动力性运动诱发下肢肌肉酸痛过程中sEMG信号的特征分析*

赵龙飞 国 伟 张油福 蒋 彬 张 华

（贵州医科大学，贵州 贵阳 550025）

延迟性肌肉酸痛（DOMS）是指人体从事大强度、大运动量或开始一项新运动后一段时间内出现的肌肉酸痛现象，一般出现在运动后 12～24h,24～48h达高峰，3-7天可自行缓解并消失，其是一种特殊类型的运动性肌肉疲劳[1]。虽然已有的研究证实延迟性肌肉酸痛会使酸痛部位的关节活动幅度减小，导致关节活动幅度受限、减震能力减弱，使肌肉的募集顺序和模式发生改变，从而导致肌肉收缩力量减小[2]。但延迟性肌肉酸痛对酸痛部位肌肉工作效率的具体影响如何尚不清楚，也未曾发现有相关报道。而利用sEMG研究局部肌肉的疲劳特征、揭示肌肉疲劳的机制、判断疲劳程度，特别是静力性运动诱发的肌肉疲劳的研究已经得到了广泛的应用，而针对动力性运动诱发的肌肉疲劳（或酸痛），特别是疲劳恢复过程中sEMG信号变化的研究非常稀少。本研究利用表面肌电(sEMG)重点探索由动力性运动负荷诱发的特殊性肌肉疲劳（延迟性肌肉酸痛）发生前后肌肉的肌电时域指标RMS、iEMG和频域指标MF及MPF的差异，探讨RMS随肌肉酸痛程度（疲劳）而变化的时序特征，明确延迟性肌肉酸痛状态下酸痛部位肌肉sEMG信号特征，为延迟性肌肉酸痛的防治、恢复和运动训练提供参考。

1 研究对象和方法

1.1 研究对象

在校大二男生10名，平均年龄（20.0±0.8）岁，平均身高（172.3±3.4）cm，平均体重（67.2±5.8）kg，受试者近1年均无下肢关节肌肉损伤。

1.2 实验器材及肌电电肌片的贴放位置和要求

表面肌电测试采用意大利Cometa生产的Wave系列16导通道无线遥测表面肌电测试系统，采样频率设置为1000Hz，采用EmgEasyReport5.36表面肌电分析软件对原始数据进行解析，滤波截断频率为 10Hz-500Hz。杠铃和杠铃片一套。选取双侧臀大肌、股二头肌、股直肌、股内侧肌、股外侧肌、胫骨前肌、小腿腓肠肌(外侧)为测试肌群。测试前对测试部位皮肤表面用剃须刀、酒精做脱毛除脂处理。参照Cometa表面肌电测试系统自带电极片贴放图谱顺肌纤维走向将电极片贴放在肌腹最隆起处，两电极片中心点相距不超过2cm，采用系统配套强力双面胶将接受器顺肌纤维走向固定。

1.3 实验设计及过程

实验前72h测试受试者下肢1RM（112.6±10.2kg），选取被试25%RM负荷进行深蹲表面肌电跟踪实验，并要求受试者在接下来的72h内不参加任何形式的大中强度运动，不得有肌肉疲劳。整个测试过程分为延迟性肌肉酸痛发生前的前测，完成前测之后通过动力性运动（蛙跳）诱发延迟性肌肉酸痛，在完成延迟性肌肉酸痛诱发后的 24h、36h、48h、60h、72h共5次在25%RM负荷条件下测试受试者双侧臀大肌、股二头肌、股直肌、股内侧肌、股外侧肌、胫骨前肌、小腿腓肠肌（外侧）的表面肌电，对比分析这个过程中酸痛部位肌肉肌电信号的变化规律。

1.4 数据计算与统计学处理

肌电信号处理内容包括时域指标均方根（RMS）和积分肌电（iEMG）及频域指标中位频率（MF）和平均功率频率（MPF），取3次测试结果的平均值，各组数据结果均以（x¯±S）形式表示，利用SPSS17.0统计软件对数据结果进行统计学分析，延迟性肌肉酸痛前后时域、频域指标采用配对样本T检验；对RMS的时序变化曲线进行了插值和平滑处理。

