疲劳对人体姿势稳定性影响的研究进展*

尹 彦 罗冬梅 刘 卉 于 冰

（1.中国石油大学（北京）体育教学部，北京 102249；2.北京体育大学，北京 100084；3.北卡罗来纳大学教堂山分校，美国 北卡罗来纳州 27599）

现代体育比赛的激烈程度随着竞技体育事业的发展愈演愈烈，在剧烈的运动和比赛过程中，运动员不可避免地会进入疲劳状态。而疲劳会对人的活动能力产生负面影响，增加发生运动性损伤的风险。姿势控制是人体最基本的功能之一，是人体本体感觉和神经肌肉控制能力的综合表现形式，而姿势稳定性能够综合反映人体的姿势控制能力。在训练和比赛过程中，人体姿势控制能力在疲劳状态下也会发生变化。本文主要综述了疲劳对人体姿势稳定性影响的研究进展。

1 疲劳的定义与类型

疲劳的定义为机体生理过程不能持续其机能在一特定水平上和/或不能维持预定的运动强度[1]。运动性疲劳是指在运动过程中，机体的机能能力或工作效率下降，不能维持在特定水平上的生理过程[1]。运动性的肌肉疲劳指肌肉在持续重复收缩过程中不能维持产生最大随意收缩力量或输出功率，通过休息能恢复原来状态的生理现象[2,3]。

根据疲劳发生的机制与表现，可分为中枢性疲劳和外周性疲劳。中枢性疲劳发生在脑至脊髓部位，疲劳引发中枢神经系统功能紊乱，改变了运动神经元的兴奋性，使神经冲动的频率减慢，导致肌肉工作能力下降[1,4-6]。外周疲劳发生在肌肉中从神经-肌肉接点到及纤维内部线粒体等组织内，疲劳引起代谢产物堆积使肌梭活性降低，抑制了肌肉的兴奋收缩耦联和收缩过程，导致肌肉工作能力下降[1,4,5,7]。Kent-Braun等[4]研究发现在肌肉疲劳的发展过程中中枢性疲劳只占20%，而外周性疲劳则占80%，表明外周性疲劳可能是疲劳状态下肌肉功能下降的主要原因。

2 疲劳诱发方法与疲劳状态判断标准

在体育运动和康复医学中，肌肉运动可以分为两种形式：一种运动调动全身称为整体运动，另一种运动只专注于某一肌群称为局部运动。两者之间主要有以下三点不同[8]：第一，整体运动包括多关节多肌群，局部运动只包括单关节和某一块肌肉或某一肌群；第二，整体运动产生剧烈的能量代谢，局部运动对神经肌肉系统产生强烈刺激；第三，整体运动引起整个身体空间位置的改变（如走、跑等），局部运动只在身体静止条件下进行某一环节的运动（如膝关节伸、肩关节屈等）。而这两种运动产生的疲劳也不相同，分别为整体疲劳和局部疲劳。为了研究疲劳产生的影响，研究者们根据运动与疲劳的分类设计了多种不同的诱发疲劳的运动方案，这些方案总的来说可以分为两种：局部等速运动疲劳方案和整体功能性运动疲劳方案。

局部等速运动疲劳方案是应用最多的疲劳诱发方案，其方法是使用等速肌力测试仪设置不同的运动速度、肌肉收缩形式、重复次数和组数等参数，在可控的条件下让受试者进行持续重复的肌肉收缩，从而诱发某一关节周围单块肌肉或单个肌群的局部疲劳。局部等速运动疲劳方案中对肌肉达到疲劳状态的判断标准主要有三种：第一种是肌肉或肌群在持续重复收缩过程中产生的力或力矩降低到预先确定值以下[7,9-12]（如最大随意收缩产生峰值力矩的50%以下）；第二种是完成预先确定的重复次数和组数或持续等速运动达到预先确定的时间[11,13-17]；第三种是维持某一特定强度的运动形式（如持续重复等速收缩每次都达到最大随意收缩产生峰值力矩的20%）直至不能达到要求为止[18-24]。

