李林紀(jì)仲秋李艷霞

1北京師范大學(xué)體育與運(yùn)動(dòng)學(xué)院（北京 100875）2中國人民大學(xué)體育部3廊坊師范學(xué)院體育學(xué)院

不同肌力下手指力量覺規(guī)律研究

李林1,2紀(jì)仲秋1李艷霞3

1北京師范大學(xué)體育與運(yùn)動(dòng)學(xué)院（北京 100875）2中國人民大學(xué)體育部3廊坊師范學(xué)院體育學(xué)院

目的：探討不同肌力輸出情況下，手指力量覺所反映的規(guī)律及機(jī)制。方法：對30名男大學(xué)生進(jìn)行優(yōu)勢側(cè)各手指最大等長肌力測試和不同肌力的力量重現(xiàn)法測試。結(jié)果：各手指力量覺由好到差依次是食指、拇指、中指、無名指、小指。不同肌力時(shí)力量覺曲線呈U型，兩端高，中間低。當(dāng)肌力較小時(shí)，實(shí)測值較目標(biāo)力值大；當(dāng)肌力適中時(shí)，實(shí)測值較目標(biāo)力值差異不大；當(dāng)肌力較大時(shí)，實(shí)測值較目標(biāo)力值小。結(jié)論：精細(xì)動(dòng)作的力量感知主要由食指和拇指完成，中指起主要的輔助作用，無名指和小指起次要的輔助作用。肌力較大或較小時(shí)，力量覺都較差，而肌力大小適中時(shí)力量覺較好。當(dāng)肌力較小時(shí)，實(shí)際輸出的力量比自我感覺的力值大；當(dāng)肌力適中時(shí)，實(shí)際輸出的力量和自我感覺的力值較接近；當(dāng)肌力較大時(shí)，實(shí)際輸出的力量比自我感覺的力值小。

本體感覺；力量覺；力量重現(xiàn)法；手指

本體感覺定義為由位于關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)囊、韌帶、肌肉、肌腱、皮膚的機(jī)械性感受器向中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)放的神經(jīng)沖動(dòng)[1，2]。本體感覺是對肌肉張力、環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)和關(guān)節(jié)位置的感覺，通常劃分為力量覺、運(yùn)動(dòng)覺和位置覺，力量覺代表對關(guān)節(jié)肌力的鑒別能力[3，4]。手指在運(yùn)動(dòng)過程中起著非常重要的作用，尤其是手指的力量感覺，對一些需要精細(xì)控制的動(dòng)作起著至關(guān)重要的作用。如籃球的投籃，手指用力過大或過小，都不能將球投進(jìn)，只有力量恰到好處時(shí)才能投進(jìn)，此時(shí)對力量大小的感知，即力量覺起著至關(guān)重要的作用。由于投籃位置距離籃筐的

遠(yuǎn)近、出手的角度、速度等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同，導(dǎo)致這個(gè)恰到好處的力量輸出也不是一成不變的。

以往研究主要集中在對膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)等大關(guān)節(jié)的力量覺的研究[4，5]，這主要是由于現(xiàn)有力量覺測試儀器只能測試大關(guān)節(jié)造成的，如BIODEX等速測試系統(tǒng)、CYBEX測試系統(tǒng)等[6，7]，這也導(dǎo)致了國內(nèi)外對手指力量覺進(jìn)行的研究較少。Walsh只進(jìn)行了小目標(biāo)力值（10 N以下）時(shí)的食指力量覺研究，認(rèn)為在小目標(biāo)力值時(shí)食指力量覺出現(xiàn)高估現(xiàn)象，即實(shí)測值較目標(biāo)力值大[8]。Raghu對腹腔鏡培訓(xùn)時(shí)手指力量控制的研究中獲得新手在培訓(xùn)時(shí)手指力量覺也出現(xiàn)高估的結(jié)論[9]。以往研究主要集中在小力量輸出情況下個(gè)別手指的力量覺研究，但在人體運(yùn)動(dòng)過程中，手指處于鞭打動(dòng)作的末端，會(huì)經(jīng)常處于較高肌力的情況下，如網(wǎng)球的揮拍、籃球的投籃等。因此，在不同肌力情況下手指的力量覺研究就顯得極為必要和重要。本文的目的是探討不同肌力大小情況下，手指力量覺所反映的規(guī)律及機(jī)制。

圖1 指力測量裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 自制手指力量覺測試軟件框圖

1 實(shí)驗(yàn)對象與方法

1.1實(shí)驗(yàn)對象

隨機(jī)招募30名男生作為本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)對象（年齡：19.29±0.95歲；身高：170.57±5.29 cm；體重：63. 00±12.12 kg），要求所有受試者排除主要臟器和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的器質(zhì)性疾病，視力正常，優(yōu)勢側(cè)手指關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)活動(dòng)度正常。

