中年男性膝關節肌群的生物力學特征*

西安體育學院(西安710068)

黃志剛

中年人群是社會的主要工作群體,工作壓力大、任務重,是運動能力和身體素質發生顯著變化的階段。機體免疫力開始減退,機體各系統也將會發生一系列衰老的生理功能變化。中年人的血脂水平通常較高,中年人的肥胖問題嚴重,腦血管疾病患者增多,不時感到雙腿僵硬無力。本研究以中年男性人群為研究對象,借助等速功能測試系統,獲得不同人群下肢膝關節肌群肌肉收縮的力學參數,旨在提高中年人的自我認識,促使他們積極參加體育鍛煉,同時為運動損傷的康復與預防提供理論依據。

對象與方法

1 研究對象 西安市區事業單位60例健康男性,年齡為45～49歲。其中30例長期堅持體育鍛煉,30例幾乎不參與任何體育活動。所有受試者均未接受過任何形式的專項訓練,且下肢各關節無疾病、外傷和手術史,下肢各關節肌力和關節活動范圍均正常,目前健康狀況良好。見表1。

表1 受試者基本情況

2 研究方法(1)測試方法:膝關節肌力測試時,測試對象身體端坐在測試椅上,兩腿呈自然狀態,測試腿(優勢腿)與額狀面垂直,膝關節的關節運動軸線與連桿轉動軸線重合,兩手緊握測力儀器的專用扶手,軀干用兩條繃帶跨過肩關節,連同胸部的一條繃帶將其固定,大腿用一條繃帶將其固定。(2)主要實驗儀器:德國ISOMED2000等速功能評定系統。(3)測試內容:膝關節屈伸肌群等速向心收縮(克制性工作),膝關節屈伸肌群等速離心收縮(退讓性工作)。(4)測試參數設置[1～4]:膝關節屈伸肌群等速向心測試速度選取為60°/s、120°/s、180°/s、240°/s,每個速度重復完成 3組,每組完成3次,組間間歇 30s。膝關節屈伸肌群等速離心測試速度選取為60°/s、120°/s、180°/s,每個速度重復完成3組,每組完成3次,組間間歇 30s。

結 果

1 鍛煉組等速向心收縮膝關節屈伸肌群測試結果 見表2。鍛煉人群膝關節屈伸肌群等速向心收縮峰值肌力矩隨給定運動速度的增大(60～240°/s)而減小,膝關節屈肌群峰值肌力矩從107.3降至86.5N·m,伸肌群峰值肌力矩從 165.8降至123.3N· m。且膝關節屈伸肌群等速向心收縮時伸肌峰力矩明顯高于屈肌峰力矩,而膝關節屈伸肌群等速向心收縮峰值肌力矩屈伸比變化不顯著,變化范圍為0.65～0.70之間。屈伸肌群力矩梯度均在 240°/s時達到最大。

2 非鍛煉組等速向心收縮膝關節屈伸肌群測試結果 見表3。非鍛煉組膝關節屈伸肌群等速向心收縮峰值肌力矩隨給定運動速度的增大(60～240°/s)而減小,膝關節屈肌群峰值肌力矩從79.3降至52.7N· m,伸肌群峰值肌力矩從142.8降至98.5N· m。且膝關節屈伸肌群等速向心收縮時伸肌峰力矩明顯高于屈肌峰力矩,而膝關節屈伸肌群等速向心收縮峰值肌力矩屈伸比變化不顯著,變化范圍為0.54～0.56之間。屈伸肌群力矩梯度均在 240°/s時達到最大。

