振動暴露對肌肉收縮和身體平衡的影響(隨機交叉研究)

1、振動暴露對肌肉收縮和身體平衡的影響（隨機交叉研究）Saila Torvinen1,2,Pekka Kannus1,2,Harri Sieva è nen1 ， Tero A.H. Ja è rvinen2 ， Matti Pasanen1, Saija Kontulainen1,Teppo L.N. Ja è rvinen2 ， Markku Ja è rvinen2 ， Pekka Oja1 和 Ilkka Vuori11 骨研究團體， UKK 學會，坦派勒，芬蘭 2 醫(yī)學院和醫(yī)學技術(shù)學會 , 坦派勒大學外科手術(shù)部,坦派勒大學醫(yī)院，坦派勒, 芬蘭摘要設(shè)

2、計隨機交叉研究，調(diào)查一組4分鐘的振動對年輕健康受試者的肌肉行為和身體平衡的影響。16名志愿者（8名男性，8名女性，年齡在24-33歲）在不同的日子里按照隨機的順序進行4分鐘振動干涉和假的干涉。在振動干涉前10分鐘（基礎(chǔ)值）和干涉后2分鐘和60分鐘的時候，進行6種能力（平衡能力、握力、下肢等長伸力、尖步、縱跳和折返跑）的測試。同時也研究振動對比目魚肌、腓腸肌和股外側(cè)肌表面肌電圖(EMG)的影響?；谄脚_的振動負荷，引起（在干涉后2分鐘試驗里更具有顯著性）跳高高度瞬時增長了2.5%(P=0.019), 下肢的等長伸力增長了3.2%(P=0.020)，身體平衡能力提高了15.7%(P=0.049)。

3、在另外干涉后2分鐘和60分鐘的測試中，振動肌肉和假的干涉之間沒有顯著性差異。振動中所有肌肉EMG平均力量頻率的下降指示肌肉出現(xiàn)了疲勞，而小腿肌肉的EMG信號中均方差電壓升高了。本研究發(fā)現(xiàn)，單組的全身振動可以瞬時提高年輕健康成人的下肢肌肉行為和身體平衡能力。關(guān)鍵詞身體平衡 肌電圖 肌肉收縮 全身振動前言最近，振動的機械刺激引起了運動生理學和骨研究學領(lǐng)域的極大的興趣(Rubin & McLeod, 1994; Rubin et al., 1995, 1998, 2001a, b; Flieger et al., 1998; Bosco et al., 1999a, b; Falempin

4、& Albon, 1999; Rittweger et al., 2000)。據(jù)推測，對人體的低振幅，高頻率的機械刺激是一種安全的并可有效地提高肌肉力量、身體平衡能力和骨的機械能力的手段。盡管振動刺激被廣泛應(yīng)用到運動員的訓練計劃中，而且它可能是一種能同時提高肌肉力量和骨質(zhì)強度很好的方法，但是對于它的實際效果只有少量的試驗和臨床的研究(Flieger et al., 1998; Bosco et al., 1999b; Falempin et al., 1999; Rubin et al., 年2001a, b)。根據(jù)已出版的文獻報道，僅單組振動（10分鐘，26 Hz）就可以顯著的引起女

5、排隊員的肌肉力量的短暫增加(Bosco et al., 1999b)，并且可以預防卵巢切除后的大鼠的骨質(zhì)流失(Flieger et al., 1998)。盡管以往的試驗和臨床的結(jié)果是肯定振動療法的(Rubin et al., 1994, 1995, 1998, 2001a,年 b; Flieger et al., 1998; Bosco et uaal., 1999a, b; Flempin et al., 1999; Rittweger et al., 2000)，但是關(guān)于振動對人體的功效和安全性還缺乏確實而明確的研究。因此，本研究的目的是通過隨機控制，設(shè)計一組簡單的4分鐘的振動，觀察它對年

6、輕健康的受試者的肌肉收縮和身體平衡能力的影響。材料和方法研究對象十六位年輕健康的志愿者（8名男性，8名女性，年齡在24-33歲）參與本次研究。他們的體重范圍為男性：66-83公斤，女性：51-70公斤；身高范圍為男性：175-190cm，女性：156-178cm。排除具有以下情況者：心血管疾病，呼吸系統(tǒng)疾病，腹腔疾病，泌尿系統(tǒng)疾病，婦科疾病，神經(jīng)系統(tǒng)疾病，肌肉與骨骼的疾病或者其它慢性病；懷孕；假肢；服用可能對骨骼肌系統(tǒng)造成影響的藥劑；月經(jīng)不規(guī)律和1星期參與3次以上碰撞型訓練。在研究之前，參與者簽訂書面同意，且協(xié)議通過制度評審委員會和UKK協(xié)會的道德委員會批準。研究步驟 在正式開始研究測試前一周

