振动暴露对肌肉收缩和身体平衡的影响

1、振动暴露对肌肉收缩和身体平衡的影响Saila Torvinen1,2,Pekka Kannus1,2,Harri Sieva nen1 ， Tero A.H. Ja rvinen2 ， Matti Pasanen1, Saija Kontulainen1,Teppo L.N. Ja rvinen2 ， Markku Ja rvinen2 ， Pekka Oja1 和 Ilkka Vuori11 骨研究团体， UKK 学会，坦派勒，芬兰 2 医学院和医学技术学会 , 坦派勒大学外科手术部,坦派勒大学医院，坦派勒, 芬兰摘要设计随机交叉研究，调查一组4分钟的振动对年轻健康受试者的肌肉行为和身体平衡

2、的影响。16名志愿者（8名男性，8名女性，年龄在24-33岁）在不同的日子里按照随机的顺序进行4分钟振动干涉和假的干涉。在振动干涉前10分钟（基础值）和干涉后2分钟和60分钟的时候，进行6种能力（平衡能力、握力、下肢等长伸力、尖步、纵跳和折返跑）的测试。同时也研究振动对比目鱼肌、腓肠肌和股外侧肌表面肌电图(EMG)的影响。基于平台的振动负荷，引起（在干涉后2分钟试验里更具有显著性）跳高高度瞬时增长了2.5%(P=0.019), 下肢的等长伸力增长了3.2%(P=0.020)，身体平衡能力提高了15.7%(P=0.049)。在另外干涉后2分钟和60分钟的测试中，振动肌肉和假的干涉之间没有显著性差

3、异。振动中所有肌肉EMG平均力量频率的下降指示肌肉出现了疲劳，而小腿肌肉的EMG信号中均方差电压升高了。本研究发现，单组的全身振动可以瞬时提高年轻健康成人的下肢肌肉行为和身体平衡能力。关键词身体平衡 肌电图 肌肉收缩 全身振动前言最近，振动的机械刺激引起了运动生理学和骨研究学领域的极大的兴趣(Rubin & McLeod, 1994; Rubin et al., 1995, 1998, 2001a, b; Flieger et al., 1998; Bosco et al., 1999a, b; Falempin & Albon, 1999; Rittweger et al., 2000)。据

4、推测，对人体的低振幅，高频率的机械刺激是一种安全的并可有效地提高肌肉力量、身体平衡能力和骨的机械能力的手段。尽管振动刺激被广泛应用到运动员的训练计划中，而且它可能是一种能同时提高肌肉力量和骨质强度很好的方法，但是对于它的实际效果只有少量的试验和临床的研究(Flieger et al., 1998; Bosco et al., 1999b; Falempin et al., 1999; Rubin et al., 年2001a, b)。根据已出版的文献报道，仅单组振动（10分钟，26 Hz）就可以显著的引起女排队员的肌肉力量的短暂增加(Bosco et al., 1999b)，并且可以预防卵巢切

5、除后的大鼠的骨质流失(Flieger et al., 1998)。尽管以往的试验和临床的结果是肯定振动疗法的(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)，但是关于振动对人体的功效和安全性还缺乏确实而明确的研究。因此，本研究的目的是通过随机控制，设计一组简单的4分钟的振动，观察它对年轻健康的受试者的肌肉收缩和身体平衡能力的影响。材料和方法研究对象十六位年轻健康的志愿者（

6、8名男性，8名女性，年龄在24-33岁）参与本次研究。他们的体重范围为男性：66-83公斤，女性：51-70公斤；身高范围为男性：175-190cm，女性：156-178cm。排除具有以下情况者：心血管疾病，呼吸系统疾病，腹腔疾病，泌尿系统疾病，妇科疾病，神经系统疾病，肌肉与骨骼的疾病或者其它慢性病；怀孕；假肢；服用可能对骨骼肌系统造成影响的药剂；月经不规律和1星期参与3次以上碰撞型训练。在研究之前，参与者签订书面同意，且协议通过制度评审委员会和UKK协会的道德委员会批准。研究步骤 在正式开始研究测试前一周，所有的受试者都要熟悉全身振动的方案和所有结果的测量。所有受试者（包括振动干涉和假的干涉