整体功能性运动疲劳方案指让受试者持续重复完成各种不同的模拟体育运动动作的功能性运动任务如冲刺跑[25]、蹲起[26]、爬楼梯[9]、跑台上跑步[27-29]和骑功率自行车[29-31]等，从而诱发整个身体或多个环节的整体疲劳。整体功能性运动疲劳方案对达到疲劳状态的判断标准主要有受试者达到力竭不能继续运动[25]，主观体力感觉量表分值≥17[28]，受试者完成单次功能性运动任务的时间降至第一次全力完成基准时间的50%以下[10,32]等等。这些疲劳状态的判断标准可针对功能性运动任务的不同而结合使用。

3 疲劳与姿势稳定性

疲劳会引起肌肉功能改变，可能会导致肌肉保护关节的能力下降而使损伤风险增加[28,33]。Jackson等[34]研究发现踝关节肌肉疲劳后对突然内翻扰动的牵张反射振幅显著减少，说明疲劳会降低踝关节对未知内翻的纠正能力。Gutierrez等[35]研究发现踝关节跖屈背屈肌肉运动疲劳后腓骨肌中位频率和放电率显著降低，表明腓骨肌对踝关节内翻的抵抗能力降低，从而增加踝关节扭伤的风险。对运动性损伤的流行病学调查发现，在多个体育运动项目中损伤更多地发生在比赛的下半场，而这一时期运动员开始或已经进入疲劳状态。Hawkins等[36]研究发现，在英格兰足+

26%的损伤发生在下半场比赛的最后 15分钟内，57%的损伤发生在足球比赛的下半场。Ostenberg等[37]研究发现瑞典足球联赛的运动员所受到的损伤中有60%发生在训练或比赛 60分钟以后。Gabbett等[38]发现在英国七人制橄榄球联赛的进程中，第4场比赛中运动损伤的发生率已经达到第1场比赛的7倍。可见疲劳会对人的活动能力产生负面影响，增加发生运动性损伤的风险。

3.1 疲劳与静态姿势稳定性

疲劳可能会引起肌肉中肌梭活性降低而导致姿势控制能力下降[7]。Johnston等[9]研究发现疲劳状态下受试者单腿支撑和双腿支撑条件下维持静态姿势稳定性的能力与疲劳前相比显著下降。Lundin等[39]研究发现受试者踝关节跖屈背屈肌肉会引起单腿支撑时姿势晃动显著增加。Boyas等[40]研究发现踝关节跖屈背屈肌局部等速疲劳后人体在单腿静止站立时的静态姿势稳定性下降并且下肢关节角度也发生变化。Yaggie等[41]研究发现24名男性受试者踝关节跖屈背屈肌局部等速运动疲劳后身体额状面静态姿势稳定性显著下降，然后在 20分钟内逐渐恢复到原来的水平。但是Gimmon等[42]研究则发现踝关节跖屈背屈肌局部等速疲劳后对姿势控制能力的影响主要表现在矢状面内。Qu等[43]研究发现踝关节跖屈肌局部等速疲劳后受试者单脚静止站立时只有压力中心轨迹平均速度比疲劳前显著增加，压力中心其他指标没有显著差异，表明踝关节局部疲劳对静态姿势稳定性有影响但并不显著。Bellew等[44]研究认为肌肉产生力量能力下降是导致肌肉疲劳后静态姿势稳定性下降的原因。

多项研究[11,45-47]对下肢髋关节、膝关节屈伸肌和踝关节跖屈背屈肌局部等速运动疲劳后对静态姿势稳定性的影响进行研究，发现髋、膝、踝三关节肌肉疲劳后在疲劳平面（矢状面）内的姿势晃动速度均显著增加，但是只有近端关节（髋关节和膝关节）肌肉疲劳后会使非疲劳平面（额状面）内的姿势晃动速度显著增加，远端关节（踝关节）肌肉疲劳前后额状面内静态姿势稳定性无显著差异。出现这一现象的原因可能是疲劳后维持姿势稳定性的代偿机制。在姿势控制中的踝关节策略主要用于维持静止站立时的姿势稳定性，膝关节和髋关节策略的使用则随着任务难度的增加而增加。因此，当踝关节周围肌肉疲劳时，踝关节控制能力下降[39,41]，更多的近端关节肌肉被动员（膝关节和髋关节处的纠正动作增加）用于维持直立姿势[48]。当髋关节和/或膝关节周围肌肉疲劳时，姿势控制只能依靠远端的踝关节策略，表现为姿势晃动速度增加。Wright等[29]和 Nardone等[30]研究跑台上跑步和骑功率自行车两种整体功能性运动疲劳方案对静态姿势稳定性的影响，发现跑台上跑步疲劳方案对静态姿势稳定性有显著影响，而骑功率自行车疲劳前后静态姿势稳定性没有显著差异。

