股直肌、股外侧肌和股内侧肌肌电的影响

由图1～3可知，随着振动频率和负重条件的改变，股直肌、股外侧肌和股内侧肌呈现较为相似的变化，多重比较结果显示，在无负重条件下，振动频率为50 Hz振动刺激与不振动时肌电比较，股直肌肌电有极显著性差异，股外侧肌和股内侧肌肌电有显著性差异。其他频率振动刺激与不振动比较，肌电虽然有增加，但差异不显著。在负重条件下，频率为50 Hz与不振动时股直肌、肌外侧肌和股内侧肌肌电比较有显著性差异，负重条件下频率为30 Hz和频率为50 Hz肌电比较，股直肌肌电有显著性差异。

图1 本研究不同频率振动刺激对股直肌肌电影响比较示意图Figure 1. Comparison of the EMGrms（%MVC）of Rectus Femoris during Different Vibration Frequencies

本研究结果表明，无论是否负重，随着振动频率的增加，股直肌、股外侧肌和股内侧肌肌电激活呈增加趋势，在50 Hz振动刺激中出现显著性差异。目前，全身振动训练仪的频率调节范围在0～50 Hz之间，不同的刺激频率产生的训练效果不同。刘北湘（2011）［5］研究表明，在膝关节伸肌群最大肌力训练中（10 RM）采用振动频率在15～45 Hz多维振动，随着振动频率的增加，训练效果有明显增加的趋势。任满迎（2008）［10］研究表明，45 Hz垂直振动刺激对运动员蹲跳（SJ）和下蹲跳（CMJ）两种模式的纵跳能力的训练效果显著高于30 Hz，原因可能是不同的振动频率对肌肉激活的程度不同，但这两项研究均没有进行肌电的观察。Mester（2003）［1］通过肌电测试与分析表明，股四头肌激活随振动频率（5、10、15、20、25 Hz）的增加而增加，与本研究结果较为一致，可能的机制为振动刺激导致的肌电激活的增加和运动单位同步化程度依赖于振动频率，振动频率在100 Hz以下，肌梭的初级感觉末梢（Ⅰa类纤维）能够按1∶1做出同步性反应［22］。在此范围内振动频率增加，Ⅰa类纤维兴奋性增加，传入冲动的数量和频率相应增加，导致运动神经元去极化增加，阈值更高的运动单位被募集，动员的运动单位增加，表面肌电信号增加。然而，Cardinale（2003）［17］研究观察了30、40、50 Hz不同振动频率时的EMGrms，结果表明，30 Hz振动对股外侧肌的EMGrms最大，且显著高于其他振动频率。该研究的振动刺激振幅为10 mm，振动时间为60 s，与本研究和Martin［22］研究相比，振幅大、振动时间长，当振动频率由30 Hz增加到40 Hz或50 Hz时，来自于皮肤、关节和次级神经末梢的传入调节对γ系统的易化作用逐渐减退［17］。这使Ⅰa类纤维传入兴奋性下降，Ⅰa类纤维应答减弱，导致运动神经元同步化衰减，运动单位的募集下降，表面肌电信号减弱。

图2 本研究不同频率振动刺激对股外侧肌肌电影响比较示意图Figure 2. Comparison of the EMGrms（%MVC）of Vastus Lateralis during Different Vibration Frequencies

图3 本研究不同频率振动刺激对股内侧肌肌电影响比较示意图Figure 3. Comparison of the EMGrms（%MVC）of Vastus Medialis during Different Vibration Frequencies

由以上分析可见，振幅和振动时间不同，振动频率与肌电激活的关系可能不相同，在振动训练频率选择时应该同时考虑振幅因素。本研究结果表明，在振幅为2 mm的垂直振动模式条件下，频率为50 Hz的振动刺激对于无论是负重还是无负重的半蹲起运动，都显著增加了股直肌、股外侧肌和股内侧肌激活，这为振动训练振动频率的选择提供了实践指导。

2.2.2 不同频率振动刺激对股二头肌和半腱肌肌电影响

图4 本研究不同频率振动刺激对股二头肌肌电影响比较示意图Figure 4. Comparison of the EMGrms（%MVC）of Biceps Femoris during Different Vibration Frequencies

图5 本研究不同频率振动刺激对半腱肌肌电影响比较示意图Figure 5. Comparison of the EMGrms（%MVC）of Semitendinosus during Different Vibration Frequencies

由图4、图5可知，随着振动频率和负重条件的改变，股二头肌和半腱肌肌电呈现较为一致的变化，多重比较结果显示，在无负重条件下，振动频率为50 Hz与不振动比较，股二头肌和半腱肌肌电有显著性差异，其他频率振动刺激肌电虽然有增加，但差异不显著；在负重条件下，频率为50 Hz与不振动比较股二头肌和半腱肌肌电有显著性差异。研究结果与Mester（2003）［1］肌电观测股二头肌激活变化趋势相一致。