7、，所有的受試者都要熟悉全身振動的方案和所有結(jié)果的測量。所有受試者（包括振動干涉和假的干涉組）每次的訓練和運動能力測試都分在連續(xù)的兩天進行，每天安排不同的運動能力測試，以避免疲勞的產(chǎn)生和因此而造成的結(jié)果誤差（圖1）。每一個受試者進行振動干涉和假干涉之間相隔期為1-2周。在測試和干涉過程中，受試者需要穿薄底的體操鞋。在每個研究測試的開始階段，要進行4分鐘的騎功率自行車的熱身，負荷量W=1.2倍體重（N）。每次訓練結(jié)束后都在功率自行車上進行4分鐘的調(diào)整運動（圖1）。不論在測試期之前還是在測試期間內(nèi)都不能飲用酒精或者進行劇烈的體力活動。這樣，所有的受試者都接受了振動干涉和假干涉，并且可以隨機地被安排進

8、行振動干涉或者假干涉（圖1），以消除學習曲線對結(jié)果的影響。兩種干涉（全身振動干涉和假干涉）都是站在振動臺上(型號為Galileo, 2000, Novotec Maschinen GmbH, Pforzheim, 德國)，各持續(xù)4分鐘。當站在振動臺上硬的杠桿臂末端時( 每腳距離振動臺中心0 .28 m)，受試者根據(jù)實驗員的說明重復做4次60秒的輕微的訓練項目。訓練項目的基本原理是為了保障對身體有一個多方向的、平衡的振動負荷，并且減輕站在振動臺上的呆板。項目包括輕微的下蹲（0-10s），豎直站立（10-20s），膝部略微彎曲的輕松站立（20-30s），輕的跳躍（30-40s），重心在兩腿間交換的

9、站立（40-50s）和用腳后跟站立(50-60s)。在振動干涉的過程中，振動頻率在每分鐘結(jié)束時升高：第一分鐘15Hz，第二分鐘20Hz，第三分鐘25Hz，最后一分鐘30Hz。0.72m長的傾斜臺的兩端的振幅峰值為10毫米。考慮到在0.28m點處（腳站立的點）的振幅和負荷的正弦特點，理論上最大加速度分別是接近3.5g（g是地球的重力場系數(shù)，或者9.81 m s-2），6.5g,10g和14g。運動能力測試在熱身后2分鐘開始測試運動能力的基礎(chǔ)值。測試后10分鐘，對受試者進行上面所述的振動干涉或者假振動干涉4分鐘。在振動干涉或假振動干涉后2分鐘和60分鐘時進行同樣的運動能力測試（圖1）。為了避免產(chǎn)生

10、疲勞對結(jié)果造成潛在影響，運動能力測試在兩天內(nèi)分著進行。第一天，進行平衡能力、握力和下肢等長伸力的測試；第二天，進行尖步、縱跳和折返跑測試。保持同樣的測量順序。用在振動干涉和假干涉中測得完全相同的基線數(shù)據(jù)決定運動能力測試的每日重復性（用變量的均方根系數(shù)表示CV%rms），并且在結(jié)果部分給出（如下）。用體位搖擺平臺(Biodex Stability System, New York, NY, USA)來評價身體平衡能力(Schmitz & Arnold,1998)。受試者雙腳站在一個不穩(wěn)定的平臺上，眼睛睜開，手臂放在軀干兩側(cè)。此平臺有8個不同的穩(wěn)定級別：級別8是完全穩(wěn)定的，級別1是最不穩(wěn)定

11、的。一次測試中，我們進行了40秒的記錄，每連續(xù)10秒記錄一次：級別5（0-10s），級別4（10-20s），級別3（20-30s），級別2（30-40s）。這個體系提供了數(shù)字化的穩(wěn)定指數(shù)，反映出身體的搖動變化是圍繞著身體的重心進行的（兩足的壓力中心），所以測試的分值越低，穩(wěn)定性越好(Schmitz et al., 1998)。在第一次平衡能力測試后記錄每個受試者在平臺上的腳的位置的坐標，并且在整個研究中用相同的坐標以保證測試之間的一致性。用兩個穩(wěn)定指數(shù)的平均值作為測試分值。在每次測試之前，要求受試者先進行一到兩次的熟悉試驗。握力作為一個參考測試。它被認為不受振動干涉或假干涉的影響。用一個標準的

