人體肌肉力量測量原理與方法綜述

史冀鵬

（東北師范大學體育學院，吉林 長春 130024）

運動人體科學

人體肌肉力量測量原理與方法綜述

史冀鵬

（東北師范大學體育學院，吉林 長春 130024）

肌肉力量是人類生存與發展的前提條件，肌肉力量參數是力量訓練、康復醫學評定、工效學產品設計的基礎數據。通過文獻資料法梳理了近年來有關人體肌肉力量測量原理與方法的中外文獻，包括66篇中文與38篇英文文獻，綜述了肌肉力量的表現層次、分類方法與特點及人體各部位肌群肌肉力量的測量方法。結果表明：據肌肉收縮的外部表現形式，肌肉力量可分為靜力性力量與動力性力量2類；由于力與速度的不斷變化，動力性力量更難于定量測量；肌肉力量測量常涉及人體單關節肌群力與力矩的測量，以及上下肢三關節聯動時力與力矩轉換成手或足部末端效應器力與力矩的測量；肌肉力量測評手段已由簡單的靜力性單關節肌群力與力矩的測量，發展到輸出功率與總功變化的動態多關節肌肉力量的測量。

肌肉力量；測量原理；測量方法；末端效應器

人體在中樞神經系統的支配下，肌肉收縮產生動力，牽拉骨杠桿，以關節為樞紐進行轉動，進而實現了工農業生產勞動、日常生活活動與各種體育運動，肌肉力量是人類生存和發展的前提條件[1]。人體肌肉力量的測量原理與方法在體育科學研究與指導訓練、工效學培訓與產品設計、康復醫學評定與人工假肢研制等領域均具有重要的現實意義與應用價值。由于人體肌肉骨骼系統、神經系統對運動系統的調節和控制，運動系統的能量供應，人體與外界環境之間相互作用等的復雜性，肌肉力量測量也是一件復雜的事情[2]。本文共查閱相關中外文文獻104篇（包括66篇中文文獻與38篇英文文獻），在文獻資料研究的基礎上，從人體肌肉力量的測量實踐出發，就人體肌肉力量的測量原理與方法進行了探討，擬為人體肌肉力量參數的采集提供理論依據。

1 肌肉力量測量的基本理論

1.1 肌肉力量的分類方法與肌肉力量測量技術和方法相適應，按照人體肌肉收縮的外部表現形式，人體肌肉力量可分為靜力性力量與動力性力量2類。靜力性力量是當肌肉等長收縮時產生了一個靜態條件，在此過程中肌肉的長度和身體環節位置沒有變化。目前，關于人體肌肉力量可用的絕大部分信息是關于靜力性肌肉力量的測量結果[3]。肌肉靜力性收縮形式下，肢體環節維持在穩定狀態，可避免關節運動對測試結果的影響，故易于標準化、可重復性高、操作簡易、安全性高[4]。靜力性力量測試除了方便以外，還顯示出對肌肉最大可能的用力產生一種合理的評估。肌肉的力量—速度曲線也表明最大張力或力量確實是在肌肉縮短或拉長的“零速度”時發展出來的[5]。

無論肌肉是向心收縮、離心收縮、等速收縮，還是拉長—縮短周期收縮，在發力過程中肌肉的長度和身體環節位置均會發生改變。這種情況下測得的肌肉力量皆為動力性力量，如等慣性力量(Isoinertial Strength)、等速力量(Isokinetic Strength)與等張力量(Isotonic Strength)[1-2]。等慣性力量是指在運動過程中要克服的慣性保持不變所需要的力量能力，等速力量是把關節運動角速度設定為一個常數來測量的肌肉力量，等張力量則要求在動作中肌張力保持不變，但此種情況只能在離體肌肉試驗時才能做到，所以歐洲科學家喜歡用術語“增加張力（auxotonic）”表示，它包含了張力和長度變化的肌肉收縮，其他作者也有用術語“異動力學（allodynamic）”表示，詞頭“allo”意思是“其他的”、“不是同樣的”[6]。

