外加束缚在连续下蹲跳至力竭过程中对下肢肌肉活动的影响

陆阿明，戴晓群，陈金鳌，王国栋

人体着装后，体表接触面积会受到由服装自重产生的重量压和裹紧身体而产生的束缚压[1,2]。近年来，有报道认为服装束缚压有助于人体运动中损伤率降低、肌疲劳延缓甚至提升运动表现[3-5]，从而使紧身运动服在体育运动领域得到推广与普及[6-9]，并受到越来越多研究者的关注[10-14]。本研究试图运用表面肌电图技术，探索外加不同程度紧身束缚在连续下蹲跳至力竭过程中对下肢主要发力肌肉活动的影响及其可能的内在机制，以期为紧身运动服在竞技比赛、运动训练和大众健身等实践中的应用提供科学理论依据。

1 实验对象与方法

1.1 实验对象

随机选取的12名健康成年男性自愿者，年龄：（22.5±1.6）岁，身高：（173.6±4.3） cm，体重：（69.9±5.6） kg。

1.2 实验器材

1.2.1 瑞士 Kistler Quattro Jump 9290AD 纵跳训练分析系统

包括Kistler Quattro Jump测力台（920mm×920mm）和Kistler Quattro Jump电脑分析软件。

1.2.2 表面肌电图信号分析系统

包括德国Biovision 16通道多导运动生物电纪录分析系统；12 bit模数转换器(A/D)；上海励图医疗器材有限公司生产的LT-301型一次性氯化银Ag/AGL皮肤表面电极；DASYLab9.0采集与分析软件；MATLab7.0数学软件。

1.2.3 AMI气囊式着装生理舒适性压力测试系统

主要包括AMI Techno Co. LTD研发的压力转换器和气囊型压力传感器，可测试0～34 kPa范围内的压力，测量精度达到±（0.2～0.45） kPa，DC电压输出功率0～3.4 V，能够测量柔软面较小的接触压力。

1.2.4 着装束缚压装置

选择SkinsTM男性自行车运动员专用梯度压缩式紧身运动长裤。

1.3 实验方法

1.3.1 连续下蹲跳至力竭测试

要求受试者热身后，分别身着无束缚压的宽松长裤（压力值0 kPa）、轻度束缚压长裤[压力值（1.05±0.03 ）kPa]、中度束缚压长裤[压力值（2.12±0.05） kPa]、高度束缚压长裤[压力值（3.32±0.09） kPa]，在Kistler测力台上完成连续最大努力下蹲跳测试。

受试者保持双手叉腰姿势，在测力台上站定后尽力下蹲，并尽快全力向上跳起，落地缓冲站稳后再开始下一次动作。下蹲跳的节奏由节拍器控制，每3 s跳一次，直至力竭为止。为避免机体在运动测试后产生的超量恢复效应对下一次测试造成影响，要求同一受试者在每次运动测试结束后必须间隔72 h以上才能进行下一次测试。

1.3.2 表面电极肌电图（sEMG）信号的采集与分析

使用MATLab 7.0数学软件对从下肢主要肌群（股内肌、股外肌、股直肌）采集到的sEMG原始信号进行全波整流和平滑处理[15]，然后取力竭前11次完成下蹲跳动作所得到的均方根振幅（RMS）和中心频率（CF）肌电指标分别进行时域分析和频域分析，得出RMS值和CF值。其中，sEMG信号的采样频率为1000 Hz，肌电导出的时间常数为0.001 s，滤波带宽10 ～500 Hz，高频阻断2000 Hz。

1.3.3 sEMG指标数据的标准化处理

为排除受试者之间的个体差异，尽量减小其对统计结果的影响，以力竭前第11次完成下蹲跳时的RMS和CF原始值分别作为RMS和CF指标的参照值，记为：X1；再将随后10次下蹲跳至力竭过程中每一次RMS和CF的原始值（记为：Xi，其中i＝1,2,3,…10）分别除以各自的参照值X1，从而得到RMS和CF指标的标准化值，记为：X'i（i＝1,2,3,…10）；最后再将X'i的值乘以100%，即以百分比形式表示。标准化处理的计算公式如下[16-18]：

