不同肌力下手指力量觉规律研究

李林纪仲秋李艳霞

1北京师范大学体育与运动学院（北京 100875）2中国人民大学体育部3廊坊师范学院体育学院

不同肌力下手指力量觉规律研究

李林1,2纪仲秋1李艳霞3

1北京师范大学体育与运动学院（北京 100875）2中国人民大学体育部3廊坊师范学院体育学院

目的：探讨不同肌力输出情况下，手指力量觉所反映的规律及机制。方法：对30名男大学生进行优势侧各手指最大等长肌力测试和不同肌力的力量重现法测试。结果：各手指力量觉由好到差依次是食指、拇指、中指、无名指、小指。不同肌力时力量觉曲线呈U型，两端高，中间低。当肌力较小时，实测值较目标力值大；当肌力适中时，实测值较目标力值差异不大；当肌力较大时，实测值较目标力值小。结论：精细动作的力量感知主要由食指和拇指完成，中指起主要的辅助作用，无名指和小指起次要的辅助作用。肌力较大或较小时，力量觉都较差，而肌力大小适中时力量觉较好。当肌力较小时，实际输出的力量比自我感觉的力值大；当肌力适中时，实际输出的力量和自我感觉的力值较接近；当肌力较大时，实际输出的力量比自我感觉的力值小。

本体感觉；力量觉；力量重现法；手指

本体感觉定义为由位于关节、关节囊、韧带、肌肉、肌腱、皮肤的机械性感受器向中枢神经系统发放的神经冲动[1，2]。本体感觉是对肌肉张力、环节运动和关节位置的感觉，通常划分为力量觉、运动觉和位置觉，力量觉代表对关节肌力的鉴别能力[3，4]。手指在运动过程中起着非常重要的作用，尤其是手指的力量感觉，对一些需要精细控制的动作起着至关重要的作用。如篮球的投篮，手指用力过大或过小，都不能将球投进，只有力量恰到好处时才能投进，此时对力量大小的感知，即力量觉起着至关重要的作用。由于投篮位置距离篮筐的

远近、出手的角度、速度等运动状态的不同，导致这个恰到好处的力量输出也不是一成不变的。

以往研究主要集中在对膝关节、肩关节等大关节的力量觉的研究[4，5]，这主要是由于现有力量觉测试仪器只能测试大关节造成的，如BIODEX等速测试系统、CYBEX测试系统等[6，7]，这也导致了国内外对手指力量觉进行的研究较少。Walsh只进行了小目标力值（10 N以下）时的食指力量觉研究，认为在小目标力值时食指力量觉出现高估现象，即实测值较目标力值大[8]。Raghu对腹腔镜培训时手指力量控制的研究中获得新手在培训时手指力量觉也出现高估的结论[9]。以往研究主要集中在小力量输出情况下个别手指的力量觉研究，但在人体运动过程中，手指处于鞭打动作的末端，会经常处于较高肌力的情况下，如网球的挥拍、篮球的投篮等。因此，在不同肌力情况下手指的力量觉研究就显得极为必要和重要。本文的目的是探讨不同肌力大小情况下，手指力量觉所反映的规律及机制。

图1 指力测量装置内部结构

图2 自制手指力量觉测试软件框图

1 实验对象与方法

1.1实验对象

随机招募30名男生作为本实验的实验对象（年龄：19.29±0.95岁；身高：170.57±5.29 cm；体重：63. 00±12.12 kg），要求所有受试者排除主要脏器和运动系统的器质性疾病，视力正常，优势侧手指关节的关节活动度正常。

1.2研究方法

所有试验均是在北京师范大学体育与运动学院运动生物力学实验室完成的。受试者只进行优势侧手指关节测试，抛球试验确定优势侧。自制手指力量觉测试系统由自制指力测量装置和与之配套的手指力量觉测试软件组成，已获实用新型专利（专利号：2015202193704）。

指力测量装置用于各手指最大等长肌力测试和力量觉测试。指力测量装置主要由压力测量装置和手持开关等部分组成，指力测量装置内部结构如图1所示，主要包括一个压力传感器、ARM处理器部分及蓝牙无线传输部分。压力传感器采用悬臂梁式压力传感器，测量行程0-100 N，精度0.1%FS。压力传感器可以输出一个与加于其上的压力成比例的电信号，该电信号经过模数转换将模拟信号转换成数字信号导入STM32F103单片机，模数转换器采用德州仪器公司生产的高精度24位模数转换器ADS1232芯片，采集频率80 Hz。手持按钮开关通过导线与STM32F103单片机相连。由于需要进行大量数值计算，所用控制单元采用具有ARM Cortex-M3处理器的32位单片机STM32F103来完成控制、数据采集与处理、数据通讯等功能。最后将参数