7、组）每次的训练和运动能力测试都分在连续的两天进行，每天安排不同的运动能力测试，以避免疲劳的产生和因此而造成的结果误差（图1）。每一个受试者进行振动干涉和假干涉之间相隔期为1-2周。在测试和干涉过程中，受试者需要穿薄底的体操鞋。在每个研究测试的开始阶段，要进行4分钟的骑功率自行车的热身，负荷量W=1.2倍体重（N）。每次训练结束后都在功率自行车上进行4分钟的调整运动（图1）。不论在测试期之前还是在测试期间内都不能饮用酒精或者进行剧烈的体力活动。这样，所有的受试者都接受了振动干涉和假干涉，并且可以随机地被安排进行振动干涉或者假干涉（图1），以消除学习曲线对结果的影响。两种干涉（全身振动干涉和假干涉

8、）都是站在振动台上(型号为Galileo, 2000, Novotec Maschinen GmbH, Pforzheim, 德国)，各持续4分钟。当站在振动台上硬的杠杆臂末端时( 每脚距离振动台中心0 .28 m)，受试者根据实验员的说明重复做4次60秒的轻微的训练项目。训练项目的基本原理是为了保障对身体有一个多方向的、平衡的振动负荷，并且减轻站在振动台上的呆板。项目包括轻微的下蹲（0-10s），竖直站立（10-20s），膝部略微弯曲的轻松站立（20-30s），轻的跳跃（30-40s），重心在两腿间交换的站立（40-50s）和用脚后跟站立(50-60s)。在振动干涉的过程中，振动频率在每分钟

9、结束时升高：第一分钟15Hz，第二分钟20Hz，第三分钟25Hz，最后一分钟30Hz。0.72m长的倾斜台的两端的振幅峰值为10毫米。考虑到在0.28m点处（脚站立的点）的振幅和负荷的正弦特点，理论上最大加速度分别是接近3.5g（g是地球的重力场系数，或者9.81 m s-2），6.5g,10g和14g。运动能力测试在热身后2分钟开始测试运动能力的基础值。测试后10分钟，对受试者进行上面所述的振动干涉或者假振动干涉4分钟。在振动干涉或假振动干涉后2分钟和60分钟时进行同样的运动能力测试（图1）。为了避免产生疲劳对结果造成潜在影响，运动能力测试在两天内分着进行。第一天，进行平衡能力、握力和下肢等

10、长伸力的测试；第二天，进行尖步、纵跳和折返跑测试。保持同样的测量顺序。用在振动干涉和假干涉中测得完全相同的基线数据决定运动能力测试的每日重复性（用变量的均方根系数表示CV%rms），并且在结果部分给出（如下）。用体位摇摆平台(Biodex Stability System, New York, NY, USA)来评价身体平衡能力(Schmitz & Arnold,1998)。受试者双脚站在一个不稳定的平台上，眼睛睁开，手臂放在躯干两侧。此平台有8个不同的稳定级别：级别8是完全稳定的，级别1是最不稳定的。一次测试中，我们进行了40秒的记录，每连续10秒记录一次：级别5（0-10s），级别4（10

11、-20s），级别3（20-30s），级别2（30-40s）。这个体系提供了数字化的稳定指数，反映出身体的摇动变化是围绕着身体的重心进行的（两足的压力中心），所以测试的分值越低，稳定性越好(Schmitz et al., 1998)。在第一次平衡能力测试后记录每个受试者在平台上的脚的位置的坐标，并且在整个研究中用相同的坐标以保证测试之间的一致性。用两个稳定指数的平均值作为测试分值。在每次测试之前，要求受试者先进行一到两次的熟悉试验。握力作为一个参考测试。它被认为不受振动干涉或假干涉的影响。用一个标准的握力计(Digitest, Muurame, 芬兰)测量握力。三次读数的平均值作为测试值。用一个