表2 向心收縮屈伸肌群峰值力矩、力矩梯度及峰力矩屈伸比

表3 向心收縮屈伸肌群峰值力矩、力矩梯度及峰力矩屈伸比

3 屈伸肌群等速向心收縮峰值力矩對應的膝關節角度 見表4。鍛煉組膝關節屈肌群等速向心收縮峰值力矩出現時的關節角度在139.6～143.7°之間。伸肌群等速向心收縮峰值力矩出現時的關節角度在 126.7～131.4°之間。非鍛煉組膝關節屈肌群等速向心收縮峰值力矩出現時的關節角度在138.7～143.2°之間。伸肌群等速向心收縮峰值力矩出現時的關節角度在 126.8～129.7°之間。

表4 屈伸肌群向心收縮峰值力矩對應的膝關節角度

4 鍛煉組膝關節屈伸肌群等速離心收縮峰值力矩 見表5。鍛煉組膝關節屈伸肌群等速離心收縮時,隨著給定運動角速度的加快,力矩峰值無顯著變化。屈肌群力矩峰值在 109.6到 117.2N·m之間變化(P＜0.05),伸肌群力矩峰值183.4到198.7N· m在之間變化(P＜0.05)。然而,力矩梯度隨給定速度的加快而增加,均在180°/s達到最大。峰力矩屈 /伸比變化不顯著,變化范圍在 0.58～0.63之間。

表5 離心收縮屈伸肌群峰值力矩、力矩梯度及峰力矩屈伸比

5 非鍛煉組膝關節屈伸肌群等速離心收縮峰值力矩 見表6。非鍛煉組膝關節屈伸肌群等速離心收縮時,隨著給定運動角速度的加快,力矩峰值無顯著變化。屈肌群力矩峰值在 73.7～81.3N· m之間變化(P＜0.05),伸肌群力矩峰值 151.3～157.5N· m在之間變化(P＜0.05)。然而,力矩梯度隨給定速度的加快而增加,均在 180°/s達到最大。峰力矩屈 /伸比變化不顯著,變化范圍在 0.48～0.53之間。

表6 離心收縮屈伸肌群峰值力矩、力矩梯度及峰力矩屈伸比

6 膝關節屈伸肌群等速離心收縮力矩峰值出現時的關節角度 見表7。鍛煉組膝關節屈肌群等速離心收縮峰值力矩出現時的關節角度在 150.1～153.9°之間。伸肌群等速離心收縮峰值力矩出現時的關節角度在117.9～120.3°之間。非鍛煉組膝關節屈肌群等速離心收縮峰值力矩出現時的關節角度在 149.7～153.5°之間。伸肌群等速離心收縮峰值力矩出現時的關節角度在 116.8～119.2°之間。

討 論

1 影響肌肉力矩的生物學因素 表2、表3可看出,兩組不同人群膝關節屈伸肌群向心收縮峰值肌力矩隨給定運動速度的增大而減小。隨著肌肉收縮速度的增大而力矩減小的主要原因可能是:(1)肌肉收縮速度不同,中樞神經對肌肉類型的激活程度不同,在等速向心低速狀態下,希爾方程可知,肌肉收縮速度與收縮力量成反比,因此可產生較大肌力,表現出的肌力矩峰值較大;在等速向心高速狀態下,由于肌肉工作時間短,神經可能僅激活肌肉中的快肌纖維,參與活動肌群的肌肉可能未完全被激活,因此產生肌力較小,肌力矩峰值也會隨之下降[5,6]。(2)隨著等速向心角速度的增加,肌肉收縮速度加快,由于肌肉的物理特性粘滯性,在其收縮時需要消耗更大的能量,從而導致肌肉力量下降,且粘滯阻力隨收縮速度的加大而增加;同時肌肉收縮時隨收縮速度的加快,橫橋不斷地快速結合與分離也要損失肌力,從而使肌肉張力隨運動速度的加快而下降,希爾方程也充分說明了這一點,因此肌肉向心收縮的峰值肌力矩隨給定運動角速度的增大而減小這一特點。表5、表6可看出,兩組不同人群膝關節屈伸肌群等速離心收縮時,隨著給定運動角速度的加快,力矩峰值無顯著變化,但明顯比表2、表3中向心收縮力矩峰值大。造成這種情況的原因可能是:首先在離心收縮產生以前向心收縮已經產生,肌肉拉長時肌肉彈性元成份就會儲存彈性勢能并在離心收縮中得以利用;其次,由于肌肉的生理特性,牽張反射,在肌肉做離心收縮時,肌肉、肌梭和腱梭同時也受到強烈牽張,反射性地引起肌肉產生強烈收縮,使肌肉張力增大;在生物力學中,將肌肉分成三部分:收縮元(代表可以相對滑動的粗細肌絲),串聯彈性元(代表 Z線,肌-腱復合體),并聯彈性元(代表肌肉被動狀態下的力學性質,包括肌纖維膜,肌束衣等結締組織)[7,8]。在向心收縮中,只有收縮元產生能克服阻力的肌張力;而在離心收縮中,串聯、并聯彈性元均被拉長而產生回縮彈性力,也就是說肌肉的三種成份均最大限度地參與工作,因而離心收縮產生的肌力大于向心收縮產生的肌力。而在向心收縮時,只有肌肉可收縮成份產生足夠克服外界負荷的張力。也就是說向心收縮只有收縮機制參與,而離心收縮卻是非收縮和收縮機制均以最大限度參與工作。因而離心收縮產生的肌力大于向心收縮產生的肌力。

