外加緊身壓迫對下肢高強度跑至力竭運動特征的影響

陳金鰲

(1.常州大學 體育學院，江蘇 常州　213164；2.蘇州大學 體育學院，江蘇 蘇州　215021)

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外加緊身壓迫對下肢高強度跑至力竭運動特征的影響

陳金鰲1,2

(1.常州大學 體育學院，江蘇 常州213164；2.蘇州大學 體育學院，江蘇 蘇州215021)

目的：在高強度跑至力竭運動中，探討外加緊身壓迫對下肢運動特征和實際運動成績的影響，以了解緊身服與運動表現之間的關系及其內在機理，為緊身裝備的設計和使用提供參考。方法：隨機選取12名男性田徑運動員為受試者，分別以下肢輕度、中度、高度緊身壓迫狀態完成高強度跑至力竭測試，運用表面肌電和錄像解析技術對主要發力肌群相關指標的數據進行采集，并進行統計分析。結果：①無氧和有氧混合供能模式的高強度跑至力竭過程中，中度外加緊身壓迫對維持運動表現有一定程度的積極影響，而高度外加緊身壓迫則會促進肌肉力竭；②無氧代謝供能模式的高強度跑至力竭過程中，高度外加緊身壓迫更有助于促進運動表現；③運動員自身的運動技術等級水平越高，外加緊身壓迫對下肢高強度跑至力竭運動特征的影響效應越明顯。

緊身裝；緊身壓迫度；高強度跑；表面肌電；運動表現；力竭

近年來，國內外均加強了針對緊身裝備的科研探索，主要涉及生理生化、生物力學、運動醫學、材料學以及結構設計等學科領域[1]。然而，國外在壓縮式緊身服能否有效提高運動員訓練和比賽成績的問題上還未達成共識；國內對緊身運動衣褲的研究還處于起步階段，大部分研究僅停留在緊身服裝的材質與結構功能層面，局限于著裝壓迫的安全性和舒適性，以及對人體形態、皮膚血流、溫度和內分泌等生理機能的影響等方面，尚未深入系統地探討緊身裝備對人體運動結構和機能的影響及其內在機制[2]。

因此，在下肢使用緊身裝備的田徑專項運動員進行高強度跑至力竭過程中，運用表面肌電和錄像解析技術，量化外加緊身壓迫對下肢肌力、疲勞以及運動學特征的影響，并通過實證研究手段，對比統計一段時期內緊身裝備對運動員訓練和比賽成績的綜合影響效應，以期了解緊身服與運動表現之間的關系及其內在機理，為緊身裝備的設計和使用提供參考。

1　研究對象與方法

1.1研究對象

選取12名體育教育訓練專業田徑專項男性運動員為研究對象(年齡20.3±1.5歲；身高175.3±4.6 cm；體重66.2±6.5 kg；訓練年限3.2±1.5年)，所有受試者于實驗前接受問卷調查，確認24小時內未從事劇烈運動，且近半年內無下肢受傷史，身體狀況以及運動能力良好，并簽署知情同意書。

1.2實驗器材

運動心肺功能測試系統、氣體代謝分析儀(MAX-Ⅱ、CORTEX MetaLyz等)；心率遙測儀(POLAR心率表)；德國h/p/cosmos專業級運動跑臺；攝像機(SONY，DCR-HC96E)；VICON(100 Hz)紅外攝像頭；SIMI-MOTION錄像解析系統；德國Biovision多導運動生物電記錄分析系統(包括電極導聯線和放大器；12 bit模數轉換器(A/D)；DASYLab9.0采集與分析軟件；MATLab7.0數學軟件)；SkinsTM梯度壓縮式緊身運動長褲；AMI氣囊式著裝生理舒適性壓力測試系統[2-3]。

1.3高強度跑至力竭測試

首先在預實驗中，通過h/p/cosmos跑臺專用的Bruce遞增負荷運動方案法測出每位受試者的最大攝氧量VO2max。然后要求每位受試者在下肢分別身著輕度束縛壓長褲(壓力值0.50±0.01 kPa)、中度束縛壓長褲(壓力值2.12±0.05 kPa)、高度束縛壓長褲(壓力值3.32±0.09 kPa)[4]，仿照800米比賽的高強度(約85%VO2max)在跑臺上進行跑至力竭運動，如圖1所示。12名受試者首先在W1周穿著輕度束縛壓長褲完成測試；間隔72小時以上，在W2周

