振動刺激消除運動性肌肉疲勞的研究進展及生理機制

馬晶婧，劉 宇，王 健,3

(1.浙江大學 教育學院，浙江 杭州 310058；2.上海體育學院，上海 200438；3.浙江大學 心理科學研究中心，浙江 杭州 310058)

運動性肌肉疲勞(exercise-induced muscle fatigue)特指運動引起的肌肉收縮功能暫時性下降現象，主要表現為最大肌肉力量、肌肉爆發力和肌肉耐力下降以及中樞運動控制失能等[1,2]，部分伴有不同程度的肌肉組織損傷和延遲性肌肉疼痛(delated onset muscle soreness，DOMS)[3]，甚至導致過度訓練的發生[4]，對運動員的訓練和比賽以及健身運動人群的日常生活、學習和工作等造成不同程度的負面影響[5]。目前，運動訓練領域常用的消除肌肉疲勞和促進肌肉功能恢復物理手段主要包括按摩、拉伸、熱水浴、超聲波、電刺激、高壓氧和針灸等[6,7]。這些傳統物理手段存在著耗時長、需要專業人員幫助以及緩解疲勞的即刻效應和即刻感受不明顯等不足[8]。振動刺激是近30年來建立和發展起來的一種利用機械振動裝置引發肌肉組織產生往復性周期運動，從而達到快速消除肌肉疲勞和增強肌肉收縮功能的新方法，括全身振動(whole body vibration，WBV)和局部振動(local vibration，LV)兩種基本振動模式。研究發現，運動性肌肉疲勞后，針對全身肌肉或者局部肌肉施加25～50Hz的振動刺激，可以增加肌肉力量[9]、消除疲勞感受[10]、提高爆發力和靈活性[11]、改善平衡能力[12,13]、增加機體能量消耗[14]、改善外周血液循環[15]、增加肌肉和皮膚血流量[16]和肌肉溫度[17]、提高鍛煉相關的激素分泌、抑制壓力相關的激素分泌等[18]。甚至有研究表明，離心運動前施加振動刺激可以有效預防肌肉酸痛和疲勞的發生[19,20]。本文將重點圍繞振動刺激緩解肌肉疲勞的作用及其生理學機制等問題，系統回顧該領域的研究進展及其存在的問題，展望未來研究的發展趨勢。

1 振動刺激消除運動性肌肉疲勞的效果

1.1 降低主觀疲勞感受

主觀疲勞感受是個體對于肌肉用力和不適程度的綜合性主觀體驗與評價。運動性疲勞發生后，軀體疲勞和疲勞感受程度增加，運動員的注意力、自信心、精力充沛感均下降。主觀疲勞感受通常用Borg自感用力度等級量表(rating of perception exertion，RPE)和視覺模擬量表來評定(visual analyze scale，VAS)。主觀疲勞感受的快速恢復有助于對抗警覺、注意力、反應速度降低等負面影響，提高運動自信心與成就感，預防運動損傷。Nepocatych等[10]研究了WBV(35Hz，2mm，10min)對8例健康男性疲勞后下肢肌肉的放松作用，發現振動組和對照組wingate試驗中的峰值功率和平均功率沒有顯著差異，而振動組的主觀感受恢復良好。沈業輝等[21]的研究表明，WBV(35Hz，2mm，2min，2天)同空白對照組相比能夠緩解男性股四頭肌疼痛感覺，但其效果弱于靜態牽拉。鄭鑫鑫等[22]研究了深層肌肉振動儀LV(36.7Hz，5min)對緩解14例健康成年女性小腿三頭肌力竭性疲勞的即刻效應，發現振動組主觀疲勞感減輕程度優于對照組，而振動組等長峰力矩、總做功在干預后有升高，但同對照組間無統計學差異。以上研究表明，采用局部和全身振動可以有效消除主觀疲勞，但在促進肌肉功能恢復上缺乏一致性。