处理成所需的数据格式。为数据添加数据头和校验位，以减少蓝牙无线传输时可能出现的误读操作。蓝牙采用CSR BC417蓝牙收发一体芯片，通过蓝牙发射端发射，无线传输给连接在电脑的蓝牙接收端，数据进入运行于电脑上的软件。

自制手指力量觉测试软件如图2所示，由受试者数据库模块、最大等长肌力测试模块、手指力量觉测试模块、数据分析模块组成。

自制手指力量觉测试系统的设备效度测试：指力测量装置平放在水平桌面上，将不同重量的砝码放置在指力测量装置的手指按压板上，砝码重量。间隔60 s，等待砝码与力测量设备趋于静止，如图3所示。打开测试软件，记录测试数据约5 s，采集频率50 Hz对前3秒钟采集到的150个数据RFj（j=1，2，…，150）进行分析。重复上述测试过程，对每一重量砝码测试3次，取平均值。测量误差ME（method error）计算公式：

图3 指力测量装置效度检验

力量感觉重现测试：受试者坐在测试椅上，优势侧前臂及手掌通过绑带固定，去除其他关节对测试手指关节的肌力代偿，如图4所示。首先进行受试者各手指最大自主等长收缩测试，获得最大自主等长收缩肌力（Maximal voluntary isometric contraction，MVIC）。各手指进行三次5 s等长屈曲肌力测试，取每次测试的最大值，记录为FM1、FM2、FM3。次间休息30 s去除疲劳影响。每组测试变异系数（Coefficient of variance，CV）要求控制在15%以下。各手指平均肌力FM计算公式：

休息3分钟后，以MVIC的5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%和40%作为目标力值，受试者被要求保持这个目标力值（在电脑屏幕上用蓝线表示目标力值，受试者通过视觉反馈控制发力大小，用红线表示），同时让受试者注意感受此时用力的大小，保持3 s。在此之后，受试者被要求闭上眼睛，产生相同大小力量输出并按手持开关记录为实测力值，各目标力值测试3次。计算目标力值与实测力值的差异，判断力量觉的精确度采用两次力值的相对误差和常数误差表示，计算公式：

其中，RE是相对误差，F1是常数误差，F2是第一次实测力值，F3是第二次实测力值，T是第三次实测力值，是目标力值[10-13]。

图4 力量感觉重现测试

利用SPSS20.0统计软件对测试指标进行统计学分析，所有测试指标均以平均值±标准差的形式表示。信度通过不同测试者使用本系统对同一受试者完成间隔一周的前后两次测试的评定结果进行组内相关系数（interclass correlation coefficient，ICC）分析来检验[14，15]。效度通过对不同重量砝码测量的结果与砝码重量进行组内相关系数（interclass correlation coefficient，ICC）分析来检验[16]。分析各手指等长肌力、手指肌力和力量觉之间相互关系采用Pearson相关系数。

2 研究结果

2.1组内相关系数（ICC）

由表1～3可知，此测试具有较高的重测信度（ICC= 0.65～0.98）。day1、day2分别代表间隔一周的前后两次测试。FSR－力量觉（相对误差），FSC－力量觉（常数误差）。

表1 手指最大等长肌力测试信度检验

表2 手指力量觉（相对误差）测试信度检验

表3 手指力量觉（常数误差）测试信度检验

由表4可知，此设备具有较高的效度（ICC=0.99）。

表4 效度检验

2.2手指最大等长肌力

由表5可知，对各手指最大等长肌力进行单因素方差分析，F=4.7（P＜0.05），各手指最大等长肌力之间差异具有显著性。各手指最大等长肌力从大到小排列依次是拇指（62.44±22.11）N、食指（50.98±9.56）N、中指（42.29±8.86）N、无名指（29.30±10.58）N、小指（24.37 ±6.63）N。