2 结果与分析

2.1 延迟性肌肉酸痛发生前后sEMG时域指标的对比分析

在进行肌电信号分析时，常选取均方根（RMS）和积分肌电（iEMG）这两项时域指标来对肌肉激活程度、募集顺序和疲劳进行评价。RMS和iEMG可反映出肌纤维的募集数量、肌纤维的同步性、肌纤维收缩或募集的速率这三个方面的信息。动力性运动项目中的蛙跳及负重深蹲是被证明对下肢训练效果较为明显的训练方式，其工作形式是向心收缩与离心收缩交替进行。一般认为sEMG信号的肌电均方根振幅、积分肌电等时域指标会随着肌肉疲劳的发生和发展呈线性上升趋势[3,4]。从表1可知，在DOMS发生前后左右侧臀大肌的RMS分别上升了20.8%、19.2%；左右侧股二头肌的RMS分别上升了29.5%、23.0%；左右侧股直肌的RMS分别增加了31.9%、32.1%；股内侧肌的RMS在整个运动过程中激活程度最高，在DOMS发生后左右侧RMS分别只增加了3.5%、5.0%；左右股外侧肌的RMS分别增加了63.2%、62.2%；左右侧胫骨前肌的RMS分别增加了123.7%、115.5%；左右侧腓肠肌的RMS分别增加了25.1%、28.0%。在DOMS前后左右侧臀大肌的iEMG分别下降了9.2%、5.8%；左右侧股二头肌的iEMG分别下降了17.2%、13.6%；左右侧股直肌的iEMG分别增加了32.9%、33.3%；左右侧股内侧肌的iEMG分别增加了 4.7%、7.9%；左右股外侧肌的iEMG分别增加了69.0%、70.8%；左右侧胫骨前肌的iEMG分别增加了140.0%、133.3%；左右侧腓肠肌的iEMG分别增加了31.8%、27.9%。延迟性肌肉酸痛24h时参与完成25%RM负荷深蹲中的所有肌肉的RMS和iEMG值都出现了上升，且都具有显著性差异（P＜0.01），但DOMS发生后各肌群的RMS和iEMG值的变化幅度各不相同。以往有研究也指出，时域指标RMS和iEMG虽在肌肉疲劳过中有所变化，但它们的时间序列曲线变化类型缺乏严格意义的一致性，从而表现出不稳定变化的基本特点[5]，RMS和IEMG变化的不一致说明使用sEMG的RMS、iEMG时域指标评价肌肉疲劳状态具有不确定性。这主要是因为肌肉疲劳过程中 RMS和iEMG的增加主要是神经系统募集肌纤维的数量增加所致。但时域值的变化还受到受试者的皮下脂肪厚度、肌纤维类型百分构成，其不同类型运动单位放电活动的差异等因素影响。由于受试者皮下脂肪的分布有较大的差异，而且肌纤维类型的不同，从而使时域指标的变化表现出一定的不确定性[3、4、5、6]。各肌群RMS和iEMG变化幅度不同的原因可能是神经中枢共驱动机制造成的，即神经中枢根据各肌群的实际疲劳状态及肌力情况进行的有效调节，疲劳程度相对较大、肌力相对较小的肌群的肌纤维会得到相对更多的调动，而疲劳程度相对较小、肌力相对较大的肌群的肌纤维会被相对更少的调动。另外对比分析双侧肌群的RMS及iEMG发现双侧肌群在完成固定负荷技术动作时表现出非对称性，且大多数是左侧肌群的RMS和iEMG值大于右侧。已有研究表明人体在完成小强度练习疲劳时,弱势腿运动单位的动员程度远大于优势腿,且肌肉用力的“迁移”较为明显[7]。除此之外结合sEMG时域指标的时序特征发现这也有可能与人体习惯性使用右侧完成技术动作，优先使用右侧发力导致负荷向左侧的细微倾斜，从而引起左侧承担更多的负荷需要募集更多的肌纤维参与工作有关。