其中，X'i为第i次RMS和CF指标的标准化值，Xi为第i次RMS和CF指标的原始值，X1为力竭前第11次完成下蹲跳时RMS和CF指标的原始值。

1.4 数据的统计分析

应用SPSS 13.0软件对所有实验数据进行统计分析，在各组数据服从正态分布且方差齐性的前提下，采用单因素方差分析考察外加不同束缚压对下肢肌肉活动的影响；再以无束缚压时的RMS和CF为基准，采用LSD法进行不同束缚压均值的Post Hoc检验（事后多重比较检验），统计检验水准α＝0.05。所有统计数据以平均值±标准差（±S）表示，显著性差异用P＜0.05表示，极显著性差异用P＜0.01表示。

2 研究结果

将受试者下肢主要肌群（股内肌、股外肌、股直肌）力竭前所完成的最后11次下蹲跳次数依次记为T11～T1，即T1次结束后，下肢肌肉处于力竭状态。

2.1 不同束缚压时下肢肌RMS(%)值的变化

连续下蹲跳至力竭过程中，下肢主要发力肌群RMS(%)值在4组不同外加束缚压下的整体变化趋势如图1所示。将T10～T1分别与T11的RMS(%)值进行One-way ANOVA比较检验，结果发现各组的RMS(%)值整体普遍随蹲跳次数的增加呈现出先增大后减小的趋势，且具有统计学意义(P＜0.05)。

图1 不同束缚压下蹲跳至力竭前的RMS(%)值变化示意图(*P＜0.05)Figure 1 Variation of RMS(%) in CMJ to Exhaustion under the Different Bound Preessure ((**PP＜00..0055))

进一步对各组下蹲跳在疲劳末期的RMS(%)值降低幅度进行基于One-way ANOVA的多重比较检验，表1结果显示：轻度束缚压与无束缚压之间RMS(%)值的降低趋势及幅度无显著性差异(P＞0.05)，中度束缚压较无束缚压的RMS(%)值降低幅度有所下降(P＜0.05)，而高度束缚压较无束缚压的RMS(%)值降低幅度则有所增加(P＜0.05)。

2.2 不同束缚压时下肢肌CF(%)值的变化

连续下蹲跳至力竭过程中，下肢主要发力肌群CF(%)值在4组不同外加束缚压下的整体变化趋势如图2所示。将T_10～T1分别与T11的CF(%)值进行One-way ANOVA比较检验，结果发现各组的CF(%)值仅在疲劳后期普遍随蹲跳次数的增加呈现出逐渐降低的趋势，且具有统计学意义(P＜0.05)。

图 2 不同束缚压下蹲跳至力竭前的CF(%)值变化示意图(*P＜0.05)Figure 2 Variation of CF(%) in CMJ tto Exhaustion under the Different Bound Pressure (* P＜0.05)

进一步对各组下蹲跳在疲劳末期的CF(%)值降低幅度进行基于One-way ANOVA的多重比较检验，表2结果显示：轻度束缚压与无束缚压之间CF(%)值的降低趋势及幅度无显著性差异(P＞0.05)，中度束缚压较无束缚压的CF(%)值降低幅度有所下降(P＜0.05)，而高度束缚压较无束缚压的CF(%)值降低幅度则有所增加(P＜0.05)。

3 分析与讨论

本实验中，受试者在一侧下肢处于不同紧身束缚压状态下完成全力连续下蹲跳至力竭的运动测试。通过肌电分析发现，与无紧身束缚相比，轻度紧身束缚对下肢主要肌群sEMG的整体变化特征无明显影响，均观察到均方根振幅RMS(%)值随蹲跳次数的增加先增大后减小，中心频率CF(%)值在疲劳后期有所下降；而中度紧身束缚使肌肉疲劳末期RMS(%)值的减小幅度降低，CF(%)值的降低程度减弱；高度紧身束缚则使肌肉疲劳末期RMS(%)值的减小幅度上升，CF(%)值的降低程度增加。