穿著中度束縛壓長褲完成測試；再間隔72小時以上，在W3周穿著高度束縛壓長褲完成測試。

圖1　連續跑至力竭動作示意圖

每次測試前在指尖采血，檢測血氨和血尿素濃度，以判斷運動性疲勞的恢復程度。表1結果顯示，12名運動員在W1、W2、W3測試前的血氨濃度之間無顯著性差異(P>0.05)，血尿素濃度之間也無顯著性差異(P>0.05)，說明受試者分別穿著不同束縛壓長褲進行運動測試的身體機能狀態一致。

表1　血氨、血尿素濃度情況一覽表(n=12)

1.4sEMG信號的采集與分析

使用MATLab7.0數學軟件對從下肢主要肌群(股內肌、股外肌、股直肌)采集到的sEMG原始信號進行全波整流和平滑處理，然后以秒為時間計量單位，將高強度跑至力竭過程中采集到的全程sEMG信號平均分成11段，截取每段末2秒的積分肌電iEMG和中位頻率MF肌電指標分別進行時域分析和頻域分析，得出iEMG值和MF值[2,4]。

1.5sEMG指標數據的標準化處理

以運動開始后sEMG信號在第1段末2秒的iEMG和MF原始值分別作為iEMG和MF指標的參照值X1；再將隨后截取的10段sEMG信號中每一段末2秒的iEMG和MF指標的原始值Xi(i=1,2,3,…10)分別除以各自的參照值X1，得到iEMG和MF指標的標準化值X＇i(i=1,2,3,…10)；最后將X＇i的值乘以100%，即以%形式表示[2,5]。

1.6運動學參數的采集與分析

在受試者的關節中心部位貼上明顯的反光標，用輻射式框架對2臺攝像機(SONY，DCR-HC96E)定標后，運用三維立體攝像技術對整個跑至力竭過程進行全程拍攝，攝像機距拍攝中心12 m，兩攝像機主光軸夾角110 °，兩臺相機采用閃光同步。將跑至力竭過程分為三個階段：第一階段(30%)為負荷適應期；第二階段(40%)為疲勞發展期；第三階段(30%)為疲勞末期，即力竭期。圖像剪輯時，在每個階段又按等距剪輯 5 個完整的步態周期，以能較好地代表跑至力竭的三個階段[6]。

用 SIMI-MOTION 錄像解析系統對運動圖像進行數字處理，使用漢納范人體模型，所得數據進行濾波平滑，截斷頻率10 Hz。構建相關角度，對每格畫面中人體的17個關節點進行數字化，進行解析和計算，對獲得的原始數據進行平滑處理得出本研究所需要的數據。在SIMI-MOTION 錄像解析系統中構建本研究涉及的關節角度及其定義，包括：肘關節角度θ1，肩關節角度θ2，髖關節角度θ3，膝關節角度θ4，踝關節角度θ5，以及軀干扭轉角度α1和軀干前傾角度α2，如圖2所示[2,6]。

圖2　跑至力竭運動涉及的關節角度及其定義圖

1.7數據統計及處理

2　研究結果

在高強度跑至力竭運動中，將受試者下肢主要肌群全程中所采集到的11段sEMG信號依次記為S11—S1，即S1段結束后，下肢肌肉處于力竭狀態。

2.1跑至力竭的肌電特征

2.1.1不同束縛壓時下肢肌iEMG(%)值的變化

高強度跑至力竭運動中，下肢主要發力肌群iEMG(%)值在3種不同外加束縛壓下的整體變化趨勢如圖3所示。將S10—S1分別與S11的iEMG(%)值進行比較發現，各組的iEMG(%)值整體均普遍隨時間延長而呈現出先增大后減小的趨勢(P<0.05)。

圖3　不同束縛壓跑至力竭的iEMG(%)值變化示意圖(P<0.05)