12、握力計(Digitest, Muurame, 芬蘭)測量握力。三次讀數(shù)的平均值作為測試值。用一個標準的腿部力量測量儀(Heinonen et al., 1994)測量腿部伸肌的最大等長收縮力。受試者坐在測力計的椅子上，保持膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)彎曲90度，盡最大能力壓腳下的張力量表(Tamtron, Tampere, 芬蘭)。經(jīng)過三次最大的努力，記錄其三次等長收縮的力量，三次讀數(shù)的平均值作為測試得分。沿著6米長的線進行前后走尖步測試用來評價動態(tài)平衡能力(Nelson et al., 1994)。指導受試者將一只腳放在另一只腳后面，每一次要確保一腳的腳尖挨上另一腳的腳跟。要求受試者盡最快的速度向后走，并

13、且避免出錯。用秒表記錄每次成功完成測試的時間。三次讀數(shù)的平均值作為測試得分?？v跳的測試（手放在骨盆上）是用來評價下肢的爆發(fā)力(Bosco et al., 1983)。測試是在一個可接觸的平臺上進行的(Newtest, Oulu, Finland)，它可以顯示出受試者在空中的時間，可精確到千分之一秒。獲得的騰飛的時間（t）用來算出在縱跳過程中身體重心（h）升高的高度，也就是h=gt2/8，這里g.=9.81 m s-2.。三次測量的平均值作為測試得分。30米的折返跑是用來評價動態(tài)平衡和靈敏性的(Baker et al., 1993)。要求受試者盡最快速度在距離4米的標志物間跑6次，并且每次跑完4

14、米后要踏地，最后跑一個6米的路程越過終點線，用精確到千分之一秒的光電管記錄時間。肌電測量用專用的微分放大器(Myosystem 1008, Noraxon, Oulu 芬蘭; 輸入電阻 >1 MW, gain 1000,和 3-dB 帶寬20±350 Hz)在4分鐘的振動干涉過程中記錄比目魚肌，腓腸肌，股外側(cè)?。ü伤念^肌的一部分）兩極表面的EMG。電極放置肌腹位置，大約在運動感覺中心區(qū)和遠端肌腱之間的中間。在附上電極之前，先用酒精仔細地涂擦、清洗要附著電極的皮膚。用粘合帶可保證電極與皮膚更好的接觸。 4分鐘內(nèi)，數(shù)字化的EMG的信號脈沖頻率到了1 kHz(DT2801 12-bi

15、t A/D-converter, 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化, Marlborough, 摩洛哥, 美國)，并且用一個專用的軟件存儲起來 (NST, Noraxon, Oulu, 芬蘭)以進行更深層次的分析。用一個1024點快速Fourier轉(zhuǎn)換來決定特定的EMG信號的力量頻譜。在放松站立階段中間4秒（肌肉行為穩(wěn)定）的1秒間隔確定4個分開的頻譜，以及這些頻譜的平均值。在頻譜分析前先通過視覺判斷EMG信號的性質(zhì)。通過這個平均的頻譜，可以計算出干涉的每一分鐘的EMG信號的有代表性的平均力量頻率(MPF in Hz)和均方根電壓(RMS, in mV)，并且把這些變量作為測試結(jié)果。統(tǒng)計學分析 可以用平均數(shù)、標準差（S

16、D）和95%可信區(qū)間進行統(tǒng)計學描述。在振動干涉（V）和假干涉（S）之后觀察到的特定測試結(jié)果的變化間的相對差異詳細說明了全身振動對個體運動能力在2分鐘和60分鐘后的影響。通過變量的轉(zhuǎn)換可以得到這些相對差異。通過重復測量，用變量的單因素分析(ANOVA)來確定2分鐘和60分鐘的時間效應(yīng)。在振動干涉中也用重復測量ANOVA來評估EMG變量（MPF和 RMS）的時間效應(yīng)。用Pearson的相關(guān)系數(shù)來分析平均力量頻率和每分鐘均方根值間的關(guān)聯(lián)。結(jié)果 本研究對所有受試者沒有任何的副作用。在4分鐘振動后既沒有主觀的抵觸的反應(yīng)，也沒有報道出現(xiàn)力竭性疲勞。大多數(shù)受試者反映全身振動可以“刺激”下肢。因為對假干涉和振

17、動干涉沒有顯示出性別的差異，所以男性和女性的數(shù)據(jù)可以匯在一起進行分析。肌肉行為和身體平衡下肢等長伸力的重復性(CV%rms)是2.3%，縱跳是2.5%，握力是3.6%，穩(wěn)定臺是17.5%，前后走是8.2%，折返跑是1.8%。力量測試與假干涉2分鐘后下肢等長伸力平均下降3.4kg相比，振動干涉2分鐘后下肢等長伸力增加了2.0 kg，得出由于振動，下肢等長伸力在統(tǒng)計學上顯著凈增了3.2%(P=0.02) (表1 和圖 2a)。振動干涉后60分鐘時，增長有所下降（2.4%, P=0.11）。與假干涉2分鐘后縱跳高度沒有變化相比，振動干涉2分鐘后增加了0.7cm，說明振動使縱跳的高度顯著性地凈增了2.

