力竭性“拉长—缩短周期”运动中离心收缩和向心收缩阶段肌肉疲劳和损伤及下肢主要关节用力特征研究

徐　飞　赵　恒　吴　健　赵　洪

(1.北京体育大学研究生院，北京 100084；2.重庆师范大学体育学院，重庆 400047)

摘 要：目的：观察在“拉长—缩短周期”运动中肌肉离心收缩和向心收缩后的疲劳、损伤状况和下肢髋、膝、踝关节的用力特征，为运动训练和预防损伤提供理论参考。方法：11名健康男性受试者通过确立的疲劳运动模型进行力竭性“拉长—缩短周期”运动，通过测试肌电图、关节用力分布特征和关节力量的变化评价SSC过程中肌肉离心、向心收缩阶段的疲劳损伤特征。结果：1)SSC运动后，肌肉向心收缩期的能力迅速降低，运动后10 min左右恢复，在运动后2 d、4 d基本保持在同一水平；而离心阶段呈现出延迟性降低的特征。2)既定运动模型中，制动和爆发用力的蹲起阶段，膝关节承受的负荷最大。3)肌肉离心收缩后EMG和CK活性都呈现延迟性恢复的特征。结论：力竭性SSC运动中的离心收缩更容易造成肌肉的延迟性疼痛，且肌肉疲劳后恢复较慢。肌肉在向心收缩阶段，没有出现的明显的延迟性肌肉疼痛和/或损伤。力竭性SSC运动中膝关节是承受负荷的主要关节；髋关节和踝关节表现出对膝关节运动能力减弱的补偿性增长，共同构成下肢完成技术动作的协调机制。

关键词：拉长—缩短周期运动；运动控制；肌肉疲劳；肌肉损伤

中图分类号：G804.6文献标识码：A文章编号：1007-3612(2008)10-1361-04

Muscle Fatigue and Injury in Exhaustive Stretch-shortening Cycle Exercise and the Lower Limb Joint Power

Contribution in Eccentric and Concentric Concentration Phase

XU Fei1, ZHAO Heng2, WU Jian2, ZHAO Hong2

(1. School of Sport Science, Beijing Sport University, Beijing 100084, China;

2.School of Physical Education, Chongqing Normal University, Chongqing 400047, China)

Abstract:Objective: The purpose of the present study is to investigate the effect of muscle fatigue and injury and lower limb joint power contribution after exhaustive stretch-shortening cycle (SSC) exercise, so as to supply some reference for training and prevention. Methods: 11 healthy male volunteers participate in the SSC fatigue model, assesses characteristics of fatigue and injury in eccentric and concentric phase via EMG, joint contribution and joint peak power in eccentric and concentric phase. Results 1) Muscle concentric performance decreases immediately after exhaustive SSC, recovers within 10min and remains at the same level follow up 2 and 4 days. However, recovery delays after eccentric contraction. 2) Knee joint endures the heaviest loads in aforementioned exercise model. 3) EMG and CK activity shows delayed recovery symptom after eccentric contraction of SSC. Conclusion: Eccentric contraction in exhaustive SSC induces DOMS obviously, and recovers slowly. However, there's no obvious DOMS or injury symptom after concentric phase. Knee joint extensors are the main generators during SSC, and the hip and ankle joint contribution increases so as to compensate for the lost knee joint function. All of aforementioned points make up of coordinate mechanism of lower limb.

Key words: stretch-shortening cycle exercise; motor control; muscle fatigue; muscle injury

