機械載荷對肌肉和肌腱硬度影響的研究進展

常田田，張君，翁琳曼，朱毅，王雪強，張志杰

1.上海體育學院運動科學學院，上海市 200438；2.廣州中醫藥大學，廣東廣州市 510000；3.鄭州大學第五附屬醫院，河南鄭州市 450000；4.河南省洛陽正骨醫院，河南省骨科醫院，河南洛陽市 471000

抗阻訓練已經成為運動人群必不可少的訓練項目，可以提高一系列與運動表現相關的神經肌肉變量，包括力量、做功功率和耐力等[1]，主要訓練方式有離心收縮訓練和向心收縮訓練。離心收縮常用于減速或制動，在儲存彈性應變能量方面起關鍵作用；當彈性應變能量在隨后的收縮中恢復時，會產生更大的肌肉力量、功或功率輸出[2]和相對最低的能量成本[3]。這使得離心訓練成為專項運動、力量和體能訓練中一個重要的輔助項目，常用于提高運動表現和預防運動損傷[4]。通過離心訓練，可以提高運動員的最大力量和爆發力[5]，在不進行特定跳躍練習的情況下，也可通過離心訓練提高跳躍能力。在改變肌肉強度、功率、速度等方面，離心收縮似乎比其他類型的收縮更為有效，比向心收縮有著更大的中樞神經適應能力[6]。

抗阻訓練后，肌肉、肌腱的結構和形態會發生一系列改變，這些改變是肌肉、肌腱對機械載荷的適應性反應，有助于增強肌肉機械功能[7]；而不當抗阻訓練會導致肌肉損傷。肌肉損傷的精確量化可通過肌肉活檢確定，但這種侵入性方法在運動環境和臨床實踐中的應用受限。肌肉、肌腱硬度是肌肉、肌腱機械特性的重要參數之一[8]，可客觀反映肌肉、肌腱的功能狀態[9]：肌肉硬度越高，肌肉受到的損傷就越大[10]；肌肉硬度及其指數被用于評估肌肉損傷引起的肌肉機械性能變化[11]。將肌肉硬度作為肌肉損傷的客觀指標對臨床實踐很有意義。

影響肌肉和肌腱硬度的主要因素有所不同，與肌肉硬度相關的影響因素主要有收縮方式、肌纖維長度、肌肉橫截面積；肌腱硬度的影響因素主要有收縮方式和肌腱橫截面積。

1 不同機械載荷對肌肉硬度的影響

肌肉、肌腱有一定的外部特征，彈性模量比硬度更能描述肌肉、肌腱抵抗變形的能力。由于實驗條件限制，大部分研究測的都是硬度而沒有彈性模量。但由于彈性模量與硬度正相關，所以肌肉、肌腱的彈性模量越大，硬度越大。

1.1 與肌肉損傷有關的肌肉硬度增加

傳統的抗阻訓練通常包括一組重復的離心和向心運動。抗阻訓練的強度一般由向心肌肉強度決定，而肌肉的離心收縮比向心收縮可產生更大力量，傳統抗阻訓練傾向對離心運動階段的附加阻力不夠充分[6]。與僅向心訓練或受向心阻力強度約束的傳統抗阻訓練相比，離心運動階段有充分強度的抗阻訓練方案可獲得更好的神經肌肉適應[10-11]，包括肌肉的機械特性適應。

抗阻訓練對肌肉造成很大負荷，可導致肌肉損傷[12]。由于肌肉的復雜性、機械載荷的多樣性，造成肌肉損傷所涉及的機械載荷并不能被準確衡量，但肌肉收縮方式與肌肉損傷的關系可以被明確表示。在離心訓練中，收縮的肌肉被比肌肉力量更大的外力反復延長，相比向心收縮和等長收縮，會引起更多的肌肉損傷[13]，是造成肌肉損傷的主要原因[14]。離心收縮引起肌肉損傷的特征是，肌肉做功能力減少[15]，最大肌肉強度和關節活動范圍(range of motion,ROM)減小，延遲發作性肌肉酸痛(delayed-onset muscle soreness,DOMS)，肌肉腫脹，肌酸激酶和肌紅蛋白增加[16]。雖然肌肉硬度變化并不一定與其他肌肉損傷參數對應，如DOMS 和ROM 減小[17]；肌肉硬度的增加與受試者的疼痛沒有相關性，受試者報告疼痛嚴重時可能沒有嚴重的肌肉損傷[18]，但肌肉硬度的變化卻反映了肌肉損傷。

