皮電生物反饋技術監控運動性疲勞實驗研究

遲淑勛　李宏偉　李哲　盧玉麗　王梁　賴敏

摘要：目的：探討生物反饋指標中皮膚導電水平在運動性疲勞時的變化特征，為運動性疲勞的監控提供新的方法和實驗支持。方法：體育教育專業大學生運動員16名，分為男子組（M組）和女子組（F 組）各8名，曲線分析時又依安靜時皮膚導電水平（Skin conductance level， SCL）均值是否高于8μs分成高基線水平類（H類）和低基線水平類（L類）。實驗采用Bruce方案，以跑臺運動的方式，使運動員逐漸達到疲勞。同時聯合應用反應時、RPE和即刻最大心率以確定運動性疲勞的產生。并通過自身前后對照與男、女比較，測定安靜、疲勞、恢復時SCL變化特征。結果：曲線方面，疲勞時L類女子出現較為顯著的雙波峰現象，L類男子未有雙波峰現象，但呈振幅劇增；H類女子曲線大致分成震蕩上升期，急速上升期，急速下降期，不應期等四個階段，而H類男子則為上升、下降期出現急劇地直線型變化。數值方面，疲勞時男子SCL值低于安靜時（P<0.01），高于恢復時（P<0.01），似斜線型變化；女子則是均高于安靜、恢復時（P<0.01），類倒U型變化。結論：運動性疲勞出現時，作為皮電技術指標的SCL，呈現規律及特征性變化，其特征及規律性的變化可用于運動性疲勞的監控。

關鍵詞：生物反饋技術；皮膚導電水平；運動性疲勞；監控

中圖分類號：G804.2文獻標識碼：A文章編號：1006-2076（2014）01-0080-05

運動性疲勞診斷手段的豐富與完善，一直是運動生理學研究的熱點。然而，隨著現代運動競技水平的不斷提高，當前疲勞診斷的監控手段陳舊、局限，難以適應飛速發展的競技形式，甚至嚴重桎梏了對運動性疲勞的監控與研究。皮電生物反饋技術與現行診斷手段相比，高效便捷、科學精密、時效性、無創傷的特色鮮明；與其他生化指標、生物技術相比，資源耗費低、易于推廣等特征顯著。若將皮電技術應用于疲勞診斷，或可為緩解疲勞診斷領域內的突出困擾提供新的、有效的思路和方法。本研究應用實驗研究法，探討是否可將皮電技術指標SCL應用于疲勞監控，并揭示應用時可能存在的價值作用。

1材料與方法

1.1實驗模型的建立

實驗隨機選取2012級體育學院大學生運動員16名，分為男子組（M組）和女子組（F組）進行自身前后對照，其基本情況見表1。實驗對象需進行一般醫學檢查，排除運動風險。運動方案則參照經典的Bruce方案制定，即以2.7 km/h的速度，10%的最大坡度開始，每3 min遞增一級，整個方案共7級，最終速度將達到9.6 km/h，坡度則達到22%最大坡度。實驗過程中以實驗對象不能維持運動強度，且反應時、RPE和即刻最大心率達到疲勞數值確定運動性疲勞的產生。

山東體育學院學報第30卷第1期2014年2月 遲淑勛，等皮電生物反饋技術監控運動性疲勞實驗研究No.1 20141.2實驗儀器

聯合應用德國產h/p/cosmos pulsar 4.0運動跑臺進行運動強度控制；澳大利亞產SCHUHFRTED生物反饋儀收集皮電數據；芬蘭產SUUNTO遠程心率遙測團隊系統采集即刻最大心率用于疲勞鑒定。

1.3統計學處理

實驗數據采用SPSS20.0進行處理，使用獨立樣本t檢驗，單樣本t檢驗，相關樣本t檢驗，單因素方差分析等方法分析所得數據，所有數據均用平均數±標準差（Means±SD）表示，且以P<0.05表示差異顯著，P<0.01表示差異非常顯著。