在比赛和训练中，最接近比赛形式的就是“拉长—缩短周期”运动(Stretch-shortening Cycle, SSC)。SSC运动过程可粗略分为离心收缩(肌肉预拉长)、收缩偶联期和向心收缩(肌肉缩短)3个时期^[1-4]，其能使肌肉在缩短过程中(向心收缩)将肌肉预拉长时期所积蓄的弹性势能更快的表现出来，能募集更多的肌纤维、动员更多的快肌运动单位参与运动，表现为更大的爆发力^[1,2]。也有研究证实，SSC运动对神经、肌肉的协调控制能力有更好的促进作用，也能更有效地刺激肌肉力量的增长^[5]；但更易导致肌肉疲劳、损伤和/或延迟性肌肉疼痛^[6-8]。SSC运动虽然包括了肌肉离心和向心运动两个阶段，但其运动过程中运动单位的募集和激活程度不同于纯粹的离心和向心运动^[1]。肌肉进行短时大强度SSC运动与单纯的向心、离心运动相比，更易导致肌血乳酸的堆集、肌肉疲劳和延迟性肌肉酸痛^[9]。但是力竭性SSC运动中不同收缩阶段对肌肉运动能力、牵张反射、肌肉疲劳损伤特征和机制却不甚明了，故本实验重点考察了这一点。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象 11名无训练经历男性的大学生自愿参与本实验。其基本生理情况为( X±SD )：年龄(22±2.1)岁，身高(176±4.3)cm，体重(64±5.6)kg，查体无疾病，实验过程中有医务监督人员。

1.2 研究方法

1.2.1 SSC疲劳运动模型 本实验运动模型修改自Horita(1996^[5], 1999^[7])，Nicol(1996)^[10]所确定的疲劳运动模型。受试者在坡度为25°左右的下斜板上进行SSC运动，其腰部负体重的15%重量在下斜板上进行连续的双腿负重下蹲动作(图1 A)，要求受试者下蹲过程中臀部接触到脚跟时，尽可能快的蹲起，整个过程爆发性用力。制动(braking phase)和蹬离阶段(push off phase)间的肌肉预拉长(pre-activity)时间控制在150ms以内，以保证SSC过程爆发性用力特征^[11]。

预试验时测定每名受试者所能蹲起的最大高度，并以此作为评价运动能力的指标。正式实验时要求受试者每次蹲起需完成最大高度的70%(平均为62 cm±6 cm)。力竭判断标准：1) 口头鼓励不能坚持完成动作；2) 负重蹲起时膝关节不能达到90°；3) 疲劳后，3次尝试蹲起的高度不能达到最大蹲起高度的40%。

蹲起过程由两部分组成：1)下落阶段(DJ, 图1A)，从预先设置好的70 cm高度(能使下肢伸肌肌群在肌肉向心收缩后完全拉伸的距离)向斜下方运动，经制动后转换向上弹起的过程；文献表明，SSC运动离心阶段后即刻肌肉疲劳症状明显^[5,10]，故本实验只在此阶段恢复期20 min、2 d、4 d重复测试。2)蹲起阶段(SJ, 图1B)，在不预拉长肌肉的情况下保证大腿伸肌完成最大速度向心收缩。在受试者力竭后即刻(0 min)、恢复期10 min、20 min、恢复2 d、4 d后重复测试。

图1 SSC运动过程示意图(A,B)及一名受试者在SSC运动中

下落阶段(Drop Jump, DJ)和蹲起阶段(Squat Jump,SJ)中

股直肌(VL)和腓肠肌(GA)的肌电图、膝关节和踝关节的

用力特征分析。

1.2.2 运动过程中下肢各关节的运动学测试 在受试者右侧用高速摄像机(NAC，HSV 200，Japan)记录SSC每个蹲起过程(100帧/s)。数据采集点设在头部、肩关节、股骨大转子部位、膝关节、踝关节和第五跖骨。各点采得的数据用7 Hz的频率进行降噪处理，输入数据分析系统(APAS，Ariel Dynamics Inc., Calif., USA)计算出髋、膝、踝关节的角速度和线速度。此外，整个运动过程中受试者所受到的重力和重力的分力用Winter(1979)^[12]提出的公式进行校正。下肢关节(髋、膝、踝关节)运动轨迹采用Aleshinsky(1986)^[13]和Horita(1991)^[14]等建立的模型处理。在本实验中，头部、躯干、大腿部、小腿部和足部五个部位用电极连接，主要用于记录各点代表的关节在运动中所承受的负荷特征。测试结果用各关节功率曲线表示。