12、标准的腿部力量测量仪(Heinonen et al., 1994)测量腿部伸肌的最大等长收缩力。受试者坐在测力计的椅子上，保持膝关节和踝关节弯曲90度，尽最大能力压脚下的张力量表(Tamtron, Tampere, 芬兰)。经过三次最大的努力，记录其三次等长收缩的力量，三次读数的平均值作为测试得分。沿着6米长的线进行前后走尖步测试用来评价动态平衡能力(Nelson et al., 1994)。指导受试者将一只脚放在另一只脚后面，每一次要确保一脚的脚尖挨上另一脚的脚跟。要求受试者尽最快的速度向后走，并且避免出错。用秒表记录每次成功完成测试的时间。三次读数的平均值作为测试得分。纵跳的测试（手放在骨

13、盆上）是用来评价下肢的爆发力(Bosco et al., 1983)。测试是在一个可接触的平台上进行的(Newtest, Oulu, Finland)，它可以显示出受试者在空中的时间，可精确到千分之一秒。获得的腾飞的时间（t）用来算出在纵跳过程中身体重心（h）升高的高度，也就是h=gt2/8，这里g.=9.81 m s-2.。三次测量的平均值作为测试得分。30米的折返跑是用来评价动态平衡和灵敏性的(Baker et al., 1993)。要求受试者尽最快速度在距离4米的标志物间跑6次，并且每次跑完4米后要踏地，最后跑一个6米的路程越过终点线，用精确到千分之一秒的光电管记录时间。肌电测量用专用的

14、微分放大器(Myosystem 1008, Noraxon, Oulu 芬兰; 输入电阻 1 MW, gain 1000,和 3-dB 带宽20350 Hz)在4分钟的振动干涉过程中记录比目鱼肌，腓肠肌，股外侧肌（股四头肌的一部分）两极表面的EMG。电极放置肌腹位置，大约在运动感觉中心区和远端肌腱之间的中间。在附上电极之前，先用酒精仔细地涂擦、清洗要附着电极的皮肤。用粘合带可保证电极与皮肤更好的接触。 4分钟内，数字化的EMG的信号脉冲频率到了1 kHz(DT2801 12-bit A/D-converter, 数据转化, Marlborough, 摩洛哥, 美国)，并且用一个专用的软件存储起

15、来 (NST, Noraxon, Oulu, 芬兰)以进行更深层次的分析。用一个1024点快速Fourier转换来决定特定的EMG信号的力量频谱。在放松站立阶段中间4秒（肌肉行为稳定）的1秒间隔确定4个分开的频谱，以及这些频谱的平均值。在频谱分析前先通过视觉判断EMG信号的性质。通过这个平均的频谱，可以计算出干涉的每一分钟的EMG信号的有代表性的平均力量频率(MPF in Hz)和均方根电压(RMS, in mV)，并且把这些变量作为测试结果。统计学分析 可以用平均数、标准差（SD）和95%可信区间进行统计学描述。在振动干涉（V）和假干涉（S）之后观察到的特定测试结果的变化间的相对差异详细说明

16、了全身振动对个体运动能力在2分钟和60分钟后的影响。通过变量的转换可以得到这些相对差异。通过重复测量，用变量的单因素分析(ANOVA)来确定2分钟和60分钟的时间效应。在振动干涉中也用重复测量ANOVA来评估EMG变量（MPF和 RMS）的时间效应。用Pearson的相关系数来分析平均力量频率和每分钟均方根值间的关联。结果 本研究对所有受试者没有任何的副作用。在4分钟振动后既没有主观的抵触的反应，也没有报道出现力竭性疲劳。大多数受试者反映全身振动可以“刺激”下肢。因为对假干涉和振动干涉没有显示出性别的差异，所以男性和女性的数据可以汇在一起进行分析。肌肉行为和身体平衡下肢等长伸力的重复性(CV%

17、rms)是2.3%，纵跳是2.5%，握力是3.6%，稳定台是17.5%，前后走是8.2%，折返跑是1.8%。力量测试与假干涉2分钟后下肢等长伸力平均下降3.4kg相比，振动干涉2分钟后下肢等长伸力增加了2.0 kg，得出由于振动，下肢等长伸力在统计学上显著净增了3.2%(P=0.02) (表1 和图 2a)。振动干涉后60分钟时，增长有所下降（2.4%, P=0.11）。与假干涉2分钟后纵跳高度没有变化相比，振动干涉2分钟后增加了0.7cm，说明振动使纵跳的高度显著性地净增了2.5%(P=0.019) (表1 和图 2b)。这种效果在干涉后60分钟会全部消失。与预期一致，振动干涉后2分钟和60