表5 手指最大等长肌力（N）

由表6可知，拇指、食指和中指之间最大等长肌力相关性较高，与无名指、小指最大等长肌力相关性低。与平均肌力相关性由高到低排列依次是拇指、食指、中指、无名指和小指。

表6 各手指最大等长肌力之间相关性

2.3手指力量觉

不同受试者之间以及同一受试者不同手指之间MVIC不同，致使目标力值不同，由于测试结果与目标力值大小有关，为了消除不同目标力值对测试结果产生的影响，采用相对误差表示力量觉的精确度。由表7可知，对各手指的各目标值力量觉（相对误差）的平均值进行单因素方差分析，F=5.7，P＜0.05，各手指的各目标值力量觉（相对误差）的平均值之间差异具有显著性。以各手指的各目标值力量觉（相对误差）的平均值表示该手指的力量觉，各手指力量觉由好到差依次是食指（12.59%±4.63%）、拇指（13.77%±6.89%）、中指（14.87%±7.00%）、无名指（15.49%±8.96%）、小指（16.62%±8.17%）。

表7 各手指力量觉（相对误差）（%）

对不同目标值时各手指力量觉（相对误差）的平均值进行单因素方差分析，F=9.5，P＜0.05，不同目标值时各手指力量觉（相对误差）的平均值之间差异具有显著性。以不同目标值时各手指力量觉的平均值表示不同目标值时的力量觉，由好到差依次是25%MVIC（9.58% ±1.82%）、30%MVIC（9.70%±2.94%）、35%MVIC（10. 71%±1.46%）、20%MVIC（12.22%±0.81%）、15% MVIC（13.19%±2.69%）、40%MVIC（13.90%±1. 49%）、10%MVIC（18.07%±4.53%）、5%MVIC（29.97% ±6.10%），拟合回归方程：

y=0.038x2-2.082x+374.492（5）

其中，是力量觉（相对误差），是目标值。决定系数R2=0.954，接近于1，说明该回归方程能很好的拟合不同目标值时的力量觉（相对误差），对回归方程的显著性进行检验，P＜0.01，具有显著性，如图5所示。

图5 不同目标值时力量觉（相对误差）

为了表示目标力值和实测力值之间的大小关系，从而反映受试者对输出力量高估或低估，采用常数误差表示力量觉的“方向”（高估或低估）。由表8可知，对各目标值力量觉（常数误差）的平均值进行单因素方差分析，F=7.6，P＜0.05，各目标值力量觉（常数误差）的平均值之间差异具有显著性。以各手指的各目标值力量觉（常数误差）的平均值表示该手指的力量觉，各手指力量觉由好到差依次是食指（3.20%±8.63%）、拇指（5. 15%±10.71%）、中指（5.59%±13.14%）、无名指（8. 18%±11.09%）、小指（8.67%±12.17%），与以相对误差代表的力量觉一致。

表8 各手指力量觉（常数误差）（%）

对不同目标值时各手指力量觉（常数误差）的平均值进行单因素方差分析，F=5.7，P＜0.05，不同目标值时各手指力量觉（常数误差）的平均值之间差异具有显著性。以不同目标值时各手指力量觉的平均值表示不同目标值时的力量觉，由大到小依次是5%MVIC（27.53% ±5.82%）、10%MVIC（14.39%±4.23%）、15%MVIC（9. 39%±3.32%）、20%MVIC（5.66%±2.36%）、25%MVIC（1.29%±1.27%）、30%MVIC（-0.44%±4.61%）、35% MVIC（-2.22%±3.23%）、40%MVIC（-6.34%±3. 31%），如图6所示。

图6 不同目标值时力量觉（常数误差）

由表9可知，各手指最大等长肌力与力量觉之间相关系数均小于0.6，因此各手指最大等长肌力与力量觉之间不具有相关性（P＞0.05）。

表9 各手指最大等长肌力与力量觉之间相关性

3 讨论

各手指最大等长肌力从大到小排列依次是拇指、

食指、中指、无名指、小指。拇指、食指和中指之间最大等长肌力相关性较高，与无名指、小指最大等长肌力相关性低，可能与五指在抓握过程中的不同作用有关，拇指、食指和中指三指在抓握过程中起主要的固定和发力作用，无名指和小指起辅助作用，导致起主要作用的拇指、食指和中指之间在肌肉力觉上趋于一致。以各手指最大等长肌力的平均值代表手指力量的总体水平，与之相关性由高到低排列依次是拇指、食指、中指、无名指、小指，可应用拇指肌力代表手指肌力总体水平。

各手指力量觉（相对误差）由好到差依次是食指、拇指、中指、无名指、小指，与日常生活与运动过程中，大多数精细动作主要由食指和拇指控制完成有关，中指起主要的辅助作用，无名指和小指起次要的辅助作用，如拿筷子吃饭、拿笔写字、篮球投篮等。

