振动刺激消除运动性肌肉疲劳的研究进展及生理机制

马晶婧，刘 宇，王 健,3

(1.浙江大学 教育学院，浙江 杭州 310058；2.上海体育学院，上海 200438；3.浙江大学 心理科学研究中心，浙江 杭州 310058)

运动性肌肉疲劳(exercise-induced muscle fatigue)特指运动引起的肌肉收缩功能暂时性下降现象，主要表现为最大肌肉力量、肌肉爆发力和肌肉耐力下降以及中枢运动控制失能等[1,2]，部分伴有不同程度的肌肉组织损伤和延迟性肌肉疼痛(delated onset muscle soreness，DOMS)[3]，甚至导致过度训练的发生[4]，对运动员的训练和比赛以及健身运动人群的日常生活、学习和工作等造成不同程度的负面影响[5]。目前，运动训练领域常用的消除肌肉疲劳和促进肌肉功能恢复物理手段主要包括按摩、拉伸、热水浴、超声波、电刺激、高压氧和针灸等[6,7]。这些传统物理手段存在着耗时长、需要专业人员帮助以及缓解疲劳的即刻效应和即刻感受不明显等不足[8]。振动刺激是近30年来建立和发展起来的一种利用机械振动装置引发肌肉组织产生往复性周期运动，从而达到快速消除肌肉疲劳和增强肌肉收缩功能的新方法，括全身振动(whole body vibration，WBV)和局部振动(local vibration，LV)两种基本振动模式。研究发现，运动性肌肉疲劳后，针对全身肌肉或者局部肌肉施加25～50Hz的振动刺激，可以增加肌肉力量[9]、消除疲劳感受[10]、提高爆发力和灵活性[11]、改善平衡能力[12,13]、增加机体能量消耗[14]、改善外周血液循环[15]、增加肌肉和皮肤血流量[16]和肌肉温度[17]、提高锻炼相关的激素分泌、抑制压力相关的激素分泌等[18]。甚至有研究表明，离心运动前施加振动刺激可以有效预防肌肉酸痛和疲劳的发生[19,20]。本文将重点围绕振动刺激缓解肌肉疲劳的作用及其生理学机制等问题，系统回顾该领域的研究进展及其存在的问题，展望未来研究的发展趋势。

1 振动刺激消除运动性肌肉疲劳的效果

1.1 降低主观疲劳感受

主观疲劳感受是个体对于肌肉用力和不适程度的综合性主观体验与评价。运动性疲劳发生后，躯体疲劳和疲劳感受程度增加，运动员的注意力、自信心、精力充沛感均下降。主观疲劳感受通常用Borg自感用力度等级量表(rating of perception exertion，RPE)和视觉模拟量表来评定(visual analyze scale，VAS)。主观疲劳感受的快速恢复有助于对抗警觉、注意力、反应速度降低等负面影响，提高运动自信心与成就感，预防运动损伤。Nepocatych等[10]研究了WBV(35Hz，2mm，10min)对8例健康男性疲劳后下肢肌肉的放松作用，发现振动组和对照组wingate试验中的峰值功率和平均功率没有显著差异，而振动组的主观感受恢复良好。沈业辉等[21]的研究表明，WBV(35Hz，2mm，2min，2天)同空白对照组相比能够缓解男性股四头肌疼痛感觉，但其效果弱于静态牵拉。郑鑫鑫等[22]研究了深层肌肉振动仪LV(36.7Hz，5min)对缓解14例健康成年女性小腿三头肌力竭性疲劳的即刻效应，发现振动组主观疲劳感减轻程度优于对照组，而振动组等长峰力矩、总做功在干预后有升高，但同对照组间无统计学差异。以上研究表明，采用局部和全身振动可以有效消除主观疲劳，但在促进肌肉功能恢复上缺乏一致性。