1.2.3 蹲起过程中表面肌电图(EMG)的测定 表面肌电图(EMG)：通过微电极法测试每名被试右腿股直肌(vastus lateralis, VL)、股内侧肌(vastus medialis, VM)、腓肠肌内侧头(medial gastrocnemius, GA)和比目鱼肌(Soleus, SO)来确定，主要记录运动过程中肌肉预拉长阶段、制动阶段和发力蹬离阶段(图1)的肌电图变化。电极纵向贴置于肌腹，电阻设置为2 000Ω。精确记录电极放置位置，以确保重复测量时电极位置的一致性和结果的准确性。收集到的肌电信号通过一个采样频率为12位的A/D转换器(频率设置为1 000 Hz)^[15]输入计算机实时数据传输系统(Codas, Dataq Instruments Inc.,USA)分析。

1.2.4 血乳酸和血清肌酸激酶活性(Creatine Kinase, CK) 测试安静时、力竭性SSC运动后即刻、恢复期3、5和30 min血乳酸浓度(YSI 1500, USA)。测试安静时、恢复期30 min、恢复2 d和4 d后的CK浓度(Rayto 1904, USA)。

1.3 数据处理 采用STATISTICA v6.0(StatSoft, Okla., USA)对数据进行统计处理，数据用均数±标准差( X±SD )表示。双因素方差分析(MANOVA，重复测量次数×SSC中DJ、SJ两个阶段)用于分析运动前后的肌肉疲劳变化和各关节用力特征等指标，多重比较(post-hoc)用LSD法。因DJ阶段0 min和10 min未测量，所以对运动前、运动后20 min、2 d和4 d4个水平的值进行多重比较。血乳酸和CK不同时间取值的比较，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)，显著性差异α水平皆置为 P ≤0.05。

2 结 果

2.1 力竭性SSC运动前后运动能力的变化 ┆受试者至力竭完成了(89±26)次SSC运动，平均用时(2.7±0.9)min。从力量变化曲线可观察到受试者在力竭SSC运动中的力量峰值、力量衰减速率和力竭运动的时间变化情况，反应出受试者本实验中的疲劳过程(图2)。力量峰值和停滞期转向向心收缩期分别从(1 585±210)N降到(1 308±293)N( P <0.05)，从(1 344±269)N降到(1 095±36)N( P <0.01)。而最后10次蹲起的时间为(696±97)ms，显著高于运动初始时的10次连续蹲起时间(526±85)ms( P <0.05)；最初10次蹲起的膝关节平均角速度为(54±10)°/s，最后10次平均角速度为(45±7)°/s( P <0.05)。

图2 一位受试者在力竭性SSC运动中的力量变化曲线

(此受试者与图1为同一人)

2.2 离心收缩期和向心收缩时期肌肉运动能力的变化 ┆由图1可知，SSC运动过程中，肌肉离心收缩、向心收缩两个阶段的力量曲线、所用时间各不相同，从总的做功量来看，离心收缩期大于向心收缩期。且由于离心收缩期包括了制动转换的阶段，所以做功量有一些损失^[15]。从蹲起成绩来看，在SSC运动后，肌肉向心收缩期的能力迅速降低，但运动后10 min左右恢复，在运动后2 d、4 d基本保持在同一水平，而离心阶段呈现出延迟性降低的特征。两个阶段下肢主要关节在4 d后也呈现出不同的运动学特征(表1)。

表1 SSC运动中下落阶段(DJ)和蹲起阶段(SJ)蹲起高度和下肢各主要关节用力分布特征( X±SD )

蹲起阶段运动前运动后即刻运动后10 min运动后20 min运动后2 d运动后4 d双因素方差

2.3 下肢各关节点最大力量的变化 ┆下肢各关节点运动过程中功率曲线见图3。在既定运动模型中，在制动和爆发用力的蹲起阶段，膝关节承受的负荷最大。ハ轮各关节的关节用力分布特征见表1，最大力量变化见表2。在向心收缩阶段，关节用力分布在SSC运动后无明显变化，而膝、踝关节最大力量显著降低。但10 min和20 min后即恢复到运动前水平。在离心收缩期，膝关节用力分布和最大力量都降低；踝关节和髋关节在SSC运动后降低，在恢复期却轻微增高；其中踝关节主动收缩能力和髋关节的退让性力量在恢复2 d、4 d后都增强。而膝关节和髋关节在离心收缩和向心收缩后，呈现出不同的恢复特征(表2)。图3 下肢关节功率变化曲线表2 SSC运动中下落阶段和蹲起阶段下肢各主要关节最大力量的变化情况