18、分钟时都没有看到握力的变化(表1 和图 2c)。在假干涉和振动干涉后这种反应完全相同。稳定测试 在振动后2分钟测试时，振动造成稳定台得分的净增长是15.7%（对比假干涉，p=0.049）(表1 和图 2d)。在60分钟测试或者其它平衡行为的测试中没有观察到效果(表1 和图 2e-f)。肌电图平均力量频率（MPF）在4分钟的振动过程中比目鱼肌的平均力量频率（MPF）系统地下降了，4分钟时的值与1分钟时相比平均下降了18.8%。振动中MPF的下降也具有显著性(P0.001) (表1 和图 3a)。观察腓肠肌肌肉活动的MPF也出现了相似的情况，在振动的整个过程中都有所下降(P0.001)，并且4分钟

19、时的值与1分钟时相比平均下降了18.3%(表1 和图 3b)。在前三分钟时，股外侧肌肌肉活动的MPF并不像比目鱼肌和腓肠肌的下降得那么明显，但是在振动干涉的最后一分钟时MPF快速下降了8.6%(表1 和图 3c)。均方根电压（RMS）比目鱼肌和腓肠肌的EMG活动的均方根电压在4分钟的振动干涉过程中增加了，4分钟时的值与1分钟时相比平均分别增加了21.6%(P0.001)和35.2%(P0.004) (表1 和图 3a, b)。股外侧肌的EMG活动的均方根电压在整个4分钟的振动干涉中十分稳定，没有显著性的时间效果(表1 和图 3c)。为了分析平均力量频率和每分钟均方根值的关系，对每一个受试者进行

20、了Pearson的相关系数的计算，并且计算了一个平均的相关系数。比目鱼肌的个体平均相关系数是-0.79，腓肠肌的是-0.83，股外侧肌的是-0.61。这说明在振动过程中MPF和RMS之间存在显著的负相关。讨论此次随机交叉研究显示，健康的年轻人经过一个4分钟的振动负荷可引起下肢等长伸力，跳高高度和身体平衡能力的显著的瞬时增高。这些效果在振动后2分钟后观察到，但是在1小时后或多或少的消失了。尽管这些行为参数提高的非常小，但是这些反应的系统性是非常清楚的。因此，可以肯定地说短时间振动的瞬时效应对身体活动是有益的。据显示，机械振动刺激暴露在振动中的肌肉，使其产生兴奋。据报道，振动直接应用于肌腹或肌梭（

21、10-200 Hz）或者应用于全身（1-30 Hz）引起的反应称为“张力性振动反射” (TVR) (Hagbarth & Eklund, 1985, Seidel, 1988)。振动引起TVR，包括肌梭的活化，1a传入神经信号间质(Hagbarth, 1973)和经过肌纤维的大的a-运动神经元的活化。 振动引起TVR也可以提高通过肌梭和多突触途径的活化募集更多的运动单位 (De Gail et al., 1966)，表现为肌肉活动的短暂增加。然而长时间的振动对肌梭的刺激最终将导致肌肉疲劳(Eklund, 1972; Martin & Park, 1997)，表现为EMG活动的减弱，运动单元募集

22、率降低和收缩力下降。 我们最初设想全身负荷的振动会产生疲劳。然而，受试者体验了振动负荷刺激并不产生疲劳。客观的测量（2分钟的行为测试）也确定了这个主观的感受。振动干涉后下肢力量和爆发力的增长以及身体平衡能力的提高说明下肢肌肉对振动可能会发生神经性适应。尽管参与者没有主观地体验到振动引起的疲劳，在运动能力测试中也没有看到表面的疲劳反应，EMG分析显示在振动干涉中MPF显著降低了。MPF的降低一般认为是肌肉疲劳的信号(Viitasalo & Komi, 1977; Petrofsky et al., 1982; Dowling, 1997; Jurell, 1998)。通过EMG的光谱分析确定的肌肉疲劳在小腿的肌肉