運動后肌纖維損傷會導致這些纖維自發縮短，肌肉的力學特性改變，從而增加肌肉硬度[11]。此外，在抗阻訓練肌肉損傷后，肌肉活躍血管中的血流向不活躍肌肉血管流動[19]，引起肌肉腫脹和肌肉內壓力增加，硬度增加；但體液積聚和炎癥反應并不是運動后早期肌肉硬度增加的決定因素[20]。肌肉硬度在一次離心運動后立即增加[21]，在離心運動后4 d 內持續增大[22]。也有研究發現[22]，離心運動后1 h 內肌肉硬度增加，通常在24 h時達高峰，或肌肉硬度至少在運動后48 h內升高。這種不同可能是由于訓練肌群、離心訓練強度、訓練持續時間不同所致。運動后肌肉硬度早期增加的機制可能與離心收縮引起的肌原纖維中斷后，鈣穩態急性不平衡和損傷纖維的自發縮短有關[23]。

1.2 與肌肉橫截面積和纖維長度有關的肌肉硬度

骨骼肌以3 種策略適應機械負荷：增加橫截面積、增加肌纖維長度和增加特定肌力。這三個結構變化均影響肌力產生的特定功能特征，如力-長度和力-速度關系。增加肌肉橫截面積可以增大肌力，增加肌纖維長度可增加肌肉最大縮短速度和最大機械功率[24]，均是增強肌力的重要方式。肌力與硬度在一定范圍內成正比[25]，所以，在一定范圍內，肌肉橫截面積和/或肌纖維長度增加可導致肌肉硬度增加。

抗阻訓練后，早期雖有肌肉損傷后水腫引起的橫截面積增加，但這不是肌肉肥厚。肌肉腫脹所致的肌肉橫截面積增加對肌肉硬度的影響很小[26]。長期進行肌肉訓練會導致肌肉肥厚，肌肉橫截面積增加，硬度增加。機械刺激的強度可能不是肌肉肥厚的唯一決定因素，這可能由肌肉的收縮類型(離心/向心)決定。長期離心和向心訓練后，肌肉體積有相似的增加，但肌肉肥厚的區域卻有所不同：離心訓練主要縱向增加肌節，導致肥厚主要集中在肌肉的中遠端；而向心訓練主要橫向增加肌節，導致肥厚主要集中在肌腹附近[27]。縱向肌節數量增加可能是離心負荷后肌肉為防止進一步損傷的一種保護機制，也可能是其他抑制肌肉橫向生長的因素在離心收縮中起作用[5]。肌肉對離心收縮和向心收縮的不同適應性，可能與離心訓練引起肌肉損傷，導致肌肉激活不均勻有關，也有可能與向心和離心收縮不同信號傳導通路有關[27]。長期離心和向心訓練均可導致肌肉肥厚，橫截面積增加，肌肉硬度增加，但主要肥厚部位有所不同。

有許多研究調查人體肌肉的橫向生長，但少有針對人體肌肉縱向生長的研究。股骨外側肌束長在離心訓練和向心訓練后增加[28]，或僅在離心訓練后增加[27]，或有增長的趨勢[29]，可能由于不同訓練方式、干預時長、掃描位點的差異等所致。在控制離心載荷后，肌肉串聯肌節數目增加；肌肉的縱向生長取決于肌纖維應變的大小和產生的肌力大小[30]。盡管離心負荷后縱向肌肉生長的潛在機制尚不清楚，但發生在肌小節Z 帶的微損傷是引發一系列新肌小節出現的原因之一[31]；肌肉纖維拉傷程度和肌力大小也可能影響縱向肌肉生長[32]。由此，骨骼肌適應離心機械載荷所致肌肉纖維長度增加，也可使肌肉硬度增加。