1.2研究方法

所有試驗(yàn)均是在北京師范大學(xué)體育與運(yùn)動(dòng)學(xué)院運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成的。受試者只進(jìn)行優(yōu)勢側(cè)手指關(guān)節(jié)測試，拋球試驗(yàn)確定優(yōu)勢側(cè)。自制手指力量覺測試系統(tǒng)由自制指力測量裝置和與之配套的手指力量覺測試軟件組成，已獲實(shí)用新型專利（專利號：2015202193704）。

指力測量裝置用于各手指最大等長肌力測試和力量覺測試。指力測量裝置主要由壓力測量裝置和手持開關(guān)等部分組成，指力測量裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括一個(gè)壓力傳感器、ARM處理器部分及藍(lán)牙無線傳輸部分。壓力傳感器采用懸臂梁式壓力傳感器，測量行程0-100 N，精度0.1%FS。壓力傳感器可以輸出一個(gè)與加于其上的壓力成比例的電信號，該電信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號導(dǎo)入STM32F103單片機(jī)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用德州儀器公司生產(chǎn)的高精度24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1232芯片，采集頻率80 Hz。手持按鈕開關(guān)通過導(dǎo)線與STM32F103單片機(jī)相連。由于需要進(jìn)行大量數(shù)值計(jì)算，所用控制單元采用具有ARM Cortex-M3處理器的32位單片機(jī)STM32F103來完成控制、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)通訊等功能。最后將參數(shù)

處理成所需的數(shù)據(jù)格式。為數(shù)據(jù)添加數(shù)據(jù)頭和校驗(yàn)位，以減少藍(lán)牙無線傳輸時(shí)可能出現(xiàn)的誤讀操作。藍(lán)牙采用CSR BC417藍(lán)牙收發(fā)一體芯片，通過藍(lán)牙發(fā)射端發(fā)射，無線傳輸給連接在電腦的藍(lán)牙接收端，數(shù)據(jù)進(jìn)入運(yùn)行于電腦上的軟件。

自制手指力量覺測試軟件如圖2所示，由受試者數(shù)據(jù)庫模塊、最大等長肌力測試模塊、手指力量覺測試模塊、數(shù)據(jù)分析模塊組成。

自制手指力量覺測試系統(tǒng)的設(shè)備效度測試：指力測量裝置平放在水平桌面上，將不同重量的砝碼放置在指力測量裝置的手指按壓板上，砝碼重量。間隔60 s，等待砝碼與力測量設(shè)備趨于靜止，如圖3所示。打開測試軟件，記錄測試數(shù)據(jù)約5 s，采集頻率50 Hz對前3秒鐘采集到的150個(gè)數(shù)據(jù)RFj（j=1，2，…，150）進(jìn)行分析。重復(fù)上述測試過程，對每一重量砝碼測試3次，取平均值。測量誤差ME（method error）計(jì)算公式：

圖3 指力測量裝置效度檢驗(yàn)

力量感覺重現(xiàn)測試：受試者坐在測試椅上，優(yōu)勢側(cè)前臂及手掌通過綁帶固定，去除其他關(guān)節(jié)對測試手指關(guān)節(jié)的肌力代償，如圖4所示。首先進(jìn)行受試者各手指最大自主等長收縮測試，獲得最大自主等長收縮肌力（Maximal voluntary isometric contraction，MVIC）。各手指進(jìn)行三次5 s等長屈曲肌力測試，取每次測試的最大值，記錄為FM1、FM2、FM3。次間休息30 s去除疲勞影響。每組測試變異系數(shù)（Coefficient of variance，CV）要求控制在15%以下。各手指平均肌力FM計(jì)算公式：

休息3分鐘后，以MVIC的5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%和40%作為目標(biāo)力值，受試者被要求保持這個(gè)目標(biāo)力值（在電腦屏幕上用藍(lán)線表示目標(biāo)力值，受試者通過視覺反饋控制發(fā)力大小，用紅線表示），同時(shí)讓受試者注意感受此時(shí)用力的大小，保持3 s。在此之后，受試者被要求閉上眼睛，產(chǎn)生相同大小力量輸出并按手持開關(guān)記錄為實(shí)測力值，各目標(biāo)力值測試3次。計(jì)算目標(biāo)力值與實(shí)測力值的差異，判斷力量覺的精確度采用兩次力值的相對誤差和常數(shù)誤差表示，計(jì)算公式：