1.2 增强肌肉力量和耐力

根据运动性疲劳的定义，肌肉力量和耐力是评价运动性疲劳的金标准，能否促进肌肉功能的恢复是振动能否消除运动性疲劳的决定性因素。朱文斐等[23]研究了WBV(30Hz，2mm，3min)对缓解8例健康男性前臂力竭性疲劳的即刻发现振动放松可以使得握力显著恢复，积分肌电值(integrate electromyography，iEMG)值显著减小，中位频率(medium frequency，MF)和平均功率频率(mean power frequency，MPF)值升高，但组间无显著性差异。该研究认为即时振动放松可以使骨骼肌在电生理特性和力量明显恢复，可有效缓解骨骼肌运动性肌肉疲劳。谷茂恒，等[24]研究了WBV(30Hz，5min)对缓解12名男子划艇运动员前臂疲劳的即时效应，发现振动放松后握力显著上升，肌电iEMG显著下降，MF和MPF上升，但组间不显著；肌腱的硬度、伸缩性降低，但组间无显著性差异，弹性在组内和组间均无显著性变化，该研究表明振动可以有效地消除运动性肌肉疲劳，恢复肌肉力量，改善肌肉肌腱伸缩性和硬度，WBV对于缓解局部肌肉运动性疲劳具有良好的效果。Koh等[25]研究了LV(20MHz，10min)和超声治疗(1.0W/cm2，1MHz，10min)对恢复60名男女疲劳后前臂最大等长肌力的影响，发现72h后振动组最大等长肌力>超声组>对照组，且振动组和对照组之间存在显著差异。该研究表明高频局部振动能够恢复疲劳后的肌肉力量，且效果优于超声治疗。Cochrane等[26]研究了使用可穿戴式局部振动疗法(120Hz，1.2mm，15min，4天)对缓解13名男性上肢疲劳后肌肉酸痛的功效，发现急性振动可减轻肌肉酸痛(visual analyze scale，VAS)，降低血清肌酸激酶(creatine kinase，CK)并改善运动范围(range of motion，ROM)，但振动后最大等长肌肉力量没有显著恢复。陈伟婷，等[27]运用表面肌电的近似熵(approximate entropy，ApEn)的指标评价运动性肌肉疲劳，并在肌肉收缩期间施加局部振动LV(45Hz)，发现振动组ApEn的斜率较小，表明肌肉达到疲劳的时间较长；振动组达到疲劳前肌肉收缩(45%MVC)次数增多，表明振动刺激延缓了疲劳的发生。徐树礼，等[28]对WBV(20Hz，6mm)延缓上肢疲劳的研究也得到的相同的结果。在振动施加过程中，运动性肌肉疲劳指标MPF、ApEn和分形维数的斜率均减小，振动组达到力竭的时间均明显推迟。这部分研究表明，振动刺激对上肢肌群具有较理想的消除疲劳、改善运动能力、提高肌肉抗疲劳性的作用效果。经过振动治疗后，肌肉力量能即刻提高7%～10%，并在之后4天内保持10%左右的优势提前恢复到初始水平。

然而，Carrasco等[29]研究了2×15min的低频坐姿WBV(20Hz，4mm)对12例男性高强度间歇训练后放松效果，发现振动组血乳酸浓度、肌张力参数、平均疲劳时间、总骑行距离、平均骑行速度和最大心率并没有改善。该研究认为WBV对消除血乳酸、改善下肢肌肉收缩性能和延长疲劳时间没有效果。Marin等[30]发现，WBV(50Hz，2.4mm；35Hz，1.15mm，共6min)和运动后的放松理活动同时作用时可以显著降低男子高水平足球运动员的下肢肌肉酸痛感、提高下肢爆发力——振动后24h后纵跳(counter movement jump，CMJ)高度提高4%。Fuller等[31]的研究表明对于缓解男性下肢运动性肌肉疲劳，WBV组(75Hz，0.05mm，20min，2天)与静态牵拉组相比，WBV对峰值力矩的恢复作用效果更好，而血清CK、血清肌红蛋白和血清c反应蛋白生理指标的恢复上静态牵拉组效果更佳，但在这些指标上两种放松方法的差异并不显著，该研究表明WBV与静态牵拉的对疲劳的恢复效果不相上下。Ansari等[32]人研究了WBV(30Hz，4mm，2min)对缓解13名健康成年女性下肢运动性肌肉疲劳的即刻效应，通过比较振动组和对照组肌肉力量、爆发力和平衡能力，结果发现振动不能改善股四头肌峰力矩、单腿跳距离和动态平衡能力(Y-Test)。Otadi等[33]研究了LV(30Hz，—，2min)对缓解30名健康青年男性股四头肌疲劳的效果，发现振动后等长峰力矩和肌肉耐力时间显著增加，肌电均方根值增加。