在众多有关下肢等长和等动肌力测试的研究报道中，sEMG时域指标RMS和频域指标CF随局部肌肉疲劳的发生分别表现出逐渐增加和逐渐降低的趋势[19-23]。这可能是由于目标肌群部分肌纤维的收缩能力随运动时间的延长逐渐下降，为保持预定肌力与速度，机体必须募集新的肌纤维参加收缩，因此导致激活的运动单位数目不断增多，放电总量增大，RMS逐渐增加。在本研究中，局部肌肉疲劳是持续发展直至力竭，机体所能募集的所有肌纤维收缩能力均出现衰竭，放电总量减小，因而RMS在运动后期有所降低；频域方面，CF在疲劳后期主要以低频电位活动为主的慢肌(ST)纤维来参与肌肉收缩，加之局部乳酸等代谢废物的激增及细胞膜兴奋性的下降，均促使肌纤维传导速度降低，肌电频率下降，CF逐渐向肌电功率谱FFT曲线的低频转移[19,24-25]。

表1 不同束缚压下蹲跳至力竭前RMS(%)值的降低幅度差异一览表（±S）TableⅠ Diference of the Decrease Range of RMS(%) in CMJ to Exhaustion under the Different Bound Pressure （±S）

表1 不同束缚压下蹲跳至力竭前RMS(%)值的降低幅度差异一览表（±S）TableⅠ Diference of the Decrease Range of RMS(%) in CMJ to Exhaustion under the Different Bound Pressure （±S）

注：▲ 表示与无束缚压下蹲跳相邻次数之间RMS(%)值的降低幅度相比具有显著性差异（P＜0.05）

无束缚压 轻度束缚压 中度束缚压 高度束缚压T5～T4 3.28±0.25 3.38±0.19 2.91±0.10 3.98±0.12 T4～T3 1.41±0.39 1.52±0.41 1.41±0.38 2.40±0.09 T3～T2 3.74±0.22 3.25±0.26 2.56±0.24 ▲ 4.66±0.33 ▲T2～T1 2.77±0.18 2.28±0.23 1.16±0.29 ▲ 4.49±0.26 ▲

表2 不同束缚压下蹲跳至力竭前CF(%)值的降低幅度差异一览表（±S）TableⅡ Diference of the Decrease Range of CF(%) in CMJ to Exhaustion under the Different Bound Pressure （±S）

表2 不同束缚压下蹲跳至力竭前CF(%)值的降低幅度差异一览表（±S）TableⅡ Diference of the Decrease Range of CF(%) in CMJ to Exhaustion under the Different Bound Pressure （±S）

注：◆ 表示与无束缚压下蹲跳相邻次数之间CF(%)值的降低幅度相比具有显著性差异（P＜0.05）

无束缚压 轻度束缚压 中度束缚压 高度束缚压T5～T4 0.89±0.79 0.92±0.13 0.42±0.16 1.16±0.52 T4～T3 1.46±0.98 1.49±0.51 0.49±0.32◆ 1.79±0.47 T3～T2 2.07±0.83 2.03±0.86 0.78±0.27◆ 2.47±0.16◆T2～T1 2.54±0.45 2.49±0.17 0.52±0.11◆ 3.13±0.65◆

实验结果中，相对轻度紧身束缚，中度紧身束缚明显减小了肌肉疲劳末期RMS(%)和CF(%)值的降低幅度，表明其有助于维持力竭前肌力的输出功率和动作电位的传导速率，对运动性肌疲劳产生积极影响。综合相关研究报道认为，只有在人体表面施加一定程度的紧身压迫，才可以使机体获得足够的物理支持，增强跳跃运动中下肢各运动环节的稳定性[26,27]，同时避免脂肪、肌肉等软组织产生不必要的振动。国外学者研究发现[28-30]，运动员穿着压力短裤进行最大努力下蹲跳时，可以显著减轻脚落地时大腿肌肉的振动速度和幅度。而肢体振动的减弱可以节省能量消耗，因而有利于保持运动能力。Duffield等人[31]研究表明，运动员穿着压力服进行10 min（10次/分钟）蛙跳训练，每分钟蛙跳距离的减少量比不穿压力服时显著降低；Kraemer等人[28,32]研究表明，运动员穿着压力短裤进行反复最大下蹲跳，平均弹跳力量和功率比穿着宽松运动短裤时有显著提高。此外，参考傅维杰等人[33]的研究，认为较高程度的局部压迫还可能在一定程度上通过改变下蹲跳过程中快肌和慢肌纤维的募集比例来影响临近力竭时的肌肉活动。