1.2 增強肌肉力量和耐力

根據運動性疲勞的定義，肌肉力量和耐力是評價運動性疲勞的金標準，能否促進肌肉功能的恢復是振動能否消除運動性疲勞的決定性因素。朱文斐等[23]研究了WBV(30Hz，2mm，3min)對緩解8例健康男性前臂力竭性疲勞的即刻發現振動放松可以使得握力顯著恢復，積分肌電值(integrate electromyography，iEMG)值顯著減小，中位頻率(medium frequency，MF)和平均功率頻率(mean power frequency，MPF)值升高，但組間無顯著性差異。該研究認為即時振動放松可以使骨骼肌在電生理特性和力量明顯恢復，可有效緩解骨骼肌運動性肌肉疲勞。谷茂恒，等[24]研究了WBV(30Hz，5min)對緩解12名男子劃艇運動員前臂疲勞的即時效應，發現振動放松后握力顯著上升，肌電iEMG顯著下降，MF和MPF上升，但組間不顯著；肌腱的硬度、伸縮性降低，但組間無顯著性差異，彈性在組內和組間均無顯著性變化，該研究表明振動可以有效地消除運動性肌肉疲勞，恢復肌肉力量，改善肌肉肌腱伸縮性和硬度，WBV對于緩解局部肌肉運動性疲勞具有良好的效果。Koh等[25]研究了LV(20MHz，10min)和超聲治療(1.0W/cm2，1MHz，10min)對恢復60名男女疲勞后前臂最大等長肌力的影響，發現72h后振動組最大等長肌力>超聲組>對照組，且振動組和對照組之間存在顯著差異。該研究表明高頻局部振動能夠恢復疲勞后的肌肉力量，且效果優于超聲治療。Cochrane等[26]研究了使用可穿戴式局部振動療法(120Hz，1.2mm，15min，4天)對緩解13名男性上肢疲勞后肌肉酸痛的功效，發現急性振動可減輕肌肉酸痛(visual analyze scale，VAS)，降低血清肌酸激酶(creatine kinase，CK)并改善運動范圍(range of motion，ROM)，但振動后最大等長肌肉力量沒有顯著恢復。陳偉婷，等[27]運用表面肌電的近似熵(approximate entropy，ApEn)的指標評價運動性肌肉疲勞，并在肌肉收縮期間施加局部振動LV(45Hz)，發現振動組ApEn的斜率較小，表明肌肉達到疲勞的時間較長；振動組達到疲勞前肌肉收縮(45%MVC)次數增多，表明振動刺激延緩了疲勞的發生。徐樹禮，等[28]對WBV(20Hz，6mm)延緩上肢疲勞的研究也得到的相同的結果。在振動施加過程中，運動性肌肉疲勞指標MPF、ApEn和分形維數的斜率均減小，振動組達到力竭的時間均明顯推遲。這部分研究表明，振動刺激對上肢肌群具有較理想的消除疲勞、改善運動能力、提高肌肉抗疲勞性的作用效果。經過振動治療后，肌肉力量能即刻提高7%～10%，并在之后4天內保持10%左右的優勢提前恢復到初始水平。

然而，Carrasco等[29]研究了2×15min的低頻坐姿WBV(20Hz，4mm)對12例男性高強度間歇訓練后放松效果，發現振動組血乳酸濃度、肌張力參數、平均疲勞時間、總騎行距離、平均騎行速度和最大心率并沒有改善。該研究認為WBV對消除血乳酸、改善下肢肌肉收縮性能和延長疲勞時間沒有效果。Marin等[30]發現，WBV(50Hz，2.4mm；35Hz，1.15mm，共6min)和運動后的放松理活動同時作用時可以顯著降低男子高水平足球運動員的下肢肌肉酸痛感、提高下肢爆發力——振動后24h后縱跳(counter movement jump，CMJ)高度提高4%。Fuller等[31]的研究表明對于緩解男性下肢運動性肌肉疲勞，WBV組(75Hz，0.05mm，20min，2天)與靜態牽拉組相比，WBV對峰值力矩的恢復作用效果更好，而血清CK、血清肌紅蛋白和血清c反應蛋白生理指標的恢復上靜態牽拉組效果更佳，但在這些指標上兩種放松方法的差異并不顯著，該研究表明WBV與靜態牽拉的對疲勞的恢復效果不相上下。Ansari等[32]人研究了WBV(30Hz，4mm，2min)對緩解13名健康成年女性下肢運動性肌肉疲勞的即刻效應，通過比較振動組和對照組肌肉力量、爆發力和平衡能力，結果發現振動不能改善股四頭肌峰力矩、單腿跳距離和動態平衡能力(Y-Test)。Otadi等[33]研究了LV(30Hz，—，2min)對緩解30名健康青年男性股四頭肌疲勞的效果，發現振動后等長峰力矩和肌肉耐力時間顯著增加，肌電均方根值增加。