现阶段，全身振动消除下肢运动性疲劳的研究结果存在争议，这是不同振动强度导致的不同神经肌肉适应的结果。由于肌肉组织对振动的传播阻滞，振动的频率和振幅需要达到阈刺激才能起作用[34]。肌肉的粘弹性体特性对于振动有吸收、平行、排斥的效应，当振动频率在肌组织的共振频率以下时，肌组织吸收振动，振动频率高于肌组织的共振频率时，肌组织排斥机械[35]。Giminian等[36]已经发现在20到55Hz的范围内，肌肉激活强度随频率和振幅线性增加。此外，Simsek等[37]认为，频率40Hz和振幅4mm组合时，WBV的肌电激活达到最高。因此，在运动性肌肉疲劳领域，最适振动参数的研究颇具价值，仍需进一步探索。

1.3 消除代谢产物，缓解疼痛

运动性肌肉疲劳的堵塞学说认为，大量运动后人体能量代谢活动增强而产生的代谢产物的堆积引起了肌肉收缩能力的下降。振动对血液循环的促进作用加速了疲劳后代谢副产物清除，有助于克服疲劳效应，减少恢复时间，并提高运动表现[38]，一些研究表明，离心运动前后应用振动训练可以加速代谢产物的消除。Aminian-Far等[20]发现离心运动前使用35Hz的WBV可减轻肌肉酸痛，降低运动24h后的CK水平和压痛阈值。Broadbent[39]等认为WBV(45Hz，5mm，30min)是减轻运动损伤引起的肌肉炎症和延迟性肌肉酸痛的有效方法。研究发现在离心运动恢复期间，WBV会显着降低男性业余跑者的腿部DOMS，促进免疫反应，刺激白细胞显着增加(8.6%(8.1%))，淋巴细胞显着减少(217%(12%))，白细胞介素6在24h(246%(31%))和跑步后120h(265%(30%))下降；组胺在24h(240%(50%))和120h运行后(237%(48%))显著降低。Marin等[30]发现，在低频(20Hz)WBV后进行高强度运动后，虽未观察到恢复或血乳酸移除的改善，但在WBV上进行冷却练习的青少年足球运动员的肌肉酸痛减少，纵跳能力恢复更快。宋法明等[51]研究了WBV(30Hz，1.5mm，3min)结合静态牵拉对缓解27名足球运动员下肢DOMS的影响，发现振动训练促进实验后24h、48h、72h血乳酸脱氢酶、CK显著降低。Timon等[40]研究了WBV治疗(12Hz，4mm，3min)是否可以减轻20名大学生的下肢肌肉酸痛并增强肌肉恢复，发现与对照组相比振动组实验后24h、48h血清CK显著降低，48h肌肉酸痛显著降低；而血尿素氮和等长峰力矩的没有显著变化。肖凯骏等[41]研究了WBV(30～50Hz，1.5mm，6min)对缓解12名篮球运动员下肢DOMS的影响，发现振动组血清CK、血清肌红蛋白在24h、48h、72h显著降低，肌肉酸痛在24h、48h显著降低。倪伟等[42]研究了4周(15min/次，5次/周)的连续WBV对小鼠抗疲劳表现的影响。结果显示，振动组肌力(+22%，+33%)和衰竭性耐力运动的时间(+78%，+188%)显著提升，且振动频率越高效果越好(低频5.6Hz/0.13g，高频13Hz/0.68g)；对于疲劳相关的生化指标上，振动组血氨(-59%，-61%)、血乳酸浓度(-19%，-16%)、血糖(-9%，-14%)以及CK活性(-36%，-45%)显著下降。由此可见，全身振动有明显的加速血液中代谢产物消除的效果，预防并改善运动性肌肉疲劳症状、降低炎症反应和肌肉酸痛。

表1 振动刺激消除运动性肌肉疲劳的急性效应

2 振动刺激消除运动性肌肉疲劳的生理机制

2.1 镇痛作用

运动性肌肉疲劳导致的酸痛主要包括即刻疼痛和延迟性肌肉酸痛(DOMS)，振动的镇痛作用已经在临床上应用了数十年之久。门控理论认为，大直径传入纤维兴奋可以使脊髓中传入疼痛信号的“闸门”关闭，从而抑制疼痛的产生。当皮肤组织中神经末梢的振动感受器接受到高频振动刺激后，会刺激脊髓中抑制性中间神经元降低痛觉讯息的传导[43]。痛觉本体感受器激活的同时痛觉反馈受到抑制，感觉神经元的信息传入发生改变，外周伤害性信息的传递收到抑制，脊髓中间神经元活动受到抑制，痛觉反馈降低，疼痛阈值因此提高，痛觉减轻。