18、5%(P=0.019) (表1 和圖 2b)。這種效果在干涉后60分鐘會全部消失。與預期一致，振動干涉后2分鐘和60分鐘時都沒有看到握力的變化(表1 和圖 2c)。在假干涉和振動干涉后這種反應(yīng)完全相同。穩(wěn)定測試 在振動后2分鐘測試時，振動造成穩(wěn)定臺得分的凈增長是15.7%（對比假干涉，p=0.049）(表1 和圖 2d)。在60分鐘測試或者其它平衡行為的測試中沒有觀察到效果(表1 和圖 2e-f)。肌電圖平均力量頻率（MPF）在4分鐘的振動過程中比目魚肌的平均力量頻率（MPF）系統(tǒng)地下降了，4分鐘時的值與1分鐘時相比平均下降了18.8%。振動中MPF的下降也具有顯著性(P<0.001)

19、(表1 和圖 3a)。觀察腓腸肌肌肉活動的MPF也出現(xiàn)了相似的情況，在振動的整個過程中都有所下降(P<0.001)，并且4分鐘時的值與1分鐘時相比平均下降了18.3%(表1 和圖 3b)。在前三分鐘時，股外側(cè)肌肌肉活動的MPF并不像比目魚肌和腓腸肌的下降得那么明顯，但是在振動干涉的最后一分鐘時MPF快速下降了8.6%(表1 和圖 3c)。均方根電壓（RMS）比目魚肌和腓腸肌的EMG活動的均方根電壓在4分鐘的振動干涉過程中增加了，4分鐘時的值與1分鐘時相比平均分別增加了21.6%(P<0.001)和35.2%(P<0.004) (表1 和圖 3a, b)。股外側(cè)肌的EMG活動的

20、均方根電壓在整個4分鐘的振動干涉中十分穩(wěn)定，沒有顯著性的時間效果(表1 和圖 3c)。為了分析平均力量頻率和每分鐘均方根值的關(guān)系，對每一個受試者進行了Pearson的相關(guān)系數(shù)的計算，并且計算了一個平均的相關(guān)系數(shù)。比目魚肌的個體平均相關(guān)系數(shù)是-0.79，腓腸肌的是-0.83，股外側(cè)肌的是-0.61。這說明在振動過程中MPF和RMS之間存在顯著的負相關(guān)。討論此次隨機交叉研究顯示，健康的年輕人經(jīng)過一個4分鐘的振動負荷可引起下肢等長伸力，跳高高度和身體平衡能力的顯著的瞬時增高。這些效果在振動后2分鐘后觀察到，但是在1小時后或多或少的消失了。盡管這些行為參數(shù)提高的非常小，但是這些反應(yīng)的系統(tǒng)性是非常清楚的

21、。因此，可以肯定地說短時間振動的瞬時效應(yīng)對身體活動是有益的。據(jù)顯示，機械振動刺激暴露在振動中的肌肉，使其產(chǎn)生興奮。據(jù)報道，振動直接應(yīng)用于肌腹或肌梭（10-200 Hz）或者應(yīng)用于全身（1-30 Hz）引起的反應(yīng)稱為“張力性振動反射” (TVR) (Hagbarth & Eklund, 1985, Seidel, 1988)。振動引起TVR，包括肌梭的活化，1a傳入神經(jīng)信號間質(zhì)(Hagbarth, 1973)和經(jīng)過肌纖維的大的a-運動神經(jīng)元的活化。 振動引起TVR也可以提高通過肌梭和多突觸途徑的活化募集更多的運動單位 (De Gail et al., 1966)，表現(xiàn)為肌肉活動的短暫增加

22、。然而長時間的振動對肌梭的刺激最終將導致肌肉疲勞(Eklund, 1972; Martin & Park, 1997)，表現(xiàn)為EMG活動的減弱，運動單元募集率降低和收縮力下降。 我們最初設(shè)想全身負荷的振動會產(chǎn)生疲勞。然而，受試者體驗了振動負荷刺激并不產(chǎn)生疲勞?？陀^的測量（2分鐘的行為測試）也確定了這個主觀的感受。振動干涉后下肢力量和爆發(fā)力的增長以及身體平衡能力的提高說明下肢肌肉對振動可能會發(fā)生神經(jīng)性適應(yīng)。盡管參與者沒有主觀地體驗到振動引起的疲勞，在運動能力測試中也沒有看到表面的疲勞反應(yīng)，EMG分析顯示在振動干涉中MPF顯著降低了。MPF的降低一般認為是肌肉疲勞的信號(Viitasalo & Komi, 1977; Petrofsky et al., 1982; Dowling, 1997; Jurell, 1998)。通過EMG的光譜分析確定的肌肉