此外，從圖3還可觀察到各坐標系中曲線隨時間變化的斜率不同，即各組iEMG(%)值隨時間變化的幅度有差異。這表明緊身壓迫度的高低可能對高強度跑至力竭運動過程中下肢肌iEMG指標的變化程度有影響，故進一步對各組在疲勞期的iEMG(%)值降低幅度進行事后多重比較檢驗。表2結果顯示：中度較輕度束縛壓的iEMG(%)值降低幅度有所減少，且在S3—S1時段具有顯著性差異(P<0.05)；而高度較輕度束縛壓的iEMG(%)值降低幅度則有所增加，且在S3—S1時段具有顯著性差異(P<0.05)。

表2　　　　不同束縛壓跑至力竭的iEMG(%)值降低幅度差異一覽表(n=12)

注：▲表示與輕度束縛壓iEMG(%)值的降低幅度相比具有顯著性差異(P<0.05)。

2.1.2不同束縛壓時下肢肌MF(%)值的變化

高強度跑至力竭運動過程中，下肢主要發力肌群MF(%)值在3種不同外加束縛壓下的整體變化趨勢如圖4所示。將S10—S1分別與S11的MF(%)值進行比較發現，各組的MF(%)值整體均普遍隨時間延長而逐漸下降(P<0.05)。

此外，從圖4還可觀察到各坐標系中曲線隨時間變化的斜率不同，即各組MF(%)值隨時間降低的幅度有差異。這表明緊身壓迫度的高低可能對高強度跑至力竭運動過程中下肢肌MF指標的變化程度有影響，故進一步對各組在疲勞期的MF(%)值降低幅度進行事后多重比較檢驗。

圖4　不同束縛壓跑至力竭的MF(%)值變化示意圖(P<0.05)

表3結果顯示：中度較輕度束縛壓的MF(%)值降低幅度有所減少，且在S3—S1時段具有顯著性差異(P<0.05)；而高度較輕度束縛壓的MF(%)值降低幅度則有所增加，且在S3—S1時段具有顯著性差異(P<0.05)。

表3　不同束縛壓跑至力竭的MF(%)值降低幅度差異一覽表(n=12)

注：▲表示與輕度束縛壓MF(%)值的降低幅度相比具有顯著性差異(P<0.05)。

2.2跑至力竭的運動學特征

2.2.1不同束縛壓疲勞期的步長、步頻變化

由于跑臺速度恒定，步長、步頻只受步態周期單步時間的影響，單步時間為同側支撐時間和騰空時間之和[7]。三種不同束縛壓下，下肢疲勞期的步長、步頻變化及其比較見表4。結果顯示，下肢肌肉力竭前，隨著外加壓迫度的增加，從右腳著地到左腳著地的單步步長逐漸增大，步頻則逐漸減慢；而另一側的單步步長逐漸減小，步頻逐漸加快。

表4　不同束縛壓疲勞期的步長、步頻變化一覽表(n=12)

2.2.2不同束縛壓疲勞期的重心變化

研究選取單個跑步步態周期，對重心在冠狀軸X、矢狀軸Y、垂直軸Z三方向上的位移，以及重心移動總距離四項數據進行分析。三種不同束縛壓下，下肢處于疲勞期的人體重心移動變化及其比較見表5。結果顯示，下肢肌肉力竭前，隨著外加壓迫度的增加，人體重心在 X 軸、Y軸上的位移均減小，重心移動總距離也減小(P<0.05)；而重心在Z軸上的移動則無規律性變化(P>0.05)，但左右下肢卻存在顯著性差異(P<0.05)。

表5　不同束縛壓疲勞期的重心移動變化一覽表　cm

注：▲表示左右側進行比較具有顯著性差異(P<0.05)。

2.2.3不同束縛壓疲勞期的關節角度變化

對單個步態周期中，腳著地、離地瞬間的下肢髖關節、膝關節和踝關節在不同束縛壓疲勞期的角度變化進行分析，分別見表6、表7和表8。結果顯示，下肢肌肉力竭前，隨著外加壓迫度的增加，除左腿著地瞬間的髖關節角度出現增大之外，其余時刻髖關節角度均呈減少趨勢(P<0.05)；右腿著地和左腿離地瞬間的膝關節角度減小，右腿離地和左腿著地瞬間的膝關節角度增大(P<0.05)；踝關節角度呈現不規則變化，無統計學意義(P>0.05)。

表6　不同束縛壓疲勞期的髖關節角度變化一覽表　(°)

表7　不同束縛壓疲勞期的膝關節角度變化一覽表　 (°)