1.3 其他因素

除了機械載荷外，年齡、性別、體質量指數、體位、部位也會影響硬度。在60 歲以上老年人中，女性肱二頭肌硬度大于男性，且硬度隨年齡增長而增加[33]。體質量指數與胸鎖乳突肌[34]、上斜方肌[33]、腓腸肌內外側頭硬度正相關。肱二頭肌硬度與肘關節的角度和肱二頭肌收縮強度正相關[35]。在排除最佳長度對肌肉硬度的影響后，同一離心收縮動作訓練誘導肌肉硬度的增加，在多關節肌肉要比單關節肌更大[10]。運動前后，同一肌肉長軸上不同區域硬度不同[26]，靠近肌腱的遠端區域硬度更高[17]。離心訓練后，肌肉、肌腱結合部位和肌腹的肌肉硬度會發生不同步變化。離心訓練后24 h，靠近肌腱部位的肌肉硬度增加，而肌腹的硬度在離心訓練后即刻和24 h 后均減少[17]。這種不同步的變化可能與兩處肌肉的結構差異，以及不同部位肌肉對訓練的敏感性不同有關。

因此，過量機械載荷，特別是離心收縮所致肌肉損傷，長期機械載荷所致肌肉橫截面積增加，離心收縮所致肌肉纖維長度增加等，均可使肌肉硬度增加。同時，年齡、性別、體質量指數、體位、部位等也是影響肌肉硬度的因素。

2 不同機械載荷對肌腱硬度的影響

肌腱對機械環境比較敏感[36-40]；在機械載荷刺激一段時間后，肌腱硬度有所增加[41-44]。肌腱硬度和肌腱的材料特性(彈性模量)和形態學特性(橫截面積、高度或長度)直接相關。目前未發現肌腱靜息長度會發生變化，因此，肌腱橫截面積增加和楊氏模量增加可造成肌腱硬度增加[45]。

2.1 肌腱橫截面積

雖然在長期抗阻訓練后肌肉體積增大，但短期抗阻訓練后肌腱是否肥厚存在爭議，這與訓練強度有關。短期抗阻訓練導致特定區域肌腱橫截面積增加[46-48]或無變化[49-52]。短期抗阻訓練是否導致肌腱硬度增加，可能與局部特異性肥厚或膠原蛋白緩慢周轉有關[53-54]。短期訓練后，早期在不增加肌腱橫截面積的情況下，肌腱硬度的變化可能因為膠原纖維密度增加，卷曲角改變，或水分增加[49,55-56]。長期(4 年)高強度抗阻訓練和短期(12周)相比，髕腱肌腱橫截面積并沒有差異，腱膜面積更大，髕腱硬度沒有明顯差異，但均大于未訓練者的髕腱硬度[7]。短期低強度抗阻訓練對肌腱硬度的影響存在爭議，但短期高強度抗阻訓練可以使肌腱橫截面積增加，肌腱硬度增加。

慢性負荷可以增加肌腱橫截面積，增加肌腱硬度。長期從事耐力訓練或大量中低強度負荷抗阻訓練后，肌腱橫截面積較大；長跑運動員的肌腱橫截面積比不經常運動者更大；經常運動者的優勢側肌腱橫截面積比非優勢側更大。

長期大量低中負荷是肌腱肥厚的重要刺激因素，而長期高負荷可能不是引發肌腱肥厚的關鍵刺激因素。

因此，短期高強度抗阻訓練和長期抗阻訓練可以使肌腱硬度增加。

2.2 收縮方式

對受試者股四頭肌進行不同收縮方式、收縮強度的運動干預，無論機械載荷如何變化，髕腱的硬度和彈性模量都增加；且在一定范圍內，隨著機械載荷增大，肌腱的彈性模量增加越多；但高負荷離心運動在肌力、硬度、彈性模量方面，比向心、等長運動增加更多[49]。由于不同研究在干預持續時間、收縮強度、干預樣本量、肌腱硬度等測量方式的差異，及其他方面影響，不同肌肉收縮方式對肌腱硬度的影響不盡相同，但離心收縮可導致肌腱硬度增加是確定的。