現階段，全身振動消除下肢運動性疲勞的研究結果存在爭議，這是不同振動強度導致的不同神經肌肉適應的結果。由于肌肉組織對振動的傳播阻滯，振動的頻率和振幅需要達到閾刺激才能起作用[34]。肌肉的粘彈性體特性對于振動有吸收、平行、排斥的效應，當振動頻率在肌組織的共振頻率以下時，肌組織吸收振動，振動頻率高于肌組織的共振頻率時，肌組織排斥機械[35]。Giminian等[36]已經發現在20到55Hz的范圍內，肌肉激活強度隨頻率和振幅線性增加。此外，Simsek等[37]認為，頻率40Hz和振幅4mm組合時，WBV的肌電激活達到最高。因此，在運動性肌肉疲勞領域，最適振動參數的研究頗具價值，仍需進一步探索。

1.3 消除代謝產物，緩解疼痛

運動性肌肉疲勞的堵塞學說認為，大量運動后人體能量代謝活動增強而產生的代謝產物的堆積引起了肌肉收縮能力的下降。振動對血液循環的促進作用加速了疲勞后代謝副產物清除，有助于克服疲勞效應，減少恢復時間，并提高運動表現[38]，一些研究表明，離心運動前后應用振動訓練可以加速代謝產物的消除。Aminian-Far等[20]發現離心運動前使用35Hz的WBV可減輕肌肉酸痛，降低運動24h后的CK水平和壓痛閾值。Broadbent[39]等認為WBV(45Hz，5mm，30min)是減輕運動損傷引起的肌肉炎癥和延遲性肌肉酸痛的有效方法。研究發現在離心運動恢復期間，WBV會顯著降低男性業余跑者的腿部DOMS，促進免疫反應，刺激白細胞顯著增加(8.6%(8.1%))，淋巴細胞顯著減少(217%(12%))，白細胞介素6在24h(246%(31%))和跑步后120h(265%(30%))下降；組胺在24h(240%(50%))和120h運行后(237%(48%))顯著降低。Marin等[30]發現，在低頻(20Hz)WBV后進行高強度運動后，雖未觀察到恢復或血乳酸移除的改善，但在WBV上進行冷卻練習的青少年足球運動員的肌肉酸痛減少，縱跳能力恢復更快。宋法明等[51]研究了WBV(30Hz，1.5mm，3min)結合靜態牽拉對緩解27名足球運動員下肢DOMS的影響，發現振動訓練促進實驗后24h、48h、72h血乳酸脫氫酶、CK顯著降低。Timon等[40]研究了WBV治療(12Hz，4mm，3min)是否可以減輕20名大學生的下肢肌肉酸痛并增強肌肉恢復，發現與對照組相比振動組實驗后24h、48h血清CK顯著降低，48h肌肉酸痛顯著降低；而血尿素氮和等長峰力矩的沒有顯著變化。肖凱駿等[41]研究了WBV(30～50Hz，1.5mm，6min)對緩解12名籃球運動員下肢DOMS的影響，發現振動組血清CK、血清肌紅蛋白在24h、48h、72h顯著降低，肌肉酸痛在24h、48h顯著降低。倪偉等[42]研究了4周(15min/次，5次/周)的連續WBV對小鼠抗疲勞表現的影響。結果顯示，振動組肌力(+22%，+33%)和衰竭性耐力運動的時間(+78%，+188%)顯著提升，且振動頻率越高效果越好(低頻5.6Hz/0.13g，高頻13Hz/0.68g)；對于疲勞相關的生化指標上，振動組血氨(-59%，-61%)、血乳酸濃度(-19%，-16%)、血糖(-9%，-14%)以及CK活性(-36%，-45%)顯著下降。由此可見，全身振動有明顯的加速血液中代謝產物消除的效果，預防并改善運動性肌肉疲勞癥狀、降低炎癥反應和肌肉酸痛。