表1 DOMS发生前后sEMG时域指标的对比

2.2 延迟性肌肉酸痛发生前后sEMG频域指标的对比分析

有关研究指出，不论是静态还是动态运动，随着肌疲劳的发生、发展，表面肌电的频域指标都会出现左移的现象，即频谱的表现参数MF和MPF值的下降，而研究证实MF和MPF的下降程度主要与肌的疲劳程度有关[8]。有学者研究认为肌电频域指标的下降与疲劳过程中产生的氢离子有关，因为氢离子影响了动作电位的传导速率。也有学者研究证实动作电位传导下降的速率与肌电频率下降的速率不一致，也就说肌电的频域指标变化可能并不仅仅受外周氢离子影响的[9、10、11]。从表2可知，随着延迟性肌肉酸痛的产生所有肌肉的时域指标与频域指标的变化趋势相反，且呈下降趋势。与DOMS发生前相比，发生后双侧臀大肌的MF平均下降了10.6%，P＜0.01；双侧股二头肌的MF平均下降了13.3%，P＜0.01；双侧股直肌的MF平均下降了15%，P＜0.01；双侧股内侧肌的MF平均下降了10.9%，P＜0.01；双侧股外侧肌的MF平均下降了13.5%；双侧胫骨前肌的MF平均下降了10.2%，P＜0.01；双侧腓肠肌的 MF平均下降了 8.8%，P＜0.01。在延迟性肌肉酸痛产生24h时，双侧下肢肌群MF的平均下降幅度在 8.8%-15%之间，随时间的推移下降幅度可能会更加明显。而与DOMS发生前相比，发生24h时双侧臀大肌的MPF平均下降了21.4%；双侧股二头肌的MPF平均下降了25.3%，P＜0.01；双侧股直肌的 MPF平均下降了 33.9%，P＜0.01；双侧股内侧肌的 MPF平均下降了 11.8%，P＜0.01；双侧股外侧肌的MPF平均下降了18.8%；双侧胫骨前肌的MPF平均下降了11.6%，P＜0.01；双侧腓肠肌的MPF平均下降了17.9%，P＜0.01。在延迟性肌肉酸痛产生24h时，双侧下肢肌群MPF的平均下降幅度在11.6%-33.9%之间。从DOMS发生前后的频域指标MF和MPF的下降与运动性疲劳的肌电频域变化特征一致，即人体有由运动引发的肌肉酸痛则可认为肌肉仍有疲劳存在。另外比较DOMS发生前后MF、MPF的下降百分比，发现MPF的下降幅度大于MF的下降程度，且MPF的标准差大于MF的标准差，这说明在反映疲劳程度方面，MPF比MF更为敏感。

表2 DOMS发生前后sEMG频域指标的对比

注：“a”表示P＜0.01；“b”表示P＜0.05，与DOMS发生前相比。

2.3 延迟性肌肉酸痛恢复过程中sEMG信号的变化规律分析

多数研究表明，疲劳状态下sEMG的变化在数分钟内会得到恢复，但也有数周才能恢复的报道。Kroon在实验中比较了等长、离心和向心收缩时,屈肘肌RMS、MPF的恢复情况，发现在等长和向心收缩后,两参数1～2天内恢复,而离心收缩后需7天才能完全恢复[12]。分析前人对sEMG恢复时间相关的研究结果发现，sEMG恢复时间的长短主要与引发肌肉疲劳的负荷强度、肌肉运动时间、疲劳程度、肌肉工作性质、肌纤维类型等因素有关，也有研究表明在完成静力性收缩至力竭时，iEMG的变化与时间长短相关。而iEMG的改变率与运动强度无关，也就是说在进行静力性收缩至力竭状态时，时域指标中 RMS和iEMG增加，而频谱中低频成分增加高频成分减少。目前大多数的研究都是针对静态性收缩进行的，而体育运动中的纯静力性收缩很少，动力性收缩的工作机制要比静力性收缩复杂的多。