1.4運動性疲勞的確定

綜合選取了反應時、RPE和即刻最大心率等指標，作為疲勞判定的依據。結果顯示，當F、M組運動員的即刻最大心率達到公式推導最大心率（HRmax，以年齡20為準）的105%～110%，且與160 hb/s（80% HRmax）相比差異非常顯著時（P<0.01），兩組反應時均呈現不同程度的升高，但差異均不顯著（P>0.05），不過此時兩組RPE卻都高于18（很累），且差異顯著（P<0.05）。已有研究證實[1-2]，心率、反應時、RPE達到既定數值，即可確定疲勞的發生。提示或可應用現有數據，論述SCL疲勞產生時的圖形及數字特征。

2結果

2.1SCL曲線的狀態變化特征

運動過程中安靜、疲勞、恢復的SCL曲線規律性變化，見圖1～圖4。依據El-Sheikh[3]曾證實的SCL基線分布差異，將安靜SCL均值高于8 μs，為高基線水平類（H類）；低于8 μs為低基線水平類（L類）。

從圖1～圖4可看出，L類女子安靜時曲線有明顯的波峰波谷，提示安靜時曲線具有周期性，周期大約為1分12秒；疲勞時，曲線出現較為顯著的雙波峰現象，顯示周期或縮短為安靜時的一半；積極性休息并安靜坐臥后，曲線逐步恢復為單波峰，揭示周期再次延長。L類男子安靜、恢復曲線類似于女子，但疲勞產生時曲線出現了數值變化幅度劇增現象。女子疲勞時SCL值變化幅度僅為5 μs，男子卻可達10 μs。系統分析H類曲線特征則又發現，一方面，圖3呈現H類女子安靜時值基本恒定，疲勞時曲線先于劇烈震蕩中上升，而后急速上升，值一度高達50 μs，在急速下降后，值長時間維持在0 μs小幅變換，最后呈小幅震顫上升，提示其疲勞曲線或可大致分成震蕩上升期、急速上升期、急速下降期、不應期等四個階段。恢復時曲線走行似疲勞，但變化幅度明顯降低。另一方面，圖4則反映，H類男子雖安靜曲線走勢類似于女子，但值的大小和變化幅度更高。疲勞時雖同樣擁有四期，但男子上升、下降期卻出現了劇烈的直線型變化，提示該類運動員產生疲勞時，SCL值在上升、下降期可能出現短時巨變。恢復曲線則是開始長期處于0μs，而后出現幅度逐步下降的震蕩上升。

圖1L類女子運動員SCL圖圖2L類男子運動員SCL圖圖3H類女子運動員SCL圖圖4H類男子運動員SCL圖2.2SCL值的狀態變化規律

運動結束后，進行了M、F 組安靜、疲勞、恢復的SCL數值比較，結果見表3。從表3可以看出，一方面，疲勞時M組SCL均值低于安靜狀態，高于恢復狀態，且差異具有非常顯著性（P<0.01），提示男子由安靜到疲勞再到恢復的過程中，SCL均值為依次下降的斜線型變化，疲勞時SCL值的大小介于安靜與恢復之間；另一方面，F組疲勞時SCL值高于安靜、恢復時，且差異同樣具有非常顯著性（P<0.01），表明女子為先上升再下降的倒U型變化，疲勞時SCL均值最大。

3討論

3.1運動性疲勞發生過程中皮膚導電水平的特征性變化分析

SCL在運動員產生疲勞時，曲線、數值擁有怎樣的特征，存有哪些規律以及這些規律產生的根源，似乎值得探討。心理學、臨床醫學中業已存在SCL特征、價值、機制的闡釋。如Roth[4]等研究恐慌癥時表明，與正常人相比，患者的SCL呈下降趨勢。Storm[7]研究早產兒時揭示，SCL從29周胎齡開始出現上升。Erath[8]研究父母教育方式與兒童外在行為關系時闡明，L類兒童的關聯度強于H類兒童。臨床醫學、心理學中既有特征的闡明，又有相關關系的研討，最近則似乎更多注重技術優勢、信號處理的探究。Günther 等[9]研究證實，皮膚電導每秒波動次數在重癥監護病房患者情緒評估中的作用，可能比一般主訴更為有效。蔡菁[12]研究皮電信號處理方式時發現，將改進的禁忌搜索算法引入情感識別是有效的。分析已有研究或可發現，多以數值探討為主，曲線論證似較少涉及，且SCL變化趨勢多為統一的上升或下降。臨床醫學與心理學領域內，SCL的論證似已臻成熟，但目前運動醫學領域的研究卻非常有限，應用于運動性疲勞監控的，則更為匱乏。Lu等[12]利用生物反饋技術研究疲勞，發現血量脈搏、皮電、呼吸、皮溫和肌電圖曲線，均表現出鮮明特征。但文章似乎并未闡明所指疲勞是否為運動性疲勞，也未將SCL單獨分析。基于以上研究，本研究擬嘗試聯合應用多種國外先進精密儀器，以經典的Bruce方案控制強度，以應用成熟的反應時、即刻最大心率、Borg RPE表為疲勞判定依據，隨機選取的實驗對象主、客觀指標出現疲勞變化時，擬探討SCL在運動性疲勞時可能存在的變化特征。