其中，RE是相對誤差，F(xiàn)1是常數(shù)誤差，F(xiàn)2是第一次實(shí)測力值，F(xiàn)3是第二次實(shí)測力值，T是第三次實(shí)測力值，是目標(biāo)力值[10-13]。

圖4 力量感覺重現(xiàn)測試

利用SPSS20.0統(tǒng)計(jì)軟件對測試指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，所有測試指標(biāo)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示。信度通過不同測試者使用本系統(tǒng)對同一受試者完成間隔一周的前后兩次測試的評定結(jié)果進(jìn)行組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（interclass correlation coefficient，ICC）分析來檢驗(yàn)[14，15]。效度通過對不同重量砝碼測量的結(jié)果與砝碼重量進(jìn)行組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（interclass correlation coefficient，ICC）分析來檢驗(yàn)[16]。分析各手指等長肌力、手指肌力和力量覺之間相互關(guān)系采用Pearson相關(guān)系數(shù)。

2 研究結(jié)果

2.1組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）

由表1～3可知，此測試具有較高的重測信度（ICC= 0.65～0.98）。day1、day2分別代表間隔一周的前后兩次測試。FSR－力量覺（相對誤差），F(xiàn)SC－力量覺（常數(shù)誤差）。

表1 手指最大等長肌力測試信度檢驗(yàn)

表2 手指力量覺（相對誤差）測試信度檢驗(yàn)

表3 手指力量覺（常數(shù)誤差）測試信度檢驗(yàn)

由表4可知，此設(shè)備具有較高的效度（ICC=0.99）。

表4 效度檢驗(yàn)

2.2手指最大等長肌力

由表5可知，對各手指最大等長肌力進(jìn)行單因素方差分析，F(xiàn)=4.7（P＜0.05），各手指最大等長肌力之間差異具有顯著性。各手指最大等長肌力從大到小排列依次是拇指（62.44±22.11）N、食指（50.98±9.56）N、中指（42.29±8.86）N、無名指（29.30±10.58）N、小指（24.37 ±6.63）N。

表5 手指最大等長肌力（N）

由表6可知，拇指、食指和中指之間最大等長肌力相關(guān)性較高，與無名指、小指最大等長肌力相關(guān)性低。與平均肌力相關(guān)性由高到低排列依次是拇指、食指、中指、無名指和小指。

表6 各手指最大等長肌力之間相關(guān)性

2.3手指力量覺

不同受試者之間以及同一受試者不同手指之間MVIC不同，致使目標(biāo)力值不同，由于測試結(jié)果與目標(biāo)力值大小有關(guān)，為了消除不同目標(biāo)力值對測試結(jié)果產(chǎn)生的影響，采用相對誤差表示力量覺的精確度。由表7可知，對各手指的各目標(biāo)值力量覺（相對誤差）的平均值進(jìn)行單因素方差分析，F(xiàn)=5.7，P＜0.05，各手指的各目標(biāo)值力量覺（相對誤差）的平均值之間差異具有顯著性。以各手指的各目標(biāo)值力量覺（相對誤差）的平均值表示該手指的力量覺，各手指力量覺由好到差依次是食指（12.59%±4.63%）、拇指（13.77%±6.89%）、中指（14.87%±7.00%）、無名指（15.49%±8.96%）、小指（16.62%±8.17%）。

表7 各手指力量覺（相對誤差）（%）

對不同目標(biāo)值時(shí)各手指力量覺（相對誤差）的平均值進(jìn)行單因素方差分析，F(xiàn)=9.5，P＜0.05，不同目標(biāo)值時(shí)各手指力量覺（相對誤差）的平均值之間差異具有顯著性。以不同目標(biāo)值時(shí)各手指力量覺的平均值表示不同目標(biāo)值時(shí)的力量覺，由好到差依次是25%MVIC（9.58% ±1.82%）、30%MVIC（9.70%±2.94%）、35%MVIC（10. 71%±1.46%）、20%MVIC（12.22%±0.81%）、15% MVIC（13.19%±2.69%）、40%MVIC（13.90%±1. 49%）、10%MVIC（18.07%±4.53%）、5%MVIC（29.97% ±6.10%），擬合回歸方程：

y=0.038x2-2.082x+374.492（5）

其中，是力量覺（相對誤差），是目標(biāo)值。決定系數(shù)R2=0.954，接近于1，說明該回歸方程能很好的擬合不同目標(biāo)值時(shí)的力量覺（相對誤差），對回歸方程的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，P＜0.01，具有顯著性，如圖5所示。