表1 振動刺激消除運動性肌肉疲勞的急性效應

2 振動刺激消除運動性肌肉疲勞的生理機制

2.1 鎮痛作用

運動性肌肉疲勞導致的酸痛主要包括即刻疼痛和延遲性肌肉酸痛(DOMS)，振動的鎮痛作用已經在臨床上應用了數十年之久。門控理論認為，大直徑傳入纖維興奮可以使脊髓中傳入疼痛信號的“閘門”關閉，從而抑制疼痛的產生。當皮膚組織中神經末梢的振動感受器接受到高頻振動刺激后，會刺激脊髓中抑制性中間神經元降低痛覺訊息的傳導[43]。痛覺本體感受器激活的同時痛覺反饋受到抑制，感覺神經元的信息傳入發生改變，外周傷害性信息的傳遞收到抑制，脊髓中間神經元活動受到抑制，痛覺反饋降低，疼痛閾值因此提高，痛覺減輕。

Lau等[44]研究了LV(65Hz，1mm，30min，5天)對緩解15名男性肘屈肌DOMS的影響，研究在離心運動后的連續5天內給予被試軀干和左側手臂30min的振動按摩，結果發現與對照組相比，肌肉酸痛(VAS)在實驗后2～5天顯著降低約18%～30%。Wheeler等[45]的研究表明，WBV(20～45Hz，10min，5天)與輕度運動(步行)在降低20名健康成年人腰部肌肉疼痛感覺和靈敏性、爆發力的恢復具有同樣的效果。然而，Dabbs等[46]研究了全身振動訓練緩解由40%體重深蹲誘發的股四頭肌疲勞的作用效果，發現WBV(30Hz，2～4mm，30s，3天)在緩解30名業余訓練女性的DOMS時，并沒有明顯的作用。振動組和對照組在疼痛感覺、壓痛閾值、大腿圍和膝關節活動度范圍方面都沒有差異。綜上所述，振動刺激具有明顯的生物刺激作用和調節作用，振動緩解痛感的生理途徑主要包括以下兩種。第一，通過改善組織血液循環，引起細胞周圍自由基改變，加速代謝產物和致痛物質的排出，抑制致痛物質的合成，從而達到鎮痛效果。第二，適宜強度的振動刺激能對神經末梢組織產生超強刺激作用，對痛覺神經感受器進行高度刺激，使神經敏感性降低，神經傳導功能受阻，提高痛閾，從而緩解疼痛。

2.2 激活本體感受器

振動引起肌肉力量增長的原理主要是振動刺激引起了神經系統的調節反射，即張力性振動反射(tonic vibration response，TVR)。振動通過刺激肌梭和α運動神經元引起肌肉收縮，肌肉本體感受器激活后，經過單突觸和多突觸的神經反饋調節，反射引起了不隨意收縮的肌肉收縮，從而導致肌肉收縮力發生變化[47]。