2 等速向心收縮膝關節屈伸肌群 表2、表3顯示,鍛煉和非人群膝關節屈伸肌群等速向心收縮峰值肌力矩均隨給定運動速度的增大(60～240°/s)而減小。鍛煉人群膝關節屈肌群峰值肌力矩從107.3降至86.5 N· m,伸肌群峰值肌力矩從 165.8降至123.3N·m,且膝關節屈伸肌群等速向心收縮時伸肌峰力矩明顯高于屈肌峰力矩,峰值肌力矩屈伸比變化不顯著,變化范圍為0.65～0.70之間;非鍛煉組膝關節屈肌群峰值肌力矩從 79.3降至52.7N· m,伸肌群峰值肌力矩從 142.8降至98.5N· m,且膝關節屈伸肌群等速向心收縮時伸肌峰力矩明顯高于屈肌峰力矩,膝關節屈伸肌群等速向心收縮峰值肌力矩屈伸比變化不顯著,變化范圍為0.54～0.56之間。從膝關節屈伸肌群等速向心收縮峰值肌力矩可知,鍛煉人群和非鍛煉人群之間存在很大差距。長期堅持鍛煉運動的中年人無論是股前肌群還是股后肌群的收縮能力均優于那些由于工作緊張、壓力大,不注重鍛煉的人群。且長期鍛煉的人屈伸肌群等速向心收縮峰值肌力矩屈伸比變化范圍為0.65～0.70之間,明顯高于不鍛煉人群的0.54～0.56。屈伸肌群峰值力矩比越小,說明前后肌群肌肉力量差異越大,主動肌與對抗肌的肌肉力量不協調,這也是導致人們在工作或活動中肌肉損傷發生的主要原因之一。建議想從事鍛煉的人群要首先注意股后肌肉的力量訓練,以免出現不必要的損傷而影響工作與生活。由表4可知,鍛煉與非鍛煉組組膝關節屈肌群等速向心收縮峰值力矩出現時的關節角度分別在 139.6～143.7°之間和138.7～143.2°之間。伸肌群等速向心收縮峰值力矩出現時的關節角度分別在 126.7～131.4°之間和126.8～129.7°。最大力矩出現時的關節角度幾乎相同,變化不大。但不同速度下最大力矩梯度出現時的關節角度差異不大,屈肌群向心收縮膝關節角度在 141°左右力矩梯度最大,伸肌群向心收縮膝關節角度在128°左右力矩梯度最大。建議人們在完成下肢曲的動作時,膝關節角度保持在 141°左右較為合理;完成下肢伸的動作時,膝關節角度保持在128°左右較為合理。在這樣的角度下小腿容易完成曲或伸的動作。在臨床康復訓練中可以借鑒使用,病人在康復訓練中采用此角度有利于康復者完成訓練任務與損傷后的恢復。