蹲起阶段运动前运动后即刻运动后10 min运动后20 min运动后2 d运动后4 d双因素方差

2.4 向心收缩和离心收缩阶段EMG的变化情况 不同时间测得的EMG值用占上次测得值的百分比(Δ%)表示，绝对值用mV表示。SJ阶段EMG并未显示出明显差异。虽然腓肠肌(GA)EMG在运动后即刻平均降低了19%，但由于个体差异很大，并无统计学意义( P >0.05)(图4)。DJ阶段，SSC运动后2 d和4 d，膝关节伸肌(VL和VM)显著性降低( P <0.05)。GA EMG在运动后第4 d也显示出延迟性降低的特征。

2.5 血乳酸和CK的变化情况 血乳酸浓度与安静时(1.98±0.3 mmol/L)相比，运动后3 min为(8.9±1.1)mmol/L( P <0.01)，5 min时为(10.1±0.8)mmol/L( P <0.01)，在30 min时为(2.4±0.8)mmol/L。血清CK与安静时(134±37 U/L)相比，在运动后2 d和4 d明显升高，分别为(386±81)U/L， P <0.05；(251±79)U/L， P <0.05。图4 SSC运动中SJ阶段腿部肌肉肌电图的变化情况

3 讨论与分析

从肌肉运动能力变化和关节用力分布特征来看，力竭性SSC运动后，肌肉在离心和向心收缩期呈现出不同的疲劳特征。力竭性SSC运动后：1) 肌肉向心收缩力量迅速降低，这与Gollhofer等^[16]的研究结果部分一致，其发现上肢肌肉力竭性SSC运动后，短时间内向心收缩能力大幅降低。但本实验发现，运动后10 min左右肌肉向心收缩能力即基本恢复，在运动后2 d、4 d基本保持在同一水平。2) 离心收缩后，肌肉力量呈现出延迟性降低的特征。运动后2 d、4 d仍未恢复到运动前水平，同期的CK活性也有相同趋势。结果揭示，力竭性SSC运动较易导致肌肉急性代谢疲劳和延迟性肌肉酸痛症状，其中，肌肉向心收缩能力(克服阻力做功)恢复较快；肌肉离心收缩能力恢复较慢且更易造成肌肉损伤。提示力竭性SSC运动应注意肌肉离心收缩的负荷以及运动后有针对性的恢复，在训练中提高相关肌肉群退让性力量有利于提高运动成绩和防止运动损伤。

在蹲起阶段(SJ)，因受试者靠在下斜板上进行同一方向的蹲起运动，所以假设这个阶段膝关节和踝关节伸肌做的是单纯的向心收缩运动^[5,7,10,15]。在下落阶段(DJ)，肌肉在离心收缩后经历一个短暂停滞期然后迅速进行向心收缩(图1)。所以快肌运动单位在DJ阶段最大程度的被募集^[17]。在每个SSC周期中，肌肉预拉长和制动阶段对运动成绩(跳起高度)非常重要^[18]。所以，不同的SSC运动模型给肌肉造成的疲劳损伤情况是不同的(本实验设定的离心→向心阶段转换时间小于150 ms)。从下肢各关节点最大力量的变化结果可知，SSC运动在制动和蹬起阶段膝关节承受负荷最大；这也是在篮球运动中滑步、排球运动中起跳、田径运动中的跳深练习等运动形式易造成膝关节周围肌肉和半月板损伤的重要原因。在运动后2 d和4 d，肌肉离心收缩时膝关节用力分布和力量都有不同程度的降低(表1、表2)。在运动后即刻，膝关节的关节角速度较运动初始阶段明显降低。这说明本实验的采用的运动模型使膝关节承受的运动负荷较大，接近于比赛和训练的运动形式。相比较而言，踝、髋关节向心收缩时的力量在恢复2 d和4 d后出现对膝关节运动能力减弱的补偿性增长，这共同协调构成了下肢在运动过程中完成各种技术动作的调节能力。

