古福明，蔣 麗

(成都體育學(xué)院運動醫(yī)學(xué)系，四川 成都 610041)

肌肉力量是絕大多數(shù)運動項目的基礎(chǔ)，肌肉力量訓(xùn)練是競技體育訓(xùn)練中的一項重要內(nèi)容。近年來，作為一種新興的肌肉力量訓(xùn)練方法，振動訓(xùn)練受到越來越多的關(guān)注。振動刺激對肌肉力量訓(xùn)練效果的大量實驗研究發(fā)現(xiàn)，振動訓(xùn)練可顯著提高肌肉的最大力量和爆發(fā)力［1－8］。在影響因素方面，所做的實驗研究發(fā)現(xiàn)，振動波的振幅、頻率、方向等基本要素對肌力訓(xùn)練效果產(chǎn)生影響［9－11］。但是，關(guān)于振動訓(xùn)練在提高肌肉力量的機制研究方面，還存在著不足。目前，大多數(shù)研究從肌肉的生理學(xué)角度來解釋實驗結(jié)果的作用機制，認(rèn)為提高肌肉力量的原因是振動刺激增加了外界對肌肉本體感受器的刺激量，同時激活了不同興奮閾值的運動單位，導(dǎo)致運動單位的募集量增加［10－14］。而缺少對振動訓(xùn)練作用目標(biāo)的多學(xué)科多角度細(xì)化研究，很少考慮機械振動產(chǎn)生交變應(yīng)力的力學(xué)特點和肌肉自身的生物力學(xué)特性，如粘彈性體、對機械波的傳遞效應(yīng)等［15］。本文旨在通過動物實驗研究振動訓(xùn)練對肌肉生物力學(xué)性能的影響，從運動生物力學(xué)角度探索振動訓(xùn)練的主要作用目標(biāo)，這有助于更全面、更深入認(rèn)識振動訓(xùn)練的作用機制，豐富振動訓(xùn)練的理論，更好地指導(dǎo)振動訓(xùn)練實踐，促進(jìn)振動訓(xùn)練效果的提高。

1 材料與方法

1.1 實驗動物及飼養(yǎng)方法

用四川大學(xué)華西醫(yī)學(xué)實驗動物中心培育的3月齡健康雄性SD大鼠60只，體重為180－210g。采用架式籠養(yǎng)，每籠5只，運動與飼養(yǎng)環(huán)境溫度維持在18℃－24℃，相對濕度為45% －55%，自然光照。國家標(biāo)準(zhǔn)嚙齒類動物顆粒飼料飼養(yǎng)，自由攝食和飲水。

1.2 動物分組與訓(xùn)練方案

大鼠適應(yīng)性飼養(yǎng)1周后，隨機分成4組，即安靜對照組(C)、25Hz頻率振動訓(xùn)練組(L，25Hz)、35Hz頻率振動訓(xùn)練組(M，35Hz)和45Hz頻率振動訓(xùn)練組(H，45Hz)，每組15只。采用美國Power Plate振動訓(xùn)練臺對各訓(xùn)練組大鼠進(jìn)行振動訓(xùn)練，訓(xùn)練時將同一振動頻率實驗組的15只大鼠同時放置在振動臺上，每只大鼠分別放置在自制的有機玻璃器皿中，該器皿能限制大鼠直立姿勢，保證大鼠下肢在抗自身重力的狀態(tài)下接受振動刺激，如圖1所示。每天振動訓(xùn)練2次，每次訓(xùn)練時間為15min，兩次訓(xùn)練間歇時間為5min。各組的振幅均為3mm，縱向振動。每周訓(xùn)練5天，休息2天，共8周。

圖1 振動訓(xùn)練中的大鼠

1.3 動物取材

各組大鼠在最后一次振動訓(xùn)練后24小時內(nèi)進(jìn)行取材。采用10%的水合氯醛溶液(3ml/kg)腹腔注射麻醉大鼠，取大鼠右側(cè)腓腸肌，清除周圍多余組織，保留兩端肌腱。所取材料用浸泡過生理鹽水的紗布包裹后，立即置于液氮預(yù)冷的凍存管，然后放至在－80℃冰箱冷凍待測。

1.4 力學(xué)指標(biāo)檢測

在四川大學(xué)生物力學(xué)省重點實驗室，將解凍的待測腓腸肌夾于夾具中，采用日本島津公司的AGISMS型電子萬能試驗機，在恒溫恒濕的實驗室中進(jìn)行腓腸肌生物力學(xué)性能測試。正式測試前進(jìn)行試件的預(yù)調(diào)處理，預(yù)調(diào)次數(shù)為10次循環(huán)拉伸，循環(huán)拉伸時的載荷范圍為0－3N，加載速率為3mm/min。預(yù)調(diào)實驗之后立即進(jìn)行正式測試，以3mm/min加載速率進(jìn)行拉伸破壞試驗，以受試材料不在夾具處斷裂為實驗成功的標(biāo)準(zhǔn)，并記錄其載荷－變形曲線。測試期間用注滿生理鹽水的針頭不間斷地滴浴保濕。之后，使用AGISMS型電子萬能試驗機自帶的TRAPEZIUM2軟件處理數(shù)據(jù)，并輸出最大載荷和到最大載荷時的能量吸收等結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)，以及彈性模量、最大應(yīng)力、到最大載荷時的應(yīng)變等材料力學(xué)參數(shù)。