表7 膝關節離心收縮屈伸肌群等速峰值力矩出現時的關節角度

3 等速離心收縮膝關節屈伸肌群 表5、表6顯示,鍛煉和非人群膝關節屈伸肌群等速離心收縮峰值肌力矩均隨給定運動速度的加快,力矩峰值無顯著變化。鍛煉人群膝關節屈肌群峰值肌力矩在 109.6到117.2N· m之間變化,伸肌群力矩峰值在 183.4到198.7N·m在之間變化,且膝關節屈伸肌群等速離心收縮時伸肌峰力矩明顯高于屈肌峰力矩,但峰值肌力矩屈伸比變化不顯著,變化范圍在 0.58～0.63之間;非鍛煉組膝關節屈肌群峰值肌力矩在73.7～81.3N·m之間變化,伸肌群力矩峰值在 151.3～157.5N· m之間變化,且膝關節屈伸肌群等速離心收縮時伸肌峰力矩明顯高于屈肌峰力矩,但膝關節屈伸肌群等速離心收縮峰值肌力矩屈伸比變化不顯著,變化范圍在 0.48～0.53之間。從膝關節屈伸肌群等速離心收縮峰值肌力矩可知,鍛煉人群和非鍛煉人群之間存在很大差異。鍛煉人群的峰力矩屈伸比0.58～0.63明顯高于非鍛煉人群0.48～0.53。對非鍛煉人群而言,由于曲伸比小,前后肌群力量不協調就更易引起損傷。離心收縮引起肌肉損傷的原因可能有:①屈伸肌肉力矩不平衡導致損傷,這種損傷在運動中經常發生;②從離心收縮的收縮機制來看也容易導致肌肉損傷,有研究報道在運動量相同的條件下,離心收縮的耗氧量僅為向心收縮的五到六分之一,隨運動速度的加快,離心收縮的耗氧量明顯低于向心收縮。同時也有研究報道,在相同的運動強度下,離心收縮時單位數量的肌纖維所承受的張力大于向心收縮。因此這種高張力可能就是肌肉離心收縮時容易損傷的一個主要原因。由表7可知,鍛煉與非鍛煉組膝關節屈肌群等速離心收縮峰值力矩出現時的關節角度分別在 150.1°～153.9°之間和149.7°～153.5°之間。伸肌群等速離心收縮峰值力矩出現時的關節角度分別在 117.9°～120.3°之間和116.8°～119.2°。最大力矩出現時的關節角度幾乎相同,變化不大。盡管不同速度下鍛煉與非鍛煉人群各肌群力矩梯度變化非常顯著,但不同速度下最大力矩梯度出現時的關節角度差異不大,屈肌群離心收縮膝關節角度在 151°左右力矩梯度最大,伸肌群離心收縮膝關節角度在118°左右力矩梯度最大。為了避免肌肉損傷,在進行體育鍛煉或在日常生活工作中,應在此角度下低速完成動作,可有效的預防肌肉損傷的發生。

4 結 論(1)無論下肢肌肉是等速向心還是等速離心收縮非鍛煉人群下肢屈伸肌群肌肉力矩峰值顯著低于鍛煉人群,肌肉的工作能力顯著下降。(2)等速向心收縮不同速度不同人群屈肌群均在膝關節角度為141°左右力矩梯度最大,伸肌群在膝關節角度為128°左右力矩梯度最大。此角度有利于康復者完成訓練任務與損傷后的恢復。(3)等速離心收縮不同速度不同人群屈肌群均在膝關節角度為151°左右力矩梯度最大,伸肌群在膝關節角度為118°左右力矩梯度最大。

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