综合各关节在既定运动模型中踝、髋关节在离心、向心收缩时的不同用力分布特征及恢复情况，提示SSC运动主要是通过肌肉离心运动阶段施予各关节周围肌群受力，通过改善髋、踝关节和膝关节间的相对力量的平衡来提高运动能力，而向心阶段受到的影响则相对较小。提示在训练和比赛中可根据受试者各项目具体情况制定其各主要运动关节的训练计划和确定相应的康复手段。

普遍认为是运动导致的肌原纤维超微结构(myofibrillar structure)性损伤引发了延迟性肌肉疼痛等症状，但其代谢机制尚不明了^[19]。SSC周期中肌肉向心收缩阶段，牵张反射和肌肉收缩能力与运动成绩密切相关^[20]，大强度SSC运动造成的肌肉疲劳能明显降低肌肉的敏感性和肌肉弹性^[5，10]，也更容易造成神经—肌肉接头处的疲劳，总的表现为运动能力下降。CK作为肌肉损伤和恢复的间接诊断指标^[21,22]，其活性在运动后2 d、4 d显著增高，说明力竭性SSC运动对肌肉有较大的刺激性，在运动后4 d肌肉仍处于疲劳状态。同时，运动后3 min和5 min血乳酸水平显著高于运动前，运动后30 min基本恢复到安静水平。结合关节受力特征和肌电图，说明肌肉内代谢产物的增加反过来也可能影响到肌肉牵张反射及收缩力量，这也可能是影响到运动能力的一个重要原因。SSC运动造成的肌肉疲劳和/或损伤的机制可能是运动后“神经—肌肉”接头处的敏感性降低，直接或间接地导致了肌肉肌梭和腱梭前突触部位的敏感性下降，致使其接受神经递质的能力降低^[5,10,23-26]。Horita等(1996)^[5]在短时大强度SSC运动造成的肌肉疲劳模型中也得出了相似结论。

在运动后20 min，SJ阶段的腓肠肌EMG 出现了明显的延迟性降低。在SSC运动中，GA肌肉是小腿蹬离地面时最主要的发力肌肉^[11,27]，也是腿部重要的双关节肌(起自股骨内、外侧髁，止于跟腱)，其中膝关节主要起杠杆作用将肌肉产生的力量在近关节和远关节之间传输，从而在大肌肉群发力和制动缓冲的时候起到重要作用^[28]。此外，有研究观测到在快速SSC运动中GA首先被募集用于运动发力^[29]。而本实验结果显示，向SJ过程中GA EMG无明显的延迟性改变(图4)，所以，可以推断出在SSC周期的离心和向心阶段，GA肌肉是主要的发力和缓冲肌肉，其承受负荷的能力也非常强。离心阶段GA出现延迟性力量降低，说明离心收缩后对肌肉损伤更大，肌肉恢复较慢。

4 结 论

在力竭性SSC运动中，肌肉代谢疲劳是造成运动能力下降的主要原因，且能明显地影响到肌肉的收缩能力。其机制可能主要是因为“拉长—缩短”周期中离心阶段造成的肌纤维结构的变化和“神经—肌肉”突触兴奋性降低时肌肉牵张反射和收缩能力降低；SSC运动使肌肉代谢产物堆积也是造成肌肉疲劳和运动能力下降的原因。チ竭性SSC运动后，受试者肌肉离心收缩后的蹲起高度、关节用力分布及力量、EMG等指标的变化都表明离心收缩更容易造成肌肉的延迟性疼痛，且肌肉疲劳后恢复较慢。肌肉在向心收缩阶段，没有出现的明显的延迟性肌肉疼痛和/或损伤。ハス亟谠诹竭性SSC运动中是承受负荷的主要关节；腿部肌肉疲劳后，髋、踝关节表现出对膝关节运动能力减弱的补偿性增长，共同构成下肢完成技术动作的协调能力。

参考文献：

［1］ 徐飞.对Plyometrics问题的再探究［J］.天津体育学院学报，2007,22(1):50-4.