1.2 靜力性與動力性肌肉力量的特點靜力性肌肉力量是受試者用意志所能發揮的力量值，由人體絕對力量和用意志調節肌肉活動的能力決定。多數等長肌肉力量測試研究表明，大致有3類因素會影響力量測試的結果[3-4,7-8]：第1類是肌肉的形態學因素，如肌肉橫斷面積的大小、肌纖維的走向、以何種類型的肌纖維為主、疲勞物質的堆積程度、能源物質的排空程度，以及測試時肌肉組織的溫度等；第2類是神經的調控能力，如個體激活運動單位的能力與運動單位激活程度高低的能力、動用快慢肌纖維比例高低的能力、此比例在不同人之間以及不同肌群之間均存在著差異；第3類是測試環境的影響因素，如測試口令發出時音量的提升、不尋常的感官刺激、較高的喧鬧聲或擊掌聲均能影響受試者力量的輸出過程，溫度的影響和視覺刺激同樣重要。因此，制訂統一的靜力性力量測試規范具有重要的意義。

動力性力量測試中受試者可以爆發用力的形式對抗身體、肢體或是外加質量慣性，測試中阻力或阻抗質量保持不變，對測試速度與加速度沒有限制，所以可以較為準確地反映人體負重時肌肉的收縮與放松過程[6,9]。但是，動力性肌肉力量要比靜力性力量更加難以描述和控制。1）動力性力量在整個時間內有顯著變化，人體的任何一次動作均要求肌肉發力克服肢體環節或外在負荷的慣性，從靜止進入運動狀態，緊接著進入減速階段又回到靜止狀態。此過程中速度的改變會產生加速度，因此肌肉力量在整個過程中均要發生變化[2]；2）肌肉的力量—速度曲線表明，肌肉向心收縮中力量與速度成反比關系，收縮速度的增加會伴隨著肌肉力量的降低，因此動力性力量是難以測量和預測的[5,10]；3）動力性力量測試由于儀器設備龐大、測試方法復雜、測試費用昂貴，較難適用于大樣本人群肌肉力量狀況的調查。

1.3 肌肉力量的表現層次人體肌肉的配布規律有適應直立行走和勞動的特點，上肢屈肌發達而下肢伸肌發達，上肢關節靈活性要高于下肢，上肢以推、拉、抓、握動作為主，而下肢各關節的屈伸運動幅度較大，以蹬伸動作為主。人體的上肢（上臂、前臂、手）與下肢（大腿、小腿、足）和相應的關節（肩、肘、腕；髖、膝、踝）又可以看作一個三環節的運動鏈，若肩關節或髖關節的軀體部分固定，手或足可以自由活動，則此運動鏈是一個開放式的三環節運動鏈，手或足是此運動鏈的末端效應器[11-12]。

肌肉力量有3個表現層次：第1個層次是肌纖維或一塊肌肉發出的肌張力，科學文獻上多是從第1個層次來定義肌肉力量，以便于從基礎理論層面入手闡述肌肉力量產生的機制與原理，如肌肉三元素模型中收縮元的力學機制，肌張力與肌纖維長度、收縮速度之間的關系等基礎性研究[2,13]。

第2個層次是肌張力轉換成關節力與力矩，在實踐中測量肌肉力量往往在第2個層次上，人體骨骼肌為單關節肌或多關節肌，肌肉的起止點至少要跨過一個關節，肌肉力量表現為骨骼肌收縮牽拉骨杠桿轉動產生的力或力矩，如對人體髖、膝、踝、肩、肘、腕6大關節屈伸肌群靜力性或動力性肌肉力量的測量[14]。第2個層次上的肌肉力量測量，只要統一測試姿勢，固定待測關節，避免其他肌群的代償作用，即可很好地評價單關節肌群的功能能力或是功能缺陷[15]。

第3個層次是多個關節的力與力矩轉換成末端效應器——手或足部的力與力矩，人們日常所說的力量大多是指第3個層次的表現，現實工作與生活中的人體行為動作通常表現為多個肢體環節共同參與、多個相鄰關節聯合運動的形式，即多環節運動鏈上的各關節力與力矩轉換成末端效應器的力與力矩，而手或足末端效應器是動作執行效果的直接表現載體[12,16]。因此，第3個層次上的肌肉力量測量能很好地評價多個關節肌群聯合運動時的功能能力或是功能缺陷，但在肌肉力量測量時統一測試姿勢與避免無關肌群的代償作用時有一定的難度[2,13]。