Lau等[44]研究了LV(65Hz，1mm，30min，5天)对缓解15名男性肘屈肌DOMS的影响，研究在离心运动后的连续5天内给予被试躯干和左侧手臂30min的振动按摩，结果发现与对照组相比，肌肉酸痛(VAS)在实验后2～5天显著降低约18%～30%。Wheeler等[45]的研究表明，WBV(20～45Hz，10min，5天)与轻度运动(步行)在降低20名健康成年人腰部肌肉疼痛感觉和灵敏性、爆发力的恢复具有同样的效果。然而，Dabbs等[46]研究了全身振动训练缓解由40%体重深蹲诱发的股四头肌疲劳的作用效果，发现WBV(30Hz，2～4mm，30s，3天)在缓解30名业余训练女性的DOMS时，并没有明显的作用。振动组和对照组在疼痛感觉、压痛阈值、大腿围和膝关节活动度范围方面都没有差异。综上所述，振动刺激具有明显的生物刺激作用和调节作用，振动缓解痛感的生理途径主要包括以下两种。第一，通过改善组织血液循环，引起细胞周围自由基改变，加速代谢产物和致痛物质的排出，抑制致痛物质的合成，从而达到镇痛效果。第二，适宜强度的振动刺激能对神经末梢组织产生超强刺激作用，对痛觉神经感受器进行高度刺激，使神经敏感性降低，神经传导功能受阻，提高痛阈，从而缓解疼痛。

2.2 激活本体感受器

振动引起肌肉力量增长的原理主要是振动刺激引起了神经系统的调节反射，即张力性振动反射(tonic vibration response，TVR)。振动通过刺激肌梭和α运动神经元引起肌肉收缩，肌肉本体感受器激活后，经过单突触和多突触的神经反馈调节，反射引起了不随意收缩的肌肉收缩，从而导致肌肉收缩力发生变化[47]。

Griffin等[48]发现振动可增强Ia型传入纤维到运动神经元的传输敏感性，提高运动单位激活速率，从而短暂性地重建运动单位的放电频率。Vallbo等[48]观察了振动训练期间的EMG，发现运动单位活动在亚最大收缩时增加，但在最大收缩时不增加。这是由于振动协调了主动肌、协同肌和拮抗肌的收缩作用，增强了运动单位的激活效率。Koh等[25]认为振动训练通过神经、体液的反射及本体感觉反馈，激活肌肉神经因素，增加肌梭敏感性和γ神经元活性，从而降低肌肉紧张，解除肌肉痉挛。Cochrane等[26]认为振动训练通过降低横桥数量，分离肌动蛋白-肌球蛋白键的方式，避免肌节破坏，增加关节活动度，降低肌肉僵硬。因此，振动通过刺激肌肉和筋膜以及深层的软组织，刺激肌梭张力性振动反射发生，放松神经系统，从而有效放松目标肌肉，使肌肉力量得到恢复，进而有效缓解骨骼肌疲劳状态。

2.3 促进血液循环，消除炎症反应

提高运动肌血液循环速度是促进代谢产物消除和降低疲劳效应的重要生理学机制之一。振动作为一种周期性的冲击刺激，施加于人体时可以使肌肉组织产生振荡，这种压力使肌肉内毛细血管开放增多、周围血管直径增大，最终使肌肉温度升高，局部血流速度和血流量升高。运动肌血液循环在振动冲击的作用下得到改善，肌肉组织内氧气和能源物质的运输效率加快。Cochrane等[17]发现WBV(26Hz，6mm)可以显著提高1.5℃的体表温度。Rittweger等[49]发现在WBV(25Hz，3mm，3min，Galileo)期间，腓肠肌氧合血红蛋白和总血红蛋白显著增加。Stewart等[50]发现了45Hz足底振动训练可以显著增强周围和全身的血流量、周围淋巴管流量和静脉引流。Kerschan-Schindl等[14]发现WBV(26Hz，3mm，9min)可以显著增加血流速度，使腘动脉血流速度从6.5cm/s增加到13.0cm/s，改善局部组织代谢。Kang等[51]探究了30min坐姿WBV(10Hz，5mm)对运动前后和休息后乳酸水平和心率恢复的影响。结果表明，振动组乳酸水平显著下降(94%，33%)心率恢复显著升高(88%，65%)。该研究认为，休息时使用WBV可以提高肌肉中受刺激血管的乳酸氧化水平，帮助维持血液流动，从而有助于消除乳酸。并且，WBV还能起到对运动后血液中氧气过量消耗的补偿作用。