Griffin等[48]發現振動可增強Ia型傳入纖維到運動神經元的傳輸敏感性，提高運動單位激活速率，從而短暫性地重建運動單位的放電頻率。Vallbo等[48]觀察了振動訓練期間的EMG，發現運動單位活動在亞最大收縮時增加，但在最大收縮時不增加。這是由于振動協調了主動肌、協同肌和拮抗肌的收縮作用，增強了運動單位的激活效率。Koh等[25]認為振動訓練通過神經、體液的反射及本體感覺反饋，激活肌肉神經因素，增加肌梭敏感性和γ神經元活性，從而降低肌肉緊張，解除肌肉痙攣。Cochrane等[26]認為振動訓練通過降低橫橋數量，分離肌動蛋白-肌球蛋白鍵的方式，避免肌節破壞，增加關節活動度，降低肌肉僵硬。因此，振動通過刺激肌肉和筋膜以及深層的軟組織，刺激肌梭張力性振動反射發生，放松神經系統，從而有效放松目標肌肉，使肌肉力量得到恢復，進而有效緩解骨骼肌疲勞狀態。

2.3 促進血液循環，消除炎癥反應

提高運動肌血液循環速度是促進代謝產物消除和降低疲勞效應的重要生理學機制之一。振動作為一種周期性的沖擊刺激，施加于人體時可以使肌肉組織產生振蕩，這種壓力使肌肉內毛細血管開放增多、周圍血管直徑增大，最終使肌肉溫度升高，局部血流速度和血流量升高。運動肌血液循環在振動沖擊的作用下得到改善，肌肉組織內氧氣和能源物質的運輸效率加快。Cochrane等[17]發現WBV(26Hz，6mm)可以顯著提高1.5℃的體表溫度。Rittweger等[49]發現在WBV(25Hz，3mm，3min，Galileo)期間，腓腸肌氧合血紅蛋白和總血紅蛋白顯著增加。Stewart等[50]發現了45Hz足底振動訓練可以顯著增強周圍和全身的血流量、周圍淋巴管流量和靜脈引流。Kerschan-Schindl等[14]發現WBV(26Hz，3mm，9min)可以顯著增加血流速度，使腘動脈血流速度從6.5cm/s增加到13.0cm/s，改善局部組織代謝。Kang等[51]探究了30min坐姿WBV(10Hz，5mm)對運動前后和休息后乳酸水平和心率恢復的影響。結果表明，振動組乳酸水平顯著下降(94%，33%)心率恢復顯著升高(88%，65%)。該研究認為，休息時使用WBV可以提高肌肉中受刺激血管的乳酸氧化水平，幫助維持血液流動，從而有助于消除乳酸。并且，WBV還能起到對運動后血液中氧氣過量消耗的補償作用。

腫脹和炎癥反應是導致運動性運動性肌肉疲勞的原因之一。在振動持續刺激下，細胞膜對營養物質的通透性增強，對致炎因子等有害物質的通透性降低，代謝產物消除速度加快；淋巴回流同時得到改善，炎癥反應因此降低。Broadbent等[39]對29名男性業余跑者的研究表明，WBV(45Hz，5mm，30min)可以顯著減輕下肢肌肉的炎癥反應，顯著減少淋巴細胞、顯著降低實驗后24h和120h血清IL6濃度、血清組胺濃度、血清CRP。振動促進代謝產物的消除，促進血液和肌纖維的物質交換，同時也加速了損傷組織的修復和疼痛基質的消除，促進消腫。因此，WBV作為一種整理活動可以通過促進血液循環和消除炎癥反應的方式快速、有效地消除運動性肌肉疲勞。

2.4 調節姿勢控制

WBV對姿勢控制的調節作用源于對本體感受器的激活作用、對肌力增長的促進作用和對神經傳導的調節作用，運動性疲勞后下肢本體感覺和平衡能力的下降是誘發運動損傷的風險之一。WBV在臨床上常用于改善老年人和腦卒中患者的平衡能力及協調能力[52,53]，經證實6～18個月的WBV是一種安全可靠的改善老年人姿勢控制能力的干預方法[54]。Bruyere等[55]的研究表明WBV(10-26Hz，1.5～3.5mm，4min，3次/周，6周)可以降低老年患者跌倒危險因素并改善健康相關生活質量。Verschueren等[56]的研究表明應用WBV(35～40 Hz，1.7～2.5mm，30min，3次/周，24周)可以降