本研究还发现，高度紧身束缚使肌肉疲劳末期RMS(%)和CF(%)值的降低幅度显著增长，由此推断，过高的外加压迫在持续跳跃运动中可能会对局部肌肉活动产生不利影响。已有报道认为，在大强度有氧运动至疲劳阶段，高度紧身压迫有加速肌肉疲劳的趋势[27]，但并未完整揭示肌肉疲劳至力竭时的肌电活动特征。因此，与之对照，从本实验进一步证实了高度紧身束缚在肌肉疲劳至力竭过程中的副作用。究其原因可能是外部较高的机械压迫在人体全力下蹲阶段加剧了局部肌肉中微血管的形变，导致局部毛细血管内的血流更新速率减慢，代谢废物增多，肌肉供氧量不足，Ph值相应升高，从而引发肌细胞膜电位超级化，导致细胞内K+外流；而K+外流的增加又会抑制细胞膜电位超级化，使细胞膜的兴奋性下降，肌纤维的传导速度降低。

4 结论

连续下蹲跳至力竭过程中，外加轻度紧身束缚对下肢肌肉活动无明显影响；外加中度紧身束缚有利于维持力竭前肌力的输出功率和动作电位的传导速率，对下肢肌肉疲劳后期的活动有积极影响；而外加高度紧身束缚则在一定程度上会加速下肢肌肉疲劳后期的力竭进程。

[1] 王佳,戴晓群,刘国联.浅谈服装压力及其对人体的影响[J].现代丝绸科学与技术,2007,(5):20–22.

[2] 刘红,陈东生,魏取福.服装压力对人体生理的影响及其客观测试[J].纺织学报,2010,31(3):138–142.

[3] BRINGARD A, PERREY S, BELLUYE N. (2006). Aerobic energy cost and sensation responses during submaximal running exercise--positive effects of wearing compression tights [J]. Int J Sports Med, 27(5): 373-378.

[4] DUFFIELD R, PORTUS M. (2007). Comparison of three types of full-body compression garments on throwing and repeat-sprint performance in cricket players [J]. Br J Sports Med, 41(7): 409-414.

[5] HOUGHTON LA, DAWSON B, MALONEY SK. (2009).Effects of wearing compression garments on thermoregulation during simulated team sport activity in temperate environmental conditions [J]. J Science Med Sport, 12(2): 303-309.

[6] 梁子青.新式奥运连体紧身运动服[J].天津纺织科技,2001,39(03):50–52.

[7] DUFFIELD R, EDGE J, MERRELLS R, et al. (2008). The effects of compression garments on intermittent exercise performance and recovery on consecutive days [J]. Int J Sports Physiol Perform,3(4): 454-468.

[8] JOYCE C J, BERNIER J N, PERRIN D H. (1994). Effects of external compression on isokinetic muscular endurance of the quadriceps and hamstring muscle groups [J]. Isokinet and Exercise Science, 4: 81-84.

[9] LAMBERT S. (2005). A cross-over trial on the effects of gradient compression garments (Sport Skins TM) during exercise and recovery [J]. J Science Med Sport, 8(4 Supplement): 222.

[10] 李晓慧.功能性运动服装的前景研究[J].北京体育大学学报,2005,28(3):426–427.

[11] 傅维杰,刘宇,等.紧身装备在体育科学领域的研究现状与展望[J].中国体育科技,2011,47(2):114–120.