肿胀和炎症反应是导致运动性运动性肌肉疲劳的原因之一。在振动持续刺激下，细胞膜对营养物质的通透性增强，对致炎因子等有害物质的通透性降低，代谢产物消除速度加快；淋巴回流同时得到改善，炎症反应因此降低。Broadbent等[39]对29名男性业余跑者的研究表明，WBV(45Hz，5mm，30min)可以显著减轻下肢肌肉的炎症反应，显著减少淋巴细胞、显著降低实验后24h和120h血清IL6浓度、血清组胺浓度、血清CRP。振动促进代谢产物的消除，促进血液和肌纤维的物质交换，同时也加速了损伤组织的修复和疼痛基质的消除，促进消肿。因此，WBV作为一种整理活动可以通过促进血液循环和消除炎症反应的方式快速、有效地消除运动性肌肉疲劳。

2.4 调节姿势控制

WBV对姿势控制的调节作用源于对本体感受器的激活作用、对肌力增长的促进作用和对神经传导的调节作用，运动性疲劳后下肢本体感觉和平衡能力的下降是诱发运动损伤的风险之一。WBV在临床上常用于改善老年人和脑卒中患者的平衡能力及协调能力[52,53]，经证实6～18个月的WBV是一种安全可靠的改善老年人姿势控制能力的干预方法[54]。Bruyere等[55]的研究表明WBV(10-26Hz，1.5～3.5mm，4min，3次/周，6周)可以降低老年患者跌倒危险因素并改善健康相关生活质量。Verschueren等[56]的研究表明应用WBV(35～40 Hz，1.7～2.5mm，30min，3次/周，24周)可以降低老年女性跌倒和骨折的风险。然而，由于WBV起作用的阈刺激参数并不明确，急性WBV对平衡能力的调节作用尚存争议。Torvinen等的研究发现，4min、2mm、25～40Hz的垂直振动刺激不会引起下肢肌肉性能和平衡能力的变化[57]，而4min、15～30Hz的WBV则可以改善年轻健康成年人的下肢肌肉性能和身体平衡[58]。Benito等[59]对24名健康的运动参与者(男性17名，女性7名)进行振动泡沫轴对运动性肌肉疲劳恢复的研究，发现振动后踝关节背屈运动范围(ROM)显著增大，动态平衡(Y-test)感觉稳定性提高。由此可见，振动参数的合理配置是影响振动刺激作用效果的决定性因素。

3 研究展望

局部和全身振动消除运动性肌肉疲劳的优势在于不受限制地及时消除疲劳症状，短时高效地促进神经肌肉功能恢复，已经在多个领域，被越来越多地应用于运动训练、临床神经学和神经康复工程。在众多领域的发展过程中，构建“量效关系”模型和参数设置标准，科学指导该技术的推广和应用下一步研究的关键。迄今为止，已经有不少研究证明了30Hz左右，2-5min的振动消除疲劳的实用性和有效性，尤其是其特有的短时间内增强肌肉功能和降低主观疲劳感受的即刻作用和即刻感受，是传统的物理手段和方法所欠缺的。

图1 振动刺激消除运动性肌肉疲劳的生理机制

当前研究对于振动调节疲劳后姿势控制方面影响缺乏关注，姿势不稳是疲劳后跌倒和损伤的主要原因，研究振动对疲劳的姿势控制效应，有助于预防运动损伤。展望未来的研究，针对振动刺激的生理机制研究方面，在已有的神经肌肉、组织代谢等学说的基础之上，振动引起脑功能与脑机制变化是未来的关键关注点，脑电(Electroencephalography，EEG)和近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy，fNIRS)等技术的应用是机制研究的新增途径。振动刺激在体能训练领域多年来被广泛应用，然而在消除疲劳方面缺乏足够认识，本文系统回顾了振动刺激在降低主观疲劳感受和调节客观生理、生化指标的效应，分析了其有效性的深层机制原理，为运动训练科学化提供理论支持。