綜上可知，人體肌肉力量參數采集常涉及髖、膝、踝、肩、肘、腕6大關節力和力矩的測量，以及上下肢三關節聯動時力與力矩轉換成手或足部末端效應器力和力矩的測量。

2 肌肉力量測量的部位與方法

2.1 人體單關節肌群肌肉力量的測量方法在不考慮肌肉收縮速度的情況下，利用力量傳感器可獲取人體單關節肌群的靜力性肌肉力量，即等長收縮的力量。力量傳感器主要由2個部分組成，首先是在力或力矩作用下能產生應變的元件，其次是能把這種應變轉換成可測量輸出（如電壓、電流等）的元件，按材料類型可分為壓電晶體或壓容體傳感器。在靜力性力量測試中，需要各種不同的傳感器來適應身體各部位肌肉力量的測量要求[2,13]。當然，大型旋轉式測力系統，如Biodex、Cybex、Contex等速肌肉力量測試系統與BTE PrimusRS模擬仿真測試評價訓練系統均可實現人體單關節肌群靜力性肌肉力量參數的采集[9-10]。測定時要求受試者的關節角度固定，否則力臂、肌肉初長度的改變均會影響到肌肉力量的測試結果。

多數情況下，人體是在中樞神經系統的支配下，肌肉收縮產生動力牽拉，骨杠桿以關節為樞紐進行轉動，從而實現工農業生產勞動、日常生活活動與各種體育運動，是一種動態的做功過程。在人體轉動力學中，運動環節角速度與扭矩的乘積為肌肉的輸出功率[10,17]。因此，無論速度的快慢，均會有功率的輸出且可被測量。在旋轉式測力系統中，如測試角速度在500°/s以內的Biodex、Cybex、Contex等速肌肉力量測試系統，以及測試角速度高達4500°/s的BTE PrimusRS模擬仿真測試評價訓練系統上，可同步記錄運動環節的力臂、力、扭矩（力矩）、角速度等參數隨時間的變化量，以推算被測肌群的輸出功率、總功變化量等一些可量化肌肉動態工作能力的參數[6,9]。然而，這種大型的旋轉式測力系統，造價普遍較高，測試費用昂貴，且不便于運輸與攜帶。

2.1.1 人體單關節肌群靜力性肌肉力量的測量方法 肌肉靜力性收縮形式下肢體環節維持在穩定狀態，可避免關節運動對測試結果的影響，故易于標準化、可重復性高、操作簡易、安全性高。因此，靜力性力量的測試更為常見。但是，用一個孤立點的肌肉力量值來評估肌肉的功能情況存在著明顯的缺陷。因此，通過測量一連串關節角度的靜力性肌肉力量值來繪制肌肉力量與關節角度的關系曲線，在實踐中應用時較為全面（圖1）[2,14]。

圖1 大學生肘與膝關節靜力性肌肉力量—關節角度關系圖[14]

單關節中肌肉力量（表現為相對于某一關節軸的力矩，或平衡一個作用于環節末端的外力）與關節角度的關系曲線為肌肉力量曲線。但是要注意有2種關節角度的定義：1）關節夾角，即選擇組成該關節的2個環節之間小于180度的夾角作為關節角度；2）關節解剖學角度，即關節與解剖學位置間的夾角。關節角度定義不同會影響到肌肉力量曲線的表現形式。測量人體肌肉力量曲線時每次只能改變一個關節角度，被測肌肉或肌群應是引起這個關節運動的主要原動肌，在測量的肌肉力量曲線方向上，關節應該只保持一個自由度，相鄰環節要固定好。如圖1所示，靜力性肌肉力量僅反映關節處于某一個選定角度時的肌肉力量情況，進行多個關節角度靜力性肌肉力量的測量，并繪制靜力性肌肉力量與關節角度的關系曲線圖，可掌握肌肉力量隨關節角度的變化規律[14,18-19]。