3.2 疲劳与动态姿势稳定性

目前关于疲劳对动态姿势稳定性影响的研究还很少。Wikstrom等[10]比较了局部等速运动疲劳方案和整体功能性运动疲劳方案对达到稳定状态时间的影响，发现受试者在两种疲劳方案后地面反作用力垂直分量达到稳定状态时间显著增长，但是两种疲劳方案对动态姿势性的影响并无差异。Shaw等[32]在研究不同类型踝关节护具改善疲劳状态下运动员动态姿势稳定性下降的效果时，发现在不使用踝关节护具的情况下，受试者经过整体功能性运动疲劳方案干预后地面反作用力前后分量的达到稳定状态时间显著增加，但是疲劳前后内外分量的达到稳定状态时间没有显著差异，说明疲劳会引起矢状面内动态姿势稳定性下降。Gribble等[49]使用星形移动平衡测试研究性别和疲劳对动态姿势稳定性的影响时发现，下肢髋、膝、踝三关节局部等速运动疲劳后受试者在星形移动平衡测试中的触及距离显著缩短，表明疲劳引起动态姿势稳定性下降。

以上研究表明疲劳对动态姿势稳定性有负面影响，但是也有研究有不同的结论。Kennedy等[50]研究踝关节疲劳对人体在可预知的持续姿势扰动中动态姿势控能力的影响时，应用踝关节局部等速运动疲劳方案，结果发现虽然疲劳后即刻压力中心位移增加，但是所有受试者都通过改变姿势控制策略保持了姿势稳定性。Mademli等[51]研究下肢肌肉疲劳对青年人和老人在前倒任务中动态稳定性控制能力的影响时，发现疲劳前后青年人和老人的动态稳定系数均无明显差异，表明疲劳对正常人动态姿势稳定性没有影响，其原因可能是疲劳后通过适当改变姿势控制策略补偿了由于疲劳引起的肌肉力量不足所导致的动态姿势稳定性的降低。Zech等[27]在研究局部疲劳和整体疲劳对男子手球运动员动态姿势稳定性影响时发现，疲劳前后运动员在星形移动平衡测试中的触及距离没有明显差异，说明疲劳后健康运动员负责动态姿势稳定性的感觉运动机制保持良好。

4 结论

疲劳是指机体生理过程不能持续其机能在一特定水平上和/或不能维持预定的运动强度。根据疲劳发生的机制与表现，可分为中枢性疲劳和外周性疲劳；根据疲劳发生的部位，又可以分为整体疲劳和局部疲劳。研究者们根据运动与疲劳的分类设计了多种不同的诱发疲劳的运动方案。已有研究表明，疲劳会引起肌肉功能改变，可能会导致肌肉保护关节的能力下降而使损伤风险增加。在已有研究中大部分都是关于疲劳对人体静态姿势稳定性影响的研究，其结论也较为一致，即疲劳会引起人体静态姿势稳定性的下降。只有少数文献研究了不同人群疲劳前后动态姿势稳定性的变化，但是由于研究对象、疲劳方案和测试方式的不同，其研究结论也存在矛盾。

参考文献

[1]王瑞元, 孙学川, 熊开宇. 运动生理学[M]. 北京: 人民体育出版社. 2002.

[2]Lephart SM, Fu FH. Proprioception and neuromuscular control in joint stability[M].Champaign, IL: Human Kinetics. 2000.

[3]Sargeant AJ. Human power output and muscle fatigue[J]. Int J Sports Med. 1994; 15(3): 116-121.

[4]Kent-Braun JA. Central and peripheral contributions to muscle fatigue in humans during sustained maximal effort[J]. Eur J Appl Physiol Occup Physiol. 1999; 80(1): 57-63.

[5]Vollestad NK. Measurement of human muscle fatigue[J]. J Neurosci Methods. 1997; 74(2):219-227.