本研究表明，一方面，SCL監控運動性疲勞表現為獨有的曲線、數值變化特征。疲勞曲線的變化顯著不同于安靜與恢復，可依性別、基線類別不同，而分別出現雙波峰、振幅劇增、四期變化、直線型巨變等不同表現形式。數值則是由安靜到疲勞再到恢復時，男子依次下降，女子先上升再下降，變化趨勢不統一。這在SCL數值變化的既往研究中，尚未提及。疲勞時曲線、數值均具有顯著不同的新變化，即SCL監控運動性疲勞時，擁有獨特的曲線、數值變化特征，這或是SCL應用的新突破。另一方面，對運動至疲勞時SCL新特征變化的原因探討，似可豐富運動性疲勞產生機制的解釋途徑。臨床醫學中SCL特征性變化的原因論證，20世紀80年代就已開始。Banga[13]研究發現，皮膚角質層或是離子電滲運輸的主要障礙。而Kasting[14]則認為，毛囊、汗腺導管等皮膚附屬物作為低電阻分流途徑的重要性，仍有爭議。目前探討似多以分析影響因素的某一方面為主，較少進行系統論證。但發生運動性疲勞時，若僅析某一方面，似難以解釋SCL較為復雜的變化。運動性疲勞產生時，SCL的變化或可能存多種機制。①疲勞時過大的負荷可能導致過度的汗液滲出，引起皮膚周圍離子轉運發生大幅度改變，甚至是紊亂，這可能是疲勞時值的下降、上升，曲線雙波峰、四期變化、增幅劇增、直線型巨變的原因；②同樣疲勞時也可能產生大量的自由基，這些自由基可能使交感神經傳導通路受到較大程度破壞，皮膚周圍膜受體、離子泵、離子信道、離子轉運蛋白等也可能同時受到較為嚴重損害，或引起交感神經過度興奮，汗腺活動極度異常，離子代謝紊亂，從而導致值的不同變化和曲線的不同表現特征。③當然運動至疲勞時，似乎也可產生兒茶酚胺、5-羥色胺等抑制性神經遞質，其可能不僅作用于中樞及α、γ等運動神經元及其調控的肌組織，或同樣還可作用于交感神經及汗腺，引起皮膚電阻增加甚至紊亂，可能導致曲線出現直線型巨變、增幅劇增；④而疲勞時伴隨皮膚周圍，尿素、肌酐肌酸和鹽類物質的大量分泌，可能此時產生了某些目前尚未被證實的代謝產物，而且男、女形成的產物性質迥異。此類代謝產物的堆積，或可使男子皮膚周圍電阻上升，女子下降，導致疲勞時男子SCL值下降，女子上升。⑤長時間劇烈的運動，同樣或可使交感神經系統、皮膚活動有關激素、免疫抑素等發生劇烈變化。此時可能促使神經-內分泌-免疫網絡產生了另外的某種物質，此類物質可作用于皮膚，引起皮膚周邊的電子活動紊亂；⑥另外運動至疲勞時血液pH值下降，血漿滲透壓、電解質濃度可能發生改變。此時已然發生巨變的血液大量運輸至皮膚，極有可能引起皮膚周圍環境穩定性嚴重失調，導致疲勞時的特征性變化。⑦疲勞可能是一些物質分泌增多引起，也可能是一些物質的含量下降引起的。運動至疲勞時，ATP、CP含量急劇下降，血糖濃度持續降低，而此時消耗的能量無法及時有效地獲得補充，可能引起皮膚周圍離子轉運所需能量嚴重不足，或導致了離子轉運停滯，引起0 μs現象，即不應期的出現；⑧疲勞時SCL的變化也有可能是多種因素系統紊亂引起的，比如交感神經、汗腺活動、離子代謝，皮膚周圍肌肉組織等。