2.1.2 人體單關節肌群動力性肌肉力量的測量方法

動態功率的變化可量化特定肌群短時間內的快速做功能力，以及肌肉長時間持續工作時的耐久力。肌肉輸出功率為扭矩與角速度的乘積，因此力量—速度關系曲線能反映出肌肉功率輸出能力的機能特征[10,20]。在一系列預負荷阻力設置的測試中，預負荷（阻力矩值）與測試系統的角速度成線性關系，且肌肉向心收縮過程中力量與角速度成反比關系，收縮速度的增加會伴隨著肌肉力量的降低[9-10]。如圖2所示，以人體膝關節伸展肌群的動力性肌肉力量測量為例，Stauber等人曾以一位受試者的20種不同負荷與幾位受試者的12種負荷(代表20%～80%靜態最大力矩值) 的阻力矩值驗證了此線性關系[20]。

圖2 扭矩—速度關系圖[20]

圖3 扭矩—速度與扭矩—功率關系圖[20]

圖4 靜力最大肌力—關節角度關系圖[14]

圖5 伸膝肌群重復性伸膝次數與功率損失率的變化圖[21]

另外，以肌肉力量為動力、骨為杠桿、關節為樞紐的人體轉動力學中，同時考慮功率、扭矩、角速度三者之間的關系。如圖3所示，伸膝肌群的最大輸出功率出現在阻力矩值與角速度值均接近其最大值的50%時[20]。圖4為伸膝肌群靜力最大肌肉力量—關節角度關系圖，此圖表明伸膝肌群在膝關節屈曲110°附近時杠桿效率最高，此關節角度下的靜力性肌肉力量值即為靜態最大肌肉力量或力矩[14]。因此，取膝關節屈曲110°時測得的靜態最大肌肉力量或力矩值的一半作為阻力負荷設置，即可測得伸膝肌群的最大輸出功率值[6]。如圖5所示，以伸膝肌群靜態最大肌肉力量或力矩值的一半作為阻力負荷設置下，扭矩與角速度的最佳組合結果，每次伸膝動作均會產生一次最大輸出功率，按照一定的頻率持續運動直至疲勞，即可在短時間內量化伸膝肌群的耐久力[21]。然而，有關健康人單關節肌群最大功率輸出與功率保持能力的測評研究較為少見，國內學者曾采用旋轉式測力系統向心/離心的等張測量模式對人體單關節肌群最大功率發展與保持能力進行定量評價，測量結果如圖6所示，測試結果包括功率(P)、總功(J)、距離(deg)、時間(s)等多個參數[6]。

圖6 青年人伸膝肌群功率快速輸出與保持能力[6]

2.2 人體多關節聯動肌群肌肉力量的測量方法實踐中人體的大部分運動目標都是通過手或足的最終運動來實現的。末端環節的運動目標主要有3個：準確定位、獲得速度和力量。3個目標中每一個目標的達到都是運動鏈共同作用的效果[11-12,16]。因此，不僅要測量單個關節周圍肌群力量轉換成關節力與力矩的問題，還要測量多環節運動鏈中多個關節肌群的力與力矩轉換成末端效應器（手或足部）力與力矩的問題。旋轉式測力系統如Biodex、Cybex、Contex等速肌肉力量測試系統，BTE PrimusRS模擬仿真測試評價訓練系統，AKM、BKM、WKM與T.K.K肌肉力量測量系統，以及三維測力平臺與分布式足底壓力測試系統，均可不同程度地實現人體末端效應器力與力矩的測量。

2.2.1 末端效應器靜力性肌肉力量的測量方法 人體多關節聯動肌群靜力性肌肉力量測量過程中，當末端效應器手或足部固定時，上肢或下肢三環節運動鏈由開放鏈變為閉合鏈，各個環節的自由度減少，肢體環節維持在相對穩定的狀態，可避免關節運動對測試結果的影響[12]。因此，末端效應器靜力性肌肉力量的測量結果更為常見。末端效應器的靜力性肌肉力量與施力姿勢、方式和方向有著密切的關系[19]。因此，能影響上述因素的參數，在測試過程中均應考慮到。