[6]Hollge J, Kunkel M, Ziemann U, et al. Central fatigue in sports and daily exercises. A magnetic stimulation study[J]. Int J Sports Med. 1997; 18(8):614-617.

[7]Harkins KM, Mattacola CG, Uhl TL, et al. Effects of 2 ankle fatigue models on the duration of postural stability dysfunction[J]. J Athl Train. 2005; 40(3):191-194.

[8]Paillard T. Effects of general and local fatigue on postural control: a review[J]. Neurosci Biobehav Rev. 2012; 36(1): 162-176.

[9]Johnston RB, 3rd, Howard ME, Cawley PW, et al.Effect of lower extremity muscular fatigue on motor control performance[J]. Med Sci Sports Exerc. 1998;30(12): 1703-1707.

[10]Wikstrom EA, Powers ME, Tillman MD. Dynamic Stabilization Time After Isokinetic and Functional Fatigue[J]. J Athl Train. 2004; 39(3): 247-253.

[11]Bizid R, Margnes E, Francois Y, et al. Effects of knee and ankle muscle fatigue on postural control in the unipedal stance[J]. Eur J Appl Physiol. 2009;106(3): 375-380.

[12]Boyas S, Remaud A, Bisson EJ, et al. Impairment in postural control is greater when ankle plantarflexors and dorsiflexors are fatigued simultaneously than when fatigued separately[J].Gait Posture. 2011; 34(2): 254-259.

[13]Caron O. Effects of local fatigue of the lower limbs on postural control and postural stability in standing posture[J]. Neurosci Lett. 2003; 340(2):83-86.

[14]Caron O. Is there interaction between vision and local fatigue of the lower limbs on postural control and postural stability in human posture?[J].Neurosci Lett. 2004; 363(1): 18-21.

[15]Suponitsky Y, Verbitsky O, Peled E, et al. Effect of selective fatiguing of the shank muscles on single-leg-standing sway[J]. J Electromyogr Kinesiol. 2008; 18(4): 682-689.

[16]Strang AJ, Berg WP, Hieronymus M.Fatigue-induced early onset of anticipatory postural adjustments in non-fatigued muscles: support for a centrally mediated adaptation[J]. Exp Brain Res.2009; 197(3): 245-254.

[17]Walsh M, Peper A, Bierbaum S, et al. Effects of submaximal fatiguing contractions on the components of dynamic stability control after forward falls[J].J Electromyogr Kinesiol. 2011; 21(2): 270-275.

[18]Ochsendorf DT, Mattacola CG, Arnold BL. Effect of orthotics on postural sway after fatigue of the plantar flexors and dorsiflexors[J]. J Athl Train.2000; 35(1): 26-30.

[19]Hunter SK, Enoka RM. Changes in muscle activation can prolong the endurance time of a submaximal isometric contraction in humans[J]. J Appl Physiol (1985). 2003; 94(1): 108-118.

[20]Hunter SK, Critchlow A, Enoka RM. Influence of aging on sex differences in muscle fatigability[J].J Appl Physiol (1985). 2004; 97(5): 1723-1732.

[21]Hunter SK, Critchlow A, Enoka RM. Muscle endurance is greater for old men compared with strength-matched young men[J]. J Appl Physiol (1985).2005; 99(3): 890-897.

[22]Hunter SK, Rochette L, Critchlow A, et al. Time to task failure differs with load type when old adults perform a submaximal fatiguing contraction[J].Muscle Nerve. 2005; 31(6): 730-740.

[23]Enoka RM, Duchateau J. Muscle fatigue: what, why and how it influences muscle function[J]. J Physiol.2008; 586(1): 11-23.

[24]Berger LL, Regueme SC, Forestier N. Unilateral lower limb muscle fatigue induces bilateral effects on undisturbed stance and muscle EMG activities[J].J Electromyogr Kinesiol. 2010; 20(5): 947-952.

[25]Chappell JD, Herman DC, Knight BS, et al. Effect of fatigue on knee kinetics and kinematics in stop-jump tasks[J]. Am J Sports Med. 2005; 33(7):1022-1029.

[26]Gribble PA, Hertel J, Denegar CR, et al. The Effects of Fatigue and Chronic Ankle Instability on Dynamic Postural Control[J]. J Athl Train. 2004;39(4): 321-329.