3.2皮膚導電水平監控運動性疲勞的實踐應用價值

疲勞時呈現特征性變化、個性機制的SCL，對于運動實踐有何價值作用，似乎同樣值得深入探討。研究發現，SCL價值作用突出，簡單實用，易于推廣，且疲勞時獨有特征性變化或可應用于運動實踐。SCL值既對狀態變化敏感，又對性別差異敏銳，表明其科學性較強。SCL曲線在不同基線水平男、女疲勞時，呈迥異變化，其中一些變化甚是劇烈，提示SCL曲線或可精密有效地實時監控運動性疲勞，時效性特點凸顯。若此技術優勢能有效應用，或可緩解現行某些疲勞監控手段的突出困擾。科學性、時效性突出的SCL，其技術基礎皮電生物反饋技術在應用中還可顯現其他價值。皮電技術不同于血乳酸、CK等生化指標需耳垂取血[1-7，10，19-20]，其應用不會對運動員造成創傷或交叉感染。同時異于心電圖、表面肌電圖、腦電圖和其他生反技術，需電極片收集信號[5-10，12-16，19-20]。皮電無需電極片，僅需對手指簡單消毒，中指纏繞精密芯片即可，操作簡單，易于掌握。且無需電極片，或意味著可節省大量資源耗費，這突出了經濟性強的特點。故實驗首次證實，SCL監控運動性疲勞時，或可凸顯科學性、時效性、經濟性、易于掌握與推廣的實踐價值。

擁有突出價值的SCL，其應用于運動訓練實踐，或意味著無論運動過程中（曲線比較）還是結束后（數值比較），SCL均可提供精密、準確、有效、可靠的狀態信息。這或可幫助教練員、運動員及時掌控狀態變化，隨時調整運動強度，及時有效避免運動負荷不足或過度疲勞，切實提高運動訓練效果，大幅降低疲勞性損傷的發生頻率。SCL值或可作為不同性別訓練隊訓練或比賽結束后疲勞鑒定、負荷制定及調整的精確依據。曲線則或可成為教練實時調控有重大比賽任務運動員負荷強度，制定個性化競技運動處方的有效手段。一方面，訓練結束后，教練員可根據運動員SCL數值的變化規律，及時掌控整個訓練隊男、女運動員的訓練效果，及時調整訓練隊訓練內容與強度。如女子運動員訓練結束后整體上SCL均值為不增長甚至是下降，那么或許意味著現有負荷可能過低，大部分女子運動員未達到一定的疲勞；若是非常明顯的增長，那么可能現有負荷超過了大部分女子運動員的承受范圍，負荷強度或需進行適度地調整。另一方面，SCL曲線則可用于教練或運動員訓練過程的實時監控，尤其是可以幫助教練員實時監控有重要比賽任務的運動員。當此類運動員SCL曲線未出現雙波峰、波幅劇增、四期變化或直線型巨變時，或可實時增加負荷；出現相關表現并持續加劇時，或可實時減輕強度。SCL的實時監控可能意義更為重大，教練員從此或可不必等到訓練結束后再調整負荷，在訓練過程中就可實時調控，這似乎可有效推進運動訓練的科學化進程。

4小結

SCL監控運動性疲勞時，顯示了其有獨特的曲線變化規律和數值變化特征，其曲線變化在疲勞時，顯著不同于安靜、恢復狀態，并顯現出性別特征。L類女子出現雙波峰，男子振幅劇增；H類女子出現四期變換，男子上升、下降期出現直線型巨變。其值在產生疲勞的過程中，同樣特征明顯。男子值下降，女子值上升，變化趨勢為倒U型和斜線型。其變化機制則可能與離子代謝紊亂，自由基大量產生，能量耗竭以及某些代謝產物的產生與堆積有關。SCL特征和規律或可用于訓練隊疲勞的整體評判，運動員負荷的實時調控，可為運動訓練的科學化進程提供新航標。

5今后的研究

盡管SCL監控運動性疲勞有一定優勢，但SCL也存在僅可反映某一方面疲勞的不足。雖早在1966年就已證實皮電或與中樞存某種聯系[18]，但皮電與中樞之間具體存在怎樣的聯系，以及這種聯系在運動至疲勞時會有怎樣的表現，近年來卻鮮有報道。另外，SCL雖可一定程度上反應疲勞，但其能否精密反應肌肉、心肌等組織的疲勞程度，還有待進一步論證。