圖5 不同目標(biāo)值時(shí)力量覺（相對誤差）

為了表示目標(biāo)力值和實(shí)測力值之間的大小關(guān)系，從而反映受試者對輸出力量高估或低估，采用常數(shù)誤差表示力量覺的“方向”（高估或低估）。由表8可知，對各目標(biāo)值力量覺（常數(shù)誤差）的平均值進(jìn)行單因素方差分析，F(xiàn)=7.6，P＜0.05，各目標(biāo)值力量覺（常數(shù)誤差）的平均值之間差異具有顯著性。以各手指的各目標(biāo)值力量覺（常數(shù)誤差）的平均值表示該手指的力量覺，各手指力量覺由好到差依次是食指（3.20%±8.63%）、拇指（5. 15%±10.71%）、中指（5.59%±13.14%）、無名指（8. 18%±11.09%）、小指（8.67%±12.17%），與以相對誤差代表的力量覺一致。

表8 各手指力量覺（常數(shù)誤差）（%）

對不同目標(biāo)值時(shí)各手指力量覺（常數(shù)誤差）的平均值進(jìn)行單因素方差分析，F(xiàn)=5.7，P＜0.05，不同目標(biāo)值時(shí)各手指力量覺（常數(shù)誤差）的平均值之間差異具有顯著性。以不同目標(biāo)值時(shí)各手指力量覺的平均值表示不同目標(biāo)值時(shí)的力量覺，由大到小依次是5%MVIC（27.53% ±5.82%）、10%MVIC（14.39%±4.23%）、15%MVIC（9. 39%±3.32%）、20%MVIC（5.66%±2.36%）、25%MVIC（1.29%±1.27%）、30%MVIC（-0.44%±4.61%）、35% MVIC（-2.22%±3.23%）、40%MVIC（-6.34%±3. 31%），如圖6所示。

圖6 不同目標(biāo)值時(shí)力量覺（常數(shù)誤差）

由表9可知，各手指最大等長肌力與力量覺之間相關(guān)系數(shù)均小于0.6，因此各手指最大等長肌力與力量覺之間不具有相關(guān)性（P＞0.05）。

表9 各手指最大等長肌力與力量覺之間相關(guān)性

3 討論

各手指最大等長肌力從大到小排列依次是拇指、

食指、中指、無名指、小指。拇指、食指和中指之間最大等長肌力相關(guān)性較高，與無名指、小指最大等長肌力相關(guān)性低，可能與五指在抓握過程中的不同作用有關(guān)，拇指、食指和中指三指在抓握過程中起主要的固定和發(fā)力作用，無名指和小指起輔助作用，導(dǎo)致起主要作用的拇指、食指和中指之間在肌肉力覺上趨于一致。以各手指最大等長肌力的平均值代表手指力量的總體水平，與之相關(guān)性由高到低排列依次是拇指、食指、中指、無名指、小指，可應(yīng)用拇指肌力代表手指肌力總體水平。

各手指力量覺（相對誤差）由好到差依次是食指、拇指、中指、無名指、小指，與日常生活與運(yùn)動(dòng)過程中，大多數(shù)精細(xì)動(dòng)作主要由食指和拇指控制完成有關(guān)，中指起主要的輔助作用，無名指和小指起次要的輔助作用，如拿筷子吃飯、拿筆寫字、籃球投籃等。

擬合回歸方程（5）中x2系數(shù)大于0，拋物線開口向上，呈U型，兩端高，中間低，如圖5所示。說明在目標(biāo)力值過大或過小時(shí)，力量覺都較差，而在中部力量覺較好。力量覺測試結(jié)果的好壞與整個(gè)反射弧有關(guān)，即本體感受器的輸入、神經(jīng)傳導(dǎo)和作為效應(yīng)器的肌肉的肌力輸出控制。本體感覺信息由位于關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)囊、韌帶、肌肉、肌腱、皮膚的機(jī)械性感受器產(chǎn)生[17-20]。導(dǎo)致本體感覺的信息的主要受體位于肌肉、肌腱、韌帶和關(guān)節(jié)囊，而那些位于深層皮膚和筋膜層傳統(tǒng)上被視為補(bǔ)充來源。機(jī)械感受器將人體組織變形這一機(jī)械性變化轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號通過感覺傳導(dǎo)通路傳入中樞神經(jīng)系統(tǒng)[21-23]。不同的機(jī)械感受器在本體感覺中的作用重要性一直是學(xué)術(shù)界爭論的焦點(diǎn)。當(dāng)前的觀點(diǎn)認(rèn)為張力的感覺由稱作高爾基腱器官的肌肉受體提供[24，25]。肌力越大，高爾基腱器官激活程度越高，感受器輸入加強(qiáng)，力量感覺越好；但當(dāng)目標(biāo)力值過大時(shí)，肌力輸出增大，肌肉力量輸出控制變差，從而影響測試結(jié)果。