[27]Zech A, Steib S, Hentschke C, et al. Effects of localized and general fatigue on static and dynamic postural control in male team handball athletes[J].J Strength Cond Res. 2012; 26(4): 1162-1168.

[28]Steib S, Zech A, Hentschke C, et al.Fatigue-induced alterations of static and dynamic postural control in athletes with a history of ankle sprain[J]. J Athl Train. 2013; 48(2): 203-208.

[29]Wright KE, Lyons TS, Navalta JW. Effects of exercise-induced fatigue on postural balance: a comparison of treadmill versus cycle fatiguing protocols[J]. Eur J Appl Physiol. 2013; 113(5):1303-1309.

[30]Nardone A, Tarantola J, Giordano A, et al.Fatigue effects on body balance[J].Electroencephalogr Clin Neurophysiol. 1997; 105(4):309-320.

[31]Karatzaferi C, Giakas G, Ball D. Fatigue profile:a numerical method to examine fatigue in cycle ergometry[J]. Eur J Appl Physiol Occup Physiol. 1999;80(5): 508-510.

[32]Shaw MY, Gribble PA, Frye JL. Ankle bracing,fatigue, and time to stabilization in collegiate volleyball athletes[J]. J Athl Train. 2008; 43(2):164-171.

[33]Madigan ML, Pidcoe PE. Changes in landing biomechanics during a fatiguing landing activity[J].J Electromyogr Kinesiol. 2003; 13(5): 491-498.

[34]Jackson ND, Gutierrez GM, Kaminski T. The effect of fatigue and habituation on the stretch reflex of the ankle musculature[J]. J Electromyogr Kinesiol.2009; 19(1): 75-84.

[35]Gutierrez GM, Jackson ND, Dorr KA, et al. Effect of fatigue on neuromuscular function at the ankle[J].J Sport Rehabil. 2007; 16(4): 295-306.

[36]Hawkins RD, Hulse MA, Wilkinson C, et al. The association football medical research programme: an audit of injuries in professional football[J]. Br J Sports Med. 2001; 35(1): 43-47.

[37]Ostenberg A, Roos H. Injury risk factors in female European football. A prospective study of 123 players during one season[J]. Scand J Med Sci Sports.2000; 10(5): 279-285.

[38]Gabbett TJ. Incidence, site, and nature of injuries in amateur rugby league over three consecutive seasons[J]. Br J Sports Med. 2000; 34(2):98-103.

[39]Lundin TM, Feuerbach JW, Grabiner MD. Effect of plantarflexor and dorsiflexor fatigue on unilateral postural control[J]. J Appl Biomech. 1993; 9(3):191-201.

[40]Boyas S, Hajj M, Bilodeau M. Influence of ankle plantarflexor fatigue on postural sway, lower limb articular angles, and postural strategies during unipedal quiet standing[J]. Gait Posture. 2012.

[41]Yaggie JA, McGregor SJ. Effects of isokinetic ankle fatigue on the maintenance of balance and postural limits[J]. Arch Phys Med Rehabil. 2002;83(2): 224-228.

[42]Gimmon Y, Riemer R, Oddsson L, et al. The effect of plantar flexor muscle fatigue on postural control[J]. J Electromyogr Kinesiol. 2011; 21(6):922-928.

[43]Qu X, Nussbaum MA, Madigan ML. Model-based assessments of the effects of age and ankle fatigue on the control of upright posture in humans[J]. Gait Posture. 2009; 30(4): 518-522.

[44]Bellew JW, Fenter PC. Control of balance differs after knee or ankle fatigue in older women[J]. Arch Phys Med Rehabil. 2006; 87(11): 1486-1489.

[45]Gribble PA, Hertel J. Effect of lower-extremity muscle fatigue on postural control[J]. Arch Phys Med Rehabil. 2004; 85(4): 589-592.

[46]Salavati M, Moghadam M, Ebrahimi I, et al.Changes in postural stability with fatigue of lower extremity frontal and sagittal plane movers[J]. Gait Posture. 2007; 26(2): 214-218.

[47]Bisson EJ, McEwen D, Lajoie Y, et al. Effects of ankle and hip muscle fatigue on postural sway and attentional demands during unipedal stance[J]. Gait Posture. 2011; 33(1): 83-87.