1.5 統(tǒng)計學(xué)處理

使用SPSS19.0統(tǒng)計軟件處理實驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采用平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差(ˉX±SD)表示，采用單因素方差分析和差異顯著性檢驗對不同組別的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，顯著水平為P＜0.05，非常顯著水平為P＜0.01。

2 實驗結(jié)果

2.1 大鼠腓腸肌的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能

表1顯示，與C組大鼠相比，25Hz組大鼠腓腸肌的最大載荷、到最大載荷時的能量吸收有非常顯著的增加(P＜0.01);35Hz組大鼠腓腸肌的最大載荷、到最大載荷時的能量吸收均有所增加，但無統(tǒng)計學(xué)意義的差異(P＞0.05);45Hz組大鼠腓腸肌的最大載荷、到最大載荷時的能量吸收顯著增加(P＜0.05)。

表1 腓腸肌結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)

2.2 大鼠腓腸肌的材料力學(xué)性能

表2顯示，與C組大鼠相比，25Hz組大鼠腓腸肌的彈性模量、最大應(yīng)力均有非常顯著的增加(P＜0.01)，到最大載荷時的應(yīng)變有顯著的減小(P＜0.05);35Hz組大鼠腓腸肌的彈性模量、最大應(yīng)力有所增加，到最大載荷時的應(yīng)變有所減小，但均無統(tǒng)計學(xué)意義的差異(P＞0.05);45Hz組大鼠腓腸肌的彈性模量、最大應(yīng)力有顯著增加(P＜0.05)，但是，到最大載荷時的應(yīng)變無顯著性的減小(P＞0.05)。

表2 腓腸肌材料力學(xué)參數(shù)

3 分析討論

3.1 振動訓(xùn)練對大鼠肌肉力學(xué)特性的影響分析

在本研究中，25Hz組和45Hz組大鼠腓腸肌的最大載荷、最大應(yīng)力顯著增加。最大載荷的增加可以提高機體運動時肌肉承受最大負(fù)荷的能力，最大應(yīng)力的增加提高了肌肉的強度。因此，適宜的振動訓(xùn)練可以提高肌肉的最大力量，這與其他動物實驗的結(jié)果基本一致［8］。同時，肌肉強度的增加又可以提高機體運動時肌肉工作的安全系數(shù)，從而降低了機體大強度運動時肌肉損傷的幾率。

由表1可知:25Hz組和45Hz組大鼠腓腸肌到最大載荷時的能量吸收顯著增加，即腓腸肌儲存彈性勢能的能力顯著增加。由運動生物力學(xué)可知，肌肉儲存彈性能量及隨后的能量釋放可以增大肌肉末端的力量，因此大鼠腓腸肌最大能量儲存能力的增加，可以增大肌肉力量，提高運動的效率。

由表2可知:25Hz組和45Hz組大鼠腓腸肌的彈性模量顯著增加，在最大載荷時的應(yīng)變有顯著的減小，即在一定力的作用下腓腸肌的形變降低，抵抗變形的能力增強。一方面，腓腸肌彈性模量的增加會使得在一定的變形的情況下，腓腸肌彈性力增大，在其他條件相同時腓腸肌末端的肌力增大;另一方面，腓腸肌彈性模量的增加會使得在一定的力的作用下腓腸肌變形減小，即減小了肌節(jié)的伸長(縮短)距離，在其他條件相同時，肌節(jié)的收縮速率減小，由希爾方程可知，這可增大了肌肉的收縮力。因此，肌肉彈性模量的增加有利于肌肉力量的提高。

振動訓(xùn)練的本質(zhì)是通過外加機械振動波作用于肌肉，并使肌肉產(chǎn)生響應(yīng)的過程，因此振動訓(xùn)練的終極作用目標(biāo)是肌肉。由運動生物力學(xué)的肌肉結(jié)構(gòu)力學(xué)模型可知，肌肉是由主動收縮元和被動彈性元組成，肌力的構(gòu)成就是由主動收縮元產(chǎn)生的收縮力(該力由串聯(lián)彈性元進(jìn)行傳遞)和并聯(lián)彈性元被動拉伸后產(chǎn)生的彈性力二者共同構(gòu)成。本研究所采用的實驗材料是離體腓腸肌，由于肌纖維在離體狀態(tài)下已經(jīng)完全沒有了主動收縮力，所以本研究測得的力就是離體腓腸肌中彈性成分的彈性力，即振動訓(xùn)練對大鼠腓腸肌力學(xué)性能的影響，就是振動訓(xùn)練對大鼠腓腸肌中彈性成分力學(xué)性能的影響。因此，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)［16］和本研究的結(jié)果可以認(rèn)為振動訓(xùn)練的機械波較多的促進(jìn)了肌肉彈性成分的工作能力提高，即在振動訓(xùn)練中振動波的主要作用是影響肌肉中的彈性成分。