機械載荷刺激下肌腱硬度的適應性改變，主要取決于機械載荷的強度，而不是收縮類型。硬度的早期變化機制更多是由于肌腱的材料適應性(彈性模量)改變，而非形態學(橫截面積)改變[49]。肌腱肥厚是機械載荷長期影響的結果，肌腱形態學的改變，即肌腱橫截面積的增加，是長期機械載荷后硬度增加的主要機制。訓練時間、頻率、肌肉收縮類型(等長、向心、離心等)、關節角度(影響肌腱杠桿臂長度)等，對肌腱的硬度也會有一定的影響。除了肌腱對機械載荷的生理性適應外，過度機械載荷是肌腱病因學中的重要因素，肌腱病通常導致局限性壓痛、活動性疼痛、肌力下降、運動受限等癥狀。病理狀態也會引起肌腱硬度發生改變，如跟腱炎患者的跟腱硬度低于健康人[57]。

短期高強度抗阻訓練、長期機械載荷可以增加肌腱硬度。就收縮方式而言，離心收縮比其他方式的收縮更易引起肌腱硬度改變。

3 硬度改變對肌肉、肌腱的影響

在有肌肉損傷的情況下，肌肉硬度越大，肌肉受到的損傷越大。在進行兩種不同強度的離心運動后，48 h內產生肌力能力的降低與肌群彈性模量的早期增加密切相關：運動后30 min測得的彈性模量越大，運動后48 h最大自主等長收縮力矩減少得越多，但這種關系并不是線性的，在最大自主等長收縮力矩降低50%時趨于穩定[10]。這種最大自主等長收縮力矩的減少由肌肉損傷造成，運動后30 min肌肉彈性模量增加可以做為肌肉損傷的早期非侵入性指標；而運動后48 h肌力不足是肌肉損傷后功能障礙的重要指標[7]。

在無肌肉損傷的情況下，硬度增加可以在運動期間限制肌肉應變的生理范圍，但肌腱的應變多少是恒定的[30]。短期抗阻訓練后，肌腱首先發生高應力下應變減小，隨后在長期持續低應力水平下應變減小[7]，這是肌腱對抗阻訓練適應的時間特性。長期應力下和短期應力條件下，肌腱硬度沒有什么差異，但在同等應力水平下，前者形變更少，表示長期抗阻訓練下，肌腱有更大的絕對硬度[7]。硬度更大的組織機械阻力更大，可在肌肉收縮初始階段約束肌肉縮短，根據力-速度關系，肌肉纖維會產生更大力量[58]。此外硬性組織傳力時間理論上較短[59]，可以更有效地將力傳遞給肌腱，提高力的發展速率，因此，硬性組織對爆發力強度有重大影響。訓練后肌肉肌腱硬度增加是提高各種快速運動表現的重要因素。

4 小結

抗阻訓練可以提高一系列與運動表現相關的神經肌肉變量，而離心收縮在許多方面優于其他方式，但離心收縮在提高肌肉硬度方面似乎并沒有特別大的優勢。這種硬度改變在材料適應性上表現為彈性模量增加，而在材料形態學適應性上表現為橫截面積增加。機械刺激后，如果引起肌原纖維中斷、肌肉纖維長度增加、肌肉橫截面積增大，均可引起肌肉硬度增加。同樣，機械刺激如果引起肌腱橫截面積增大和肌腱彈性模量增加，也可引起肌腱硬度增加。機械載荷下肌腱硬度的改變，主要取決于機械載荷的強度，而不是肌肉收縮類型。肌腱硬度的早期變化機制主要是由于肌腱材料適應性(彈性模量)的改變，而不是形態學(肌腱橫截面積)的改變；而肌腱形態學的改變是長期機械載荷下后期硬度增加的主要機制。

若肌肉硬度的增加由肌肉損傷引發，運動后48 h的肌力下降，兩者在一定范圍內呈正比。若肌肉硬度的增加不是由于肌肉損傷引起，則可以增加肌力，提高力量發展速率，提高爆發力。

探究機械載荷對肌肉、肌腱的硬度改變，了解肌肉肌腱對機械載荷的適應性，探求其與肌肉一些重要功能之間的關系，了解肌肉損傷的一些實用性指標，對后期預防肌肉損傷、及時發現肌肉損傷有一定指導意義。由于目前關于肌肉、肌腱功能適應性的研究不多，還需要進一步探討。

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