图1 下肢各肌群平均肌电--时间变化曲线

从图1可知，在经过动力性蛙跳诱发肌肉酸痛之后，所有下肢肌群的RMS表现出了不同的变化幅度。动力性运动后即刻RMS即刻开始发生变化，臀大肌、股二头肌、股直肌、股内侧肌、股外侧肌、胫骨前肌、腓肠肌（外侧）的 RMS表现出了一致的变化走向，都是先上升后下降，RMS从动力性训练后即刻开始上升,至36h时左右上升达峰值，随后开始下降，至72h时基本恢复到初始值。但在整个酸痛过程中各肌群的RMS变化的幅度并不一致，胫骨前肌变化幅度最大，腓肠肌、臀大肌及股二头肌变化最小，股直肌、股内、外侧肌的变化幅度居中。也就是说经过动力性运动诱发肌肉酸痛后，在神经中枢的共驱动机制下各肌群根据疲劳程度或肌力的增长情况实现了重新组配。RMS的变化规律与延迟性肌肉酸痛（DOMS）的发生-发展-高峰-恢复的时间周期基本一致，即RMS会随着肌肉酸痛程度的增加而上升，随肌肉酸痛程度的下降而逐渐恢复。

3 讨论

延迟性肌肉酸痛是一种特殊的运动性疲劳，而运动性肌肉疲劳是指运动引起肌肉产生最大收缩力量或者最大输出功率暂时性下降的生理现象，是肌肉在收缩过程中由于代谢产物堆积、能源物质消耗以及神经系统功能状况改变等一系列变化的一个具有连续性和动态性的复杂过程[13]。在利用sEMG信号评价疲劳时往往需要将时域指标与频域指标相结合才能准确的评价肌肉疲劳的状态。以往研究发现,等长、等速运动负荷引起肌肉疲劳 sEMG信号的时域指标 iEMG和RMS与疲劳程度呈线性正相关,频域指标MPF和MF值与疲劳程度呈线性负相关。但动态条件下的sEMG信号因运动形式的复杂性、信号稳定性等因素的影响,以上分析指标会出现多种不确定的变化[5]。本实验通过动力性运动蛙跳诱发下肢产生延迟性肌肉酸痛，分析 DOMS发生前后及恢复过程中sEMG信号的变化特征，发现时域指标RMS和iEMG在DOMS发生前后有显著性差异（P＜0.01）。DOMS产生后的 RMS和iEMG呈上升趋势，另外在完成25%RM负荷深蹲运动条件下双侧肌群的RMS和iEMG的变化呈现出非对称性，这可能是神经中枢共驱动机制作用的结果；DOMS发生前后频域指标MF和MPF有显著性差异（P＜0.01），DOMS产生后的MF和MPF呈下降趋势；DOMS发生前后iEMG和MPF的变化幅度比RMS和MF的变化幅度更大，这说明在反映肌肉疲劳程度方面，iEMG和MPF比RMS和MF更为敏感。在经过动力性诱发肌肉酸痛后，RMS即刻开始发生变化，臀大肌、股二头肌、股直肌、股内侧肌、股外侧肌、胫骨前肌、腓肠肌（外侧）的RMS表现出了一致的变化走向，都是先上升后下降，RMS从动力性训练后即刻开始上升,至36h左右上升达峰值，随后开始下降，至72h时基本恢复到初始值。但在整个酸痛过程中各肌群的RMS变化的幅度并不一致，胫骨前肌变化幅度最大，腓肠肌、臀大肌及股二头肌变化最小，股直肌、股内、外侧肌的变化幅度居中。也就是说经过动力性诱发肌肉酸痛后，在神经中枢的共驱动机制下各肌群根据疲劳程度或肌力的增长情况实现了重新组配。

4 结论

经过动力性运动诱发肌肉酸痛后，在完成25%RM负荷条件下，DOMS发生前后sEMG信号的时域指标RMS和iEMG有显著性差异（P＜0.01），且iEMG的变化幅度较RMS大；DOMS发生前后MF和MPF有显著性差异，且MPF的变化较MF大；在双侧协调完成固定负荷的运动中，双侧下肢的sEMG信号表现出非对称性，且左侧的平均值大于右侧；DOMS恢复过程中 RMS的变化与延迟性肌肉酸痛的发生--发展--高峰--恢复过程的时间周期基本一致，这有利于教练员和运动员有效掌握超量恢复时期，提高运动训练效益。