表8　不同束縛壓疲勞期的踝關節角度變化一覽表　 (°)

2.2.4不同束縛壓疲勞期的軀干前傾及扭轉角度變化

軀干中線和水平面的夾角α2為軀干前傾角度；身體扭轉過程中左、右髖與左、右肩之間的投影夾角，即肩相對髖的扭轉角度α1為軀干扭轉角。兩者在不同束縛壓疲勞期的角度變化見表9和表10。結果顯示，下肢肌肉力竭前，隨著外加壓迫度的增加，軀干前傾角度和軀干扭轉角度的變化均無規律可循，無統計學意義(P>0.05)。

表9　不同束縛壓疲勞期的軀干前傾角度變化一覽表　 (°)

表10　不同束縛壓疲勞期的軀干扭轉角度變化一覽表　 (°)

2.3緊身壓迫對跑類項目運動成績的影響

每位受試者在下肢分別身著輕度緊身褲、中度緊身褲、高度緊身褲狀態下，進行100米、400米、800米等項目的測試，并重復測量3次。

表11結果顯示：在100米、400米、800米跑三項徑賽類項目中，運動員分別身著不同壓迫度緊身褲的運動成績之間均無顯著性差異(P>0.05)；但也應注意到，100米、400米跑項目時間，高度緊身褲均有低于輕度緊身褲的趨勢(P=0.055—0.060)；800米跑項目時間，中度緊身褲有低于輕度緊身褲的趨勢(P=0.052)，而高度緊身褲則有高于輕度緊身褲的趨勢(P=0.061)。

表11　不同緊身壓迫對田徑跑類項目運動成績的影響一覽表　 s

3　分析與討論

本實驗通過表面肌電信號時域指標iEMG和頻域指標MF探索高強度跑至力竭運動中，不同程度緊身壓迫對下肢主要發力肌群活動及力竭特征的影響效應。結果發現，低、中、高三種緊身壓迫下的iEMG(%)值均普遍隨疲勞時間延長而呈現出先增大后減小的趨勢，MF(%)值均普遍隨疲勞時間延長而逐漸下降；且在疲勞后期至力竭，中度較輕度束縛壓的iEMG(%)和MF(%)值降低幅度有所減少，而高度較輕度束縛壓的iEMG(%)和MF(%)值降低幅度則有所增加。

結果表明，在高強度跑至力竭運動后期，中度外加緊身壓迫對維持外周運動單位動作電位傳導和骨骼肌的收縮均有一定積極作用。考慮其內在機制可能是皮膚和骨骼肌中毛細血管的血流量會隨外部機械壓力在局部范圍內的增加(沒有超過某一壓迫閾值)而增加[8]，體表處的外加壓迫有助于促進運動員下肢的靜脈血液回流，使心輸出量在疲勞期不至于下降太快；并通過改善微循環，提升肌肉組織內的氧化作用水平，而使運動員的有氧運動能力得以保持[5]。Sear研究表明，運動員在跑動過程中，身穿緊身服時肌肉內的平均氧化指數比寬松服要高[9]；Scanlan研究表明，壓力褲在長時間踏蹬運動中，可有效保持運動員肌肉內氧氣的利用率[10]。此外，Chatard等人研究表明，在高強度訓練后的恢復期，給運動員套上壓力長襪后，體內的血乳酸程度有所下降，促進了疲勞的消除[11]。

從結果還看出，在高強度跑至力竭運動后期，高度外加緊身壓迫未顯示出延緩骨骼肌疲勞和保持運動能力的效用，而且有降低運動單位電傳導速率和加速肌疲勞的趨勢。考慮其主要原因可能是：①高強度運動負荷會迫使機體肌肉組織的氧耗量和供血量大幅增加；此時體表過高的外部機械壓力(超過某一壓迫閾值)將進一步加大骨骼肌內部的微血管形變，導致毛細血管內的血流受阻，總量減少，降低了肌肉總的供氧量，同時也減慢了乳酸等代謝廢物的清除速率，引起疲勞發展進程加快。②高度緊身壓迫在高強度跑運動中極易引發下肢肌肉的超負荷牽拉，腱器官的傳入信息引起Ib中間神經元興奮，致使支配運動肌群的運動神經元發生雙突觸抑制；而且，跑動中未及時清除的代謝產物逐漸堆積，使Ⅲ、Ⅳ類軀體感覺傳入神經纖維傳導的沖動增加，脊髓α-運動神經元就會受到通過脊髓或其上位中樞內的Ia抑制性中間神經元的抑制[5,12]。