[48]Riemann BL, Myers JB, Lephart SM. Comparison of the ankle, knee, hip, and trunk corrective action shown during single-leg stance on firm, foam, and multiaxial surfaces[J]. Arch Phys Med Rehabil. 2003;84(1): 90-95.

[49]Gribble PA, Robinson RH, Hertel J, et al. The effects of gender and fatigue on dynamic postural control[J]. J Sport Rehabil. 2009; 18(2): 240-257.

通过对慢性病或异常指标相关危险因素调查，不难看出，同时具备4个（包括4个）以上的健康危险因素的高风险级别的男性教职工比例高于女性，男性教职工具有的慢性病及相关危险因素个数多于女性，年龄上41岁以上者慢性病及健康危险因素多于41岁以下者。这与男性脂肪肝、高血压、高血脂和高血糖的检出率均高于女性结果一致，与马红芝[9]等人的研究结果相似。导致以上慢性病的原因，第一位是饮食不合理，新疆以高脂肪、高热量、高盐、高糖饮食多，维生素、纤维素的食用少[10]，饮食结构不合理；第二是缺乏体育锻炼，摄入营养过剩，体育活动少导致超重/肥胖，造成脂肪沉积在血管，肝内脂肪含量也大量增加[11]，从而形成血脂高、脂肪肝等。尤其是男性吸烟、饮酒者多；男性超重/肥胖严重；睡眠不好；紧张/压力/抑郁情绪多发，导致男性血压、血糖、血脂异常者比例更高。因此，高校教职工应及时发现和规避慢性病危险因素，调整生活方式，规律作息，合理饮食，积极锻炼。

通过12周有规律的中等强度的有氧运动实验，作为体检后续健康干预手段，效果明显。研究显示，较长时间、持续的中等强度有氧运动[12]，以脂肪功能为主，可以有效减少体内脂肪的蓄积。需要注意的是运动干预前要对干预对象进行运动筛查，并根据具体身体情况进行运动干预，避免对健康造成伤害。这种以运动为主，加上合理的饮食和必要的药物治疗，可以较好的降低患慢性病或异常指标危险因素风险。

综上所述，高校教职工的慢性病检出率较高，后续保健与干预重视程度及有效措施不足。应加强慢性病防治相关知识的健康宣教，让教职工了解影响健康的危险因素，进行针对性的健康干预。改变其不良的生活及饮食习惯，选择适宜的运动项目，经常参加有规律的有氧体育锻炼，促进教职工健康。

参考文献

[1]国办发〔2017〕12号.国务院办公厅关于印发中国防治慢性病中长期规划（2017—2025年）的通知[EB/OL].http://www.gov.cn/zhengce/content/2017-02/1 4/content_5167886.htm。

[2]中国疾病预防控制中心慢性非传染性疾病预防控制中心.中国慢性病及其危险因素监测报告((2010)[M].北京:军事医学科学出版社,2012.

[3]于巍红.某高校教职工健康体检结果分析[J].中国实验诊断学,2015,19(7):1193-1194.

[4]肖永康.某医科大学高级教职员工健康状况分析[J].中国学校卫生,2005,26(10):872-873.

[5]徐德明.包头市高校教职工808人健康体检结果分析[J].医学理论与实践,2010,23(3):368-369.

[6]杨小红.重庆市某高校教职工疾病与健康危险因素分析重庆医学[J].2014,9(43):3325-3328.

[7]常渭.某高校教职工代谢性疾病患病情况分析[J].保健医学研究与实践.2015,12(6):23-26.

[8]潘琼.某高校知识分子高血压患病现况及危险因素分析[J].中国现代医生,2011,49(32):10-12.

[9]韩巍.中年高级知识分子健康体检异常结果分析[J].预防医学,2017,29(4):384-387.

[10]马红芝.韶关学院教职工756例体检结果分析[J].韶关学院学报,2007,28(12): 99-102.

[11]张璐.超重、肥胖和腹型肥胖与心血管代谢性疾病的关联研究[J].现代预防,2016,43(21):3387-3391

[12]胡勇军.新疆博州干部超重和肥胖与代谢性疾病检出情况分析[J].农垦医学,2013,35(4):347-348.