今后似乎有必要進行更深度地探索。將生物反饋各項技術指標進行聯合應用，一方面或可探討疲勞時SCL與EEG的α、β等腦波之間可能存在的相關系數，另一方面似乎也可闡明心肌疲勞、中樞疲勞、肌肉疲勞與交感神經汗腺之間可能的某些聯系。

參考文獻：

[1]李清正，徐新保，李增民.不同訓練周期中運動員疲勞診斷的研究[J].體育科學，2013，38（7）： 29-33.

[2]譚如坤.運動性疲勞產生機理、監測及恢復方法研究[J].湖北師范學院學報（自然科學版），2013，33（2）：60-63.

[3] Mona El-Sheikh. Children's skin conductance level and reactivity： Are these measures stable over time and across tasks？ [J]. Developmental Psychobiology， 2007， 49（2）： 180-186.

[4] W T Roth， A Ehlers， C B Taylor， et al. Skin conductance habituation in panic disorder patients [J]. Biological Psychiatry， 1990， 27（11）： 1231-1243.

[5]Berry R N.Skin conductance levels and verbal recall[J].Journal of Experimental Psychology，1962， 63（3）： 275-277.

[6]Rapson Gomez，Suzanne McLaren.The effects of reward and punishment on response disinhibition，moods，heart rate and skin conductance level during instrumental learning[J]. Personality and Individual Differences， 1997， 23（2）： 305-316.

[7]Hanne Storm. Development of emotional sweating in preterms measured by skin conductance changes[J]. Early Human Development， 2001， 62（2）： 149–158.

[8]Stephen A Erath， Mona El-Sheikh， E Mark Cummings. Harsh Parenting and Child Externalizing Behavior： Skin Conductance Level Reactivity as a moderator[J].Child Development， 2009， 80（2）： 578–592.

擁有突出價值的SCL，其應用于運動訓練實踐，或意味著無論運動過程中（曲線比較）還是結束后（數值比較），SCL均可提供精密、準確、有效、可靠的狀態信息。這或可幫助教練員、運動員及時掌控狀態變化，隨時調整運動強度，及時有效避免運動負荷不足或過度疲勞，切實提高運動訓練效果，大幅降低疲勞性損傷的發生頻率。SCL值或可作為不同性別訓練隊訓練或比賽結束后疲勞鑒定、負荷制定及調整的精確依據。曲線則或可成為教練實時調控有重大比賽任務運動員負荷強度，制定個性化競技運動處方的有效手段。一方面，訓練結束后，教練員可根據運動員SCL數值的變化規律，及時掌控整個訓練隊男、女運動員的訓練效果，及時調整訓練隊訓練內容與強度。如女子運動員訓練結束后整體上SCL均值為不增長甚至是下降，那么或許意味著現有負荷可能過低，大部分女子運動員未達到一定的疲勞；若是非常明顯的增長，那么可能現有負荷超過了大部分女子運動員的承受范圍，負荷強度或需進行適度地調整。另一方面，SCL曲線則可用于教練或運動員訓練過程的實時監控，尤其是可以幫助教練員實時監控有重要比賽任務的運動員。當此類運動員SCL曲線未出現雙波峰、波幅劇增、四期變化或直線型巨變時，或可實時增加負荷；出現相關表現并持續加劇時，或可實時減輕強度。SCL的實時監控可能意義更為重大，教練員從此或可不必等到訓練結束后再調整負荷，在訓練過程中就可實時調控，這似乎可有效推進運動訓練的科學化進程。

4小結

SCL監控運動性疲勞時，顯示了其有獨特的曲線變化規律和數值變化特征，其曲線變化在疲勞時，顯著不同于安靜、恢復狀態，并顯現出性別特征。L類女子出現雙波峰，男子振幅劇增；H類女子出現四期變換，男子上升、下降期出現直線型巨變。其值在產生疲勞的過程中，同樣特征明顯。男子值下降，女子值上升，變化趨勢為倒U型和斜線型。其變化機制則可能與離子代謝紊亂，自由基大量產生，能量耗竭以及某些代謝產物的產生與堆積有關。SCL特征和規律或可用于訓練隊疲勞的整體評判，運動員負荷的實時調控，可為運動訓練的科學化進程提供新航標。