同時，運用三維立體攝像技術對整個跑至力竭過程的運動學特征進行研究，發現從疲勞期的步長、步頻及重心變化來看，一定程度的外加壓迫，有助于改善疲勞引起的兩側肢體動作不均衡性，降低跑動中的身體晃動程度；從疲勞期的關節角度變化來看，一定程度的外加壓迫，可以緩解優勢側右下肢依靠減小膝關節角度來補償蹬伸力量的趨勢，同時也能減緩腳離地瞬間肢體通過增加髖關節角度和延長蹬伸時間來控制下肢運動效率的程度；但并未發現軀干前傾和扭轉角度隨外加壓迫有任何規律性的變化。

實證研究考察了100米、400米、800米跑三項運動中，梯度壓縮式緊身褲對運動員比賽成績的影響，結果未發現運動成績之間有顯著性差異，但不同外加緊身壓迫卻呈現對運動表現有一定影響的趨勢，初步考慮這可能與受試(國家二級運動員)自身的專項技術等級水平不高有關。

分析認為，800米跑為無氧和有氧混合供能模式，高度緊身壓迫有可能會導致目標肌肉供氧量下降、乳酸等代謝廢物清除速率減慢、加速疲勞的趨勢；而中度緊身壓迫則可以加速微循環和乳酸等代謝廢物的清除，維持肌肉組織內的氧化作用水平，從而有延遲肌疲勞的趨勢[5]。100米和400米跑是磷酸原和糖酵解系統供能，均屬于無氧代謝能量供應模式。因此，高度緊身壓迫不存在降低肌肉供氧量的問題，反而會為高速奔跑運動中的肌肉提供物理支持，減少軟組織振動，以及增強人體交感神經興奮，有提升肌肉活動效率的趨勢。

4　結論

(1)無氧和有氧混合供能模式的高強度跑至力竭過程中，中度外加緊身壓迫對維持運動表現有一定程度的積極影響；而高度外加緊身壓迫則在一定程度上會降低下肢骨骼肌組織總的血供和氧供，促進肌肉力竭。

(2)無氧代謝供能模式的高強度跑至力竭過程中，高度外加緊身壓迫更有助于為下肢肌群提供高速運動中的物理支持，減少軟組織振動，增強人體交感神經興奮，促進運動表現。

(3)運動員自身的運動技術等級水平越高，外加緊身壓迫對下肢高強度跑至力竭運動特征的影響效應越明顯。

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Effect of Outside Imposed Tight Compression on Characteristics of Lower Limbs’ High-intensity Exhaustive Running Exercise

CHEN Jin-ao1,2

(1.School of Physical Education, Changzhou University, Changzhou 213164, China; 2.School of Physical Education, Soochow University, Suzhou 215021, China.)

Objective: In the high-intensity exhaustive running exercises, this article discusses the effect of outside imposed tight compression on the exercise characteristics of lower limbs and on the actual athletic performance, in order to understand the relationship between tight sportswear and athletic performance and its inner mechanism and provide reference for the design and use of tight sports equipment.Methods: randomly select 12 male athletes as the subjects to finish high-intensity exhaustive running exercises respectively with slight, moderate and great tight compression, use the methods of sEMG and video analysis for data collection of the main powering muscle groups, and then conduct statistical analysis.Results: 1)In the process of a combination of anaerobic and aerobic power mode, moderate tight compression has a certain degree of positive influence to maintaining physical activity, while great tight compression would promote muscle fatigue. 2) In the process of high-intensity exhaustive running exercises with anaerobic metabolism power mode, great tight compression would be more helpful to improve athletic performance. 3)The higher the technical levels of athletes are, the more obvious the effect of outside imposed tight compression on the exercise characteristics of lower limbs is.

tight sportswear; tight oppression; high intensity running; sEMG; athletic performance; exhaustion

2015-12-15

江蘇省體育局體育科技項目局管課題(ST14102211)

陳金鰲(1981-)，男，江蘇淮安人，講師，在讀博士，研究方向為運動裝備的性能測評。

G804.7

A

1008-3596(2016)03-0073-08