振動波的作用主要是肌肉彈性成分的觀點能得到機械波傳播理論的支持。因為動物及其組織均是粘彈性體，機械波在動物組織中傳播時會受到較大的阻力，粘性越大阻力越大，反之越小，所以動物組織的彈性物質(zhì)能更好地傳播機械波，即振動波能使彈性物質(zhì)產(chǎn)生較敏感的反應(yīng)，彈性模量越大反應(yīng)越敏感，彈性模量越小反應(yīng)越遲鈍。因此，對振動訓(xùn)練的機械波產(chǎn)生響應(yīng)的應(yīng)該是機體的彈性成分。

3.2 不同振動頻率對大鼠肌肉力學(xué)特性的影響分析

振動訓(xùn)練的效果受振動波的振幅、頻率、方向和持續(xù)時間等因素影響。在振動頻率對運動能力影響的報道中，劉北湘［9］的研究表明，在15－45Hz振動頻率范圍內(nèi)，隨著頻率的增加，振動訓(xùn)練的效果有明顯增加的趨勢。任滿迎等［10］對運動員下肢肌群進(jìn)行同振幅不同頻率的振動訓(xùn)練的研究發(fā)現(xiàn)，不同振動頻率對振動效果產(chǎn)生不同的影響。同振幅下(振幅4mm)，35－50 Hz頻率的振動刺激對肌肉最大力量、快速力量、爆發(fā)力以及肌肉耐力的訓(xùn)練效果顯著高于25 Hz－35 Hz頻率的振動刺激。本研究的結(jié)果同以上研究結(jié)果不完全一致，其原因是上述文獻(xiàn)中的研究對象都是人體實驗，而本研究是動物實驗。

本研究結(jié)果顯示，25Hz組和45Hz組大鼠腓腸肌的最大載荷、能量吸收、彈性模量、最大應(yīng)力等力學(xué)參數(shù)均顯著高于安靜對照組，而35Hz組大鼠腓腸肌的各項力學(xué)與安靜對照組無顯著性差異。這表明25Hz組和45Hz組的振動訓(xùn)練均能提高大鼠的肌肉力量，而35Hz組的訓(xùn)練效果不明顯。其原因可能是35Hz組的振動頻率等于或接近于大鼠下肢肌肉的固有頻率，由機械波的強度公(式中ρ為介質(zhì)的密度，u為波速，A為振幅，ω為振動頻率)可知，機械波的強度與振幅的平方、頻率的平方成正比。當(dāng)外加的振動頻率等于或接近受迫振動系統(tǒng)的固有頻率時，受迫振動系統(tǒng)的振幅A會急劇增大，從而造成施加于大鼠的振動負(fù)荷量過大，導(dǎo)致機體不適應(yīng)。這一點可以從各訓(xùn)練組在整個訓(xùn)練期間的生長情況和精神狀態(tài)得到間接證實:在整個訓(xùn)練期間，35Hz組大鼠的精神狀態(tài)較差，且有大鼠死亡情況，而其余各組大鼠的精神狀態(tài)良好、且無死亡現(xiàn)象。

因此，選取的振動訓(xùn)練頻率應(yīng)該避開待訓(xùn)練部位系統(tǒng)的固有頻率附近區(qū)域，至于該區(qū)域的大小，還需進(jìn)一步的探討。在此基礎(chǔ)上，為了使肌肉獲得足夠大的刺激能量，達(dá)到良好的振動訓(xùn)練效果，可以選擇較高的振動頻率甚至高于待訓(xùn)練部位系統(tǒng)固有頻率的振動頻率進(jìn)行訓(xùn)練。然而，由于機體不同部位的固有頻率存在著很大的差異，且大鼠軟組織的固有頻率缺少相關(guān)文獻(xiàn)資料，因此振動頻率的適宜范圍還需要做大量的研究工作。

4 結(jié)論

(1)振動訓(xùn)練能顯著地改變大鼠腓腸肌的生物力學(xué)性能，促進(jìn)肌肉中彈性成分的工作能力提高，這表明振動訓(xùn)練的主要作用目標(biāo)是肌肉中的彈性成分。

(2)為了達(dá)到良好的振動訓(xùn)練效果，選擇的振動頻率應(yīng)避開待訓(xùn)練部位系統(tǒng)的固有頻率附近區(qū)域，其區(qū)域的大小還需進(jìn)一步的探討。

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