[12] HIGGINS T, NAUGHTON G A, BURGESS D. (2009). Effects of wearing compression garments on physiological and performance measures in a simulated game specific circuit for netball [J]. J Science Med Sport, 12(1): 223-226.

[13] TRENELL M I, ROONEY K B, SUE C M, et al. (2006).Compression garments and recovery from eccentric exercise: a 31P-MRS study [J]. J Sport Science Med, 5(1): 106-114.

[14] WALLACE L, SLATTERY K, COUTTS A. (2006). Compression garments: do they influence athletic performance and recovery [J].Sports Coach, 28(4): 38-39.

[15] 罗炯,金季春.表面肌电的处理方法及在体育科研中的应用前景[J].山东体育学院学报,2005,21(2):56–58.

[16] 罗旋.不同形式跑台运动过程中下肢肌表面肌电图的变化特征[D].苏州:苏州大学,2009.

[17] 王乐军,黄勇,龚铭新,等.10s全力踏蹬自行车运动过程中股直肌sEMG活动特征研究[J].体育科学,2010,30(11):50–55.

[18] 王乐军,黄勇,龚铭新,等.运动性肌肉疲劳过程中主动肌与拮抗肌sEMG相干性分析[J].体育科学,2011,31(10):79–84.

[19] 王健,金小刚.表面肌电信号分析及其应用研究[J].中国体育科技,2000,36(8):26–28.

[20] 郭庆芳,刘佩清,袁新华.肌肉疲劳时表面肌电图与其深层运动单位电位、积分、频谱的变化[J].体育科学,1982,2(3):52–56.

[21] 高强,尹吟青.表面肌电图自动分析的应用[J].中国运动医学杂志,1985,4(2):95–102.

[22] 王瑞元,卢鼎厚.极限负荷斜蹲过程中股外肌肌电信号变化及针刺和静力牵张对其恢复过程的影响[J].北京体育学院学报,1991,17(3):32–39.

[23] 杨晓晔.表面肌电对青年男子股四头肌的疲劳评价[D].北京:北京体育大学,2004.

[24] 封飞虎,黄瑞馨.疲劳前后肌电图的频域特征[J].上海体育学院学报,1996,20(1):31–36.

[25] 王国祥,李长宏.肘关节等速运动过程中表面肌电图的变化特征[J].中国临床康复,2004,(12):2346–2348.

[26] KUSTER M S, GROB K, KUSTER M, et al. (1999). The benefits of wearing a compression sleeve after ACL reconstruction [J].Med Sci Sports Exerc,31(3): 368-371.

[27] 陈金鳌,陆阿明,王国栋,等.不同程度紧身压迫对踏蹬运动中股内侧肌sEMG变化特征的影响[J].体育科学,2012,32(7):22–31.

[28] KRAEMER W J, BUSH J A, NEWTON R U, et al. (1998).influence of a compressive garment on repetitive power output production before and after different types of muscle fatigue [J].Sports Med, Training Rehab, 8(2): 163-184.

[29] SHIM J, DOAN B K, NEWTON R U, et al. (1999). Effects of a lower-body compression garment on warm-up time and jump performance [J]. J Strength Cond Res.

[30] DOAN B K, KWON Y H, NEWTON R U, et al. (2003). Evaluation of a lower body compression garment [J]. J Sports Sci, 21(8): 601-610.

[31] DUFFIELD R, CANNON J, KING M. (2010). The effects of compression garments on recovery of muscle performance following high-intensity sprint and plyometric exercise [J]. J Science Med Sport, 13(1): 136-140.

[32] KRAEMER W J, BUSH J A, BAUER J A, et al. (1996). influence of compression garments on vertical jump performance in NCAA division I volleyball players [J]. J Strength Cond Res, 10(3): 180-183.

[33] 傅维杰,刘宇,熊晓洁,等.外加弹性紧身装置对田径运动员下肢肌力、疲劳与肌肉活动的影响[J].中国运动医学杂志,2010,29(6):631–635.