5今后的研究

盡管SCL監控運動性疲勞有一定優勢，但SCL也存在僅可反映某一方面疲勞的不足。雖早在1966年就已證實皮電或與中樞存某種聯系[18]，但皮電與中樞之間具體存在怎樣的聯系，以及這種聯系在運動至疲勞時會有怎樣的表現，近年來卻鮮有報道。另外，SCL雖可一定程度上反應疲勞，但其能否精密反應肌肉、心肌等組織的疲勞程度，還有待進一步論證。

今后似乎有必要進行更深度地探索。將生物反饋各項技術指標進行聯合應用，一方面或可探討疲勞時SCL與EEG的α、β等腦波之間可能存在的相關系數，另一方面似乎也可闡明心肌疲勞、中樞疲勞、肌肉疲勞與交感神經汗腺之間可能的某些聯系。

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擁有突出價值的SCL，其應用于運動訓練實踐，或意味著無論運動過程中（曲線比較）還是結束后（數值比較），SCL均可提供精密、準確、有效、可靠的狀態信息。這或可幫助教練員、運動員及時掌控狀態變化，隨時調整運動強度，及時有效避免運動負荷不足或過度疲勞，切實提高運動訓練效果，大幅降低疲勞性損傷的發生頻率。SCL值或可作為不同性別訓練隊訓練或比賽結束后疲勞鑒定、負荷制定及調整的精確依據。曲線則或可成為教練實時調控有重大比賽任務運動員負荷強度，制定個性化競技運動處方的有效手段。一方面，訓練結束后，教練員可根據運動員SCL數值的變化規律，及時掌控整個訓練隊男、女運動員的訓練效果，及時調整訓練隊訓練內容與強度。如女子運動員訓練結束后整體上SCL均值為不增長甚至是下降，那么或許意味著現有負荷可能過低，大部分女子運動員未達到一定的疲勞；若是非常明顯的增長，那么可能現有負荷超過了大部分女子運動員的承受范圍，負荷強度或需進行適度地調整。另一方面，SCL曲線則可用于教練或運動員訓練過程的實時監控，尤其是可以幫助教練員實時監控有重要比賽任務的運動員。當此類運動員SCL曲線未出現雙波峰、波幅劇增、四期變化或直線型巨變時，或可實時增加負荷；出現相關表現并持續加劇時，或可實時減輕強度。SCL的實時監控可能意義更為重大，教練員從此或可不必等到訓練結束后再調整負荷，在訓練過程中就可實時調控，這似乎可有效推進運動訓練的科學化進程。

4小結

SCL監控運動性疲勞時，顯示了其有獨特的曲線變化規律和數值變化特征，其曲線變化在疲勞時，顯著不同于安靜、恢復狀態，并顯現出性別特征。L類女子出現雙波峰，男子振幅劇增；H類女子出現四期變換，男子上升、下降期出現直線型巨變。其值在產生疲勞的過程中，同樣特征明顯。男子值下降，女子值上升，變化趨勢為倒U型和斜線型。其變化機制則可能與離子代謝紊亂，自由基大量產生，能量耗竭以及某些代謝產物的產生與堆積有關。SCL特征和規律或可用于訓練隊疲勞的整體評判，運動員負荷的實時調控，可為運動訓練的科學化進程提供新航標。

5今后的研究

盡管SCL監控運動性疲勞有一定優勢，但SCL也存在僅可反映某一方面疲勞的不足。雖早在1966年就已證實皮電或與中樞存某種聯系[18]，但皮電與中樞之間具體存在怎樣的聯系，以及這種聯系在運動至疲勞時會有怎樣的表現，近年來卻鮮有報道。另外，SCL雖可一定程度上反應疲勞，但其能否精密反應肌肉、心肌等組織的疲勞程度，還有待進一步論證。

今后似乎有必要進行更深度地探索。將生物反饋各項技術指標進行聯合應用，一方面或可探討疲勞時SCL與EEG的α、β等腦波之間可能存在的相關系數，另一方面似乎也可闡明心肌疲勞、中樞疲勞、肌肉疲勞與交感神經汗腺之間可能的某些聯系。

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