由圖6可知，當(dāng)肌力較小時(shí)，實(shí)測值較目標(biāo)力值大，出現(xiàn)高估現(xiàn)象，即實(shí)際輸出的力量比自我感覺的力值大；當(dāng)肌力適中時(shí)，實(shí)測值較目標(biāo)力值差異不大，即實(shí)際輸出的力量和自我感覺的力值較接近；當(dāng)肌力較大時(shí)，實(shí)測值較目標(biāo)力值小，出現(xiàn)低估現(xiàn)象，即實(shí)際輸出的力量比自我感覺的力值小。

肌力增大時(shí)，高爾基腱器官的激活程度與肌力的增大并不成線性正相關(guān)，可能類似于拉力傳感器的應(yīng)力應(yīng)變曲線一樣，在一定范圍基本呈線性正相關(guān)，低于或高于這一范圍呈非線性的正相關(guān)。高爾基腱器官激活程度與肌力的關(guān)系曲線可能類似于“S”形曲線，“S”形曲線的前段，即當(dāng)肌力較小時(shí)，高爾基腱器官激活程度較與肌力線性激活程度偏高，出現(xiàn)實(shí)際輸出的力量比自我感覺的力值大，出現(xiàn)高估現(xiàn)象；“S”形曲線的中段，即當(dāng)肌力適中時(shí)，高爾基腱器官激活程度與肌力近似于線性正相關(guān)，實(shí)際輸出的力量和自我感覺的力值較接近，實(shí)測值較目標(biāo)力值差異不大；“S”形曲線的后段，即當(dāng)肌力較大時(shí)，高爾基腱器官激活程度較與肌力線性激活程度偏低，出現(xiàn)實(shí)際輸出的力量比自我感覺的力值小，出現(xiàn)低估現(xiàn)象。

4 結(jié)論

各手指最大等長肌力從大到小排列依次是拇指、食指、中指、無名指、小指。拇指、食指和中指之間最大等長肌力相關(guān)性較高，與無名指、小指最大等長肌力相關(guān)性低。

各手指力量覺由好到差依次是食指、拇指、中指、無名指、小指。精細(xì)動(dòng)作的力量感知主要由食指和拇指完成，中指起主要的輔助作用，無名指和小指起次要的輔助作用。

不同目標(biāo)值時(shí)力量覺曲線呈U型，兩端高，中間低。說明肌力較大或較小時(shí)，力量覺都較差，而肌力大小適中時(shí)力量覺較好。

當(dāng)肌力較小時(shí)，實(shí)測值較目標(biāo)力值大，出現(xiàn)高估現(xiàn)象，即實(shí)際輸出的力量比自我感覺的力值大；當(dāng)肌力適中時(shí)，實(shí)測值較目標(biāo)力值差異不大，即實(shí)際輸出的力量和自我感覺的力值較接近；當(dāng)肌力較大時(shí)，實(shí)測值較目標(biāo)力值小，出現(xiàn)低估現(xiàn)象，即實(shí)際輸出的力量比自我感覺的力值小。

各手指最大等長肌力與力量覺之間不具有相關(guān)性。

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Force Sensation of Fingers under Different Muscular Exertions

Li Lin1，2，Ji Zhongqiu1，Li Yanxia3
1 College of Physical Education and Sport，Beijing Normal University，Beijing，China 100875 2 Department of Physical Education,Renmin University of China,Beijing,China 3 College of Physical Education，Langfang Teachers University，Hebei，China Corresponding Author：Ji Zhongqiu，Email：jizhongqiu61@bnu.edu.cn

Objective To study the regularity and mechanism of force sensation of fingers under different muscular exertions.Methods The maximum isometric muscle strength and force sensation of fingers at dominant hands in 30 male college students were tested.Results The order of finger force sensation from good to poor was as followed：the index finger，thumb，middle finger，ring finger and fifth finger.The curves of finger force sensation under different muscle exertions presented as U shape.The measured values were higher than the estimated values when the muscle exerted slightly，and were lower than the estimated values when the muscle exerted strongly.Only the measured values were equal to the estimated values when the muscle exerted moderately.Conclusion The force perception of hand fine motor is mainly accomplished by the index finger and the thumb with major support from middle finger and supplementary support from ring finger and fifth finger.The best finger force sensation appears only as the muscle strength is moderate.

proprioception，force sensation，finger

2015.09.15

國家社會(huì)科學(xué)基金教育學(xué)一般課題（BLA150063）

紀(jì)仲秋，Email：jizhongqiu61@bnu.edu.cn