［2］ 徐飞,夏志,郭凡.对Plyometrics问题的再探究—兼对《Plyometrics问题探究》一文的辨析与商榷［J］.首都体育学院学报，2007,19(5):19-24.

［3］ Radcliffe JC,Farentinos RC. Plyometrics: Explosive Power Training［M］. Human Kinetics Publishers; 1985.

［4］ Chu DA. Jumping Into Plyometrics［M］. Human Kinetics，1998.

［5］ Horita T,Komi PV,Nicol C, et al. Stretch shortening cycle fatigue: interactions among joint stiffness, reflex, and muscle mechanical performance in the drop jump ［corrected］［J］. Eur J Appl Physiol Occup Physiol，1996,73(5):393-403.

［6］ Lieber RL,Friden J. Selective damage of fast glycolytic muscle fibres with eccentric contraction of the rabbit tibialis anterior［J］.Acta Physiol Scand，1988,133(4):587-8.

［7］ Horita T,Komi PV,Nicol C, et al. Effect of exhausting stretch-shortening cycle exercise on the time course of mechanical behaviour in the drop jump: possible role of muscle damage［J］. Eur J Appl Physiol Occup Physiol，1999,79(2):160-7.

［8］ Martel GF,Harmer ML,Logan JM, et al. Aquatic plyometric training increases vertical jump in female volleyball players［J］. Med Sci Sports Exerc，2005,37(10):1814-9.

［9］ 田野,戴维,聂金雷.不同频率电刺激对运动延迟性肌肉酸痛和肌肉收缩力量的影响［J］.体育科学，2003, 23(2):124-9.

［10］ Nicol C,Komi PV,Horita T, et al. Reduced stretch-reflex sensitivity after exhausting stretch-shortening cycle exercise［J］. Eur J Appl Physiol Occup Physiol，1996,72(5-6):401-9.

［11］ Komi PV,Gollhofer A,Schmidtbleicher D, et al. Interaction between man and shoe in running: considerations for a more comprehensive measurement approach［J］. Int J Sports Med，1987,8(3):196-202.

［12］ Winter DA. Biomechanics of Human Movement［M］.New York: Wiley，1979.

［13］ Aleshinsky SY. An energy 'sources' and 'fractions' approach to the mechanical energy expenditure problem--I. Basic concepts, description of the model, analysis of a one-link system movement［J］. J Biomech，1986,19(4):287-93.

［14］ Horita T,Kitamura K,Kohno N. Body configuration and joint moment analysis during standing long jump in 6-yr-old children and adult males［J］. Med Sci Sports Exerc，1991,23(9):1068-72.

［15］ Horita T,Komi PV,Hamalainen I, et al. Exhausting stretch-shortening cycle (SSC) exercise causes greater impairment in SSC performance than in pure concentric performance［J］. Eur J Appl Physiol，2003,88(6):527-34.

［16］ Gollhofer A,Komi PV,Miyashita M, et al. Fatigue during stretch-shortening cycle exercises: changes in mechanical performance of human skeletal muscle［J］. Int J Sports Med，1987,8(2):71-8.

［17］ Nardone A,Romano C,Schieppati M. Selective recruitment of high-threshold human motor units during voluntary isotonic lengthening of active muscles［J］. J Physiol，1989,409(1):451-71.

［18］ Horita T,Komi PV,Nicol C, et al. Interaction between pre-landing activities and stiffness regulation of the knee joint musculoskeletal system in the drop jump: implications to performance［J］. Eur J Appl Physiol，2002,88(1-2):76-84.

［19］ Friden J,Sjostrom M,Ekblom B. Myofibrillar damage following intense eccentric exercise in man［J］. Int J Sports Med，1983,4(3):170-6.

［20］ Komi PV,Gollhofer A. Stretch reflexes can have an important role in force enhancement during SSC exercise［J］. J Appl Biomech，1997,13(4):451-60.