拟合回归方程（5）中x2系数大于0，抛物线开口向上，呈U型，两端高，中间低，如图5所示。说明在目标力值过大或过小时，力量觉都较差，而在中部力量觉较好。力量觉测试结果的好坏与整个反射弧有关，即本体感受器的输入、神经传导和作为效应器的肌肉的肌力输出控制。本体感觉信息由位于关节、关节囊、韧带、肌肉、肌腱、皮肤的机械性感受器产生[17-20]。导致本体感觉的信息的主要受体位于肌肉、肌腱、韧带和关节囊，而那些位于深层皮肤和筋膜层传统上被视为补充来源。机械感受器将人体组织变形这一机械性变化转化为神经信号通过感觉传导通路传入中枢神经系统[21-23]。不同的机械感受器在本体感觉中的作用重要性一直是学术界争论的焦点。当前的观点认为张力的感觉由称作高尔基腱器官的肌肉受体提供[24，25]。肌力越大，高尔基腱器官激活程度越高，感受器输入加强，力量感觉越好；但当目标力值过大时，肌力输出增大，肌肉力量输出控制变差，从而影响测试结果。

由图6可知，当肌力较小时，实测值较目标力值大，出现高估现象，即实际输出的力量比自我感觉的力值大；当肌力适中时，实测值较目标力值差异不大，即实际输出的力量和自我感觉的力值较接近；当肌力较大时，实测值较目标力值小，出现低估现象，即实际输出的力量比自我感觉的力值小。

肌力增大时，高尔基腱器官的激活程度与肌力的增大并不成线性正相关，可能类似于拉力传感器的应力应变曲线一样，在一定范围基本呈线性正相关，低于或高于这一范围呈非线性的正相关。高尔基腱器官激活程度与肌力的关系曲线可能类似于“S”形曲线，“S”形曲线的前段，即当肌力较小时，高尔基腱器官激活程度较与肌力线性激活程度偏高，出现实际输出的力量比自我感觉的力值大，出现高估现象；“S”形曲线的中段，即当肌力适中时，高尔基腱器官激活程度与肌力近似于线性正相关，实际输出的力量和自我感觉的力值较接近，实测值较目标力值差异不大；“S”形曲线的后段，即当肌力较大时，高尔基腱器官激活程度较与肌力线性激活程度偏低，出现实际输出的力量比自我感觉的力值小，出现低估现象。

4 结论

各手指最大等长肌力从大到小排列依次是拇指、食指、中指、无名指、小指。拇指、食指和中指之间最大等长肌力相关性较高，与无名指、小指最大等长肌力相关性低。

各手指力量觉由好到差依次是食指、拇指、中指、无名指、小指。精细动作的力量感知主要由食指和拇指完成，中指起主要的辅助作用，无名指和小指起次要的辅助作用。

不同目标值时力量觉曲线呈U型，两端高，中间低。说明肌力较大或较小时，力量觉都较差，而肌力大小适中时力量觉较好。

当肌力较小时，实测值较目标力值大，出现高估现象，即实际输出的力量比自我感觉的力值大；当肌力适中时，实测值较目标力值差异不大，即实际输出的力量和自我感觉的力值较接近；当肌力较大时，实测值较目标力值小，出现低估现象，即实际输出的力量比自我感觉的力值小。

各手指最大等长肌力与力量觉之间不具有相关性。

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Force Sensation of Fingers under Different Muscular Exertions

Li Lin1，2，Ji Zhongqiu1，Li Yanxia3
1 College of Physical Education and Sport，Beijing Normal University，Beijing，China 100875 2 Department of Physical Education,Renmin University of China,Beijing,China 3 College of Physical Education，Langfang Teachers University，Hebei，China Corresponding Author：Ji Zhongqiu，Email：jizhongqiu61@bnu.edu.cn

Objective To study the regularity and mechanism of force sensation of fingers under different muscular exertions.Methods The maximum isometric muscle strength and force sensation of fingers at dominant hands in 30 male college students were tested.Results The order of finger force sensation from good to poor was as followed：the index finger，thumb，middle finger，ring finger and fifth finger.The curves of finger force sensation under different muscle exertions presented as U shape.The measured values were higher than the estimated values when the muscle exerted slightly，and were lower than the estimated values when the muscle exerted strongly.Only the measured values were equal to the estimated values when the muscle exerted moderately.Conclusion The force perception of hand fine motor is mainly accomplished by the index finger and the thumb with major support from middle finger and supplementary support from ring finger and fifth finger.The best finger force sensation appears only as the muscle strength is moderate.

proprioception，force sensation，finger

2015.09.15

国家社会科学基金教育学一般课题（BLA150063）

纪仲秋，Email：jizhongqiu61@bnu.edu.cn