股二头肌和半腱肌是大腿后侧肌肉，是股四头肌的对抗肌。本研究结果显示，负重不能增加股二头肌和半腱肌的肌肉激活，也就是说常规负重力量训练在发展主动肌力量时，不能很好的同步发展对抗肌力量，这种发展的不均衡可能造成肌肉拉伤和运动成绩停滞不前等现象。许以诚（2004）［11］对上肢的拉力器训练研究表明，附加振动刺激时，除了主动肌肌电增大，对抗肌肌电也显著增大，同时研究还观察到振动训练增加主动肌力量的同时，对抗肌力量也增加。彭春政［7］研究了振动训练对下肢肌肉力量的影响，得到了相同的结果，但该研究没有观察肌电的变化。本研究通过肌电观察发现，在垂直振动模式、振幅为2 mm的条件下，频率为50 Hz的振动刺激对无论是负重还是无负重的半蹲起运动，都明显增加了股二头肌和半腱肌的激活。说明振动刺激不仅提高了主动肌的激活，同时也提高了对抗肌的激活。提示，附加振动刺激的半蹲起运动增强了神经系统的协调，提高了大腿肌肉的反应能力和协调能力。

3 结论与训练学意义

1.在半蹲起运动中，附加振动刺激可以显著提高股直肌、股内侧肌、股外侧肌、股二头肌和半腱肌激活，负重30%最大力量可以显著提高股直肌、股内斜肌和股外斜肌肌肉激活，不能提高股二头肌和半腱肌激活，负重和振动刺激的交互作用不显著。

2.无负重或负重30%最大力量半蹲起时，振幅为2 mm、振动频率为50 Hz的垂直振动刺激可以显著增加股直肌、股内侧肌和股外侧肌、股二头肌、半腱肌的激活。这可以为全身振动训练的频率选择提供参考。

3.在负重条件下，附加振幅为2 mm、振动频率为50 Hz的垂直振动刺激可以显著增加股直肌、股内侧肌和股外侧肌的激活程度，证明了在常规负重训练中附加振动刺激可以诱发激活更多的运动单位参与工作，为振动力量训练提供理论依据。

4.在半蹲起运动中，振幅为2 mm、振动频率为50 Hz的垂直振动刺激在增加主动肌激活的同时增加了对抗肌的激活，提示，频率为50 Hz的振动训练有利于主动肌和对抗肌力量的协调发展。

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Comparison of Muscle Activity of Thigh for Loaded and Unloaded Dynamic Squats during Whole-Body Vibration of Different Frequencies

YUAN Yan1，2，WU Yi-gang1，SU Yan-ju3，LI Yu-zhang1

Whole-body vibration（WBV）is a relatively new exercise modality gaining significant interest of lower limb strength，but the muscle activity characteristics of thigh during load squat and vertical vibration exercise at different vibration frequencies was unknown.Ten healthy male college students performed a series of dynamic squats（unloaded with no WBV，unloaded with WBV，loaded with no WBV，and loaded with WBV）.The load was set to 30% of maximum force and WBV included 30，40，50 Hz frequencies with 2-mm amplitude.Muscle activity was recorded with surface electromyography（EMG）on the rectus femoris（RF），vastus medialis（VM），vastus lateralis（VL），biceps femoris（BF）and semitendinosus（SEM）and is reported as EMGrms（root mean square）normalized to%maximal voluntary contraction.A two-factor analysis of variance showed that vibration stimulation had significant effect on EMGrms of all the muscles（P＜0.05），and loads had significant effect on EMGrms of RF，VM and VL（P＜0.01）.There was no significant interaction between vibration and load.After multiple comparison，it was found that exposure to WBV（50 Hz）significantly increased baseline muscle activity in all muscles.In conclusion，it is suggested that WBV can increase the neuromuscular activity of the thigh muscles during dynamic squat.Loads can increase the neuromuscular activity of RF，VM and VL but cannot increase the neuromuscular activity of BF and SEM.

wholebodyvibrationtraining；vibrationfrequency；surfaceEMG；thighmuscle；musclearousal；verticalvibration

G804.6

A

1000-677X（2012）10-0064-05

2012-07-26；

2012-09-15

上海市科学技术委员会科研计划项目课题（09490503400）；国家体育总局科研项目资助（10B041）。

袁艳（1974-），女，江西南昌人，副教授，在读博士研究生，研究方向为科学训练理论与方法，E-mail：jxhxyy＠163.com；吴贻刚（1963-），男，湖南长沙人，教授，博士，博士研究生导师，E-mail：wuyigan08＠sus.edu.cn；苏彦炬（1974-），男，河北饶阳人，讲师，在读博士研究生，E-mail：syj1974＠126.com；李玉章（1975-），男，河北石家庄人，副教授，博士，E-mail：yuzhang07＠126.com。

1.上海体育学院体育教育训练学院，上海200438；2.江西师范大学体育学院，江西南昌330027；3.河北经贸大学体育部，河北石家庄050061 1.School of Physical Education and Sports Training，Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China；2.Sports Institute，Jiangxi Normal University，Nanchang 330027，China；3.Sports Department，Hebei University of Economics and Business，Shijiazhuang 050061，China.