例如，足部不同關節角度蹬踏力的測量時，要同時考慮如下肢各環節的長度、關節角度、座椅高度、踏板角度、座椅與踏板間距等相關參數[16]（圖7）。以往研究表明，足部最大蹬踏力一般在膝關節屈曲160°時產生，蹬踏力的大小還與下肢離開人體中心對稱線向外偏轉的角度大小有關，下肢向外偏轉約10°時的蹬踏力最大[19]。人體上肢的靈活性要強于下肢（圖8），手部推拉力的測量結果表明，左手弱于右手，向上用力大于向下用力，向內用力大于向外用力[3,19]。

圖7 青年人不同踏板角度與椅板間距下的足部靜態蹬踏力[16]

圖8 坐姿下手臂不同方向對不同角度的推拉力[19]

2.2.2 末端效應器動力性肌肉力量的測量方法 末端效應器動力性肌肉力量的測量常見于足部，常見設備有足底壓力平板、壓力鞋墊、三維測力臺，它們是在換能器、傳感器的基礎上發展起來的足底壓力測量系統，可以采集足底一維或三維受力與力矩隨時間的變化曲線。利用影像學分析系統或紅外運動捕捉系統同步記錄人體下肢運動環節的運動學參數，可推算出各環節速度、加速度的變化，以求取下肢末端效應器的輸出功率或總功變化，進而實現對人體多關節聯動效果動力性肌肉力量的測量[22,23,18,24]（圖9、圖10）。同理，采用力學傳感器記錄手部作用力隨時間的變化曲線，如Teksscan握壓力力量分布測量系統、美國Mark-10手指套壓力映射系統(GPMS)、手指套型高精度觸覺測量系統 FingerTPS II等，并同步記錄人體上肢的運動學參數，也可完成手部動力性肌肉力量的測量[25]。

圖9 青年人速度輪滑一個單步的足底壓力時間變化曲線[22]

圖10 青年人手工提舉重物時足部三維受力時間變化曲線[23]

3 結 語

與肌肉力量測量技術與方法相適應，肌肉力量依據肌肉收縮的外部表現形式可分為靜力性與動力性力量2類。由于力與速度的不斷變化，動力性肌肉力量更難于定量測量。從人體肌肉的配布規律與肌肉力量的表現層次來看，肌肉力量參數采集常涉及人體6大關節周圍單關節肌群力和力矩的測量，以及上下肢三關節聯動時末端效應器力和力矩的測量。隨著科學技術的不斷進步，肌肉力量測評手段已由簡單的靜力性單關節肌群力與力矩的測量發展到輸出功率與總功變化的動態多關節肌肉力量的測量，以求達到更準確地反映運動中人體肌肉工作模式的真實情況。

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Review on Measuring Principle and Method of Human Muscle Strength

SHI Ji-peng
（School of Physical Education, Northeast Normal University, Changchun 130024, Jilin China）

Muscle strength is a prerequisite for human survival and development, and muscle strength parameters are the basic database of strength training, rehabilitation evaluation and ergonomic design. We analyzed the measuring principle and method of human muscle strength though literature review (66 Chinese and 38 English articles) in recent years, and summarized the muscle strength of performance level, classif i cation methods and respective characteristics, as well as the measuring method of muscle strength for various body segments. According to the external manifestation of muscle contraction, muscle strength can be divided into static strength and dynamic strength. Due to the constant change in force and speed, dynamic muscle strength is more diff i cult to quantitative measurement. The muscle strength involved the force and torque of muscle groups around the single joint, and the force and torque of end effectors such as hand and foot. The evaluation methods of muscle strength has been developed form the simple static force and torque of the single-joint muscle groups to the dynamic power output and total work of the multi-joint muscle groups.

muscle strength; measuring principle; measuring method; the end effector

G804

A

1004 - 7662(2017)02- 0082-06

2016-12-12

科技基礎性工作專項（項目編號：2013FY110200）；中央高校基本科研業務費資助項目（項目編號：14QNJJ032）。

史冀鵬，講師，博士，碩士研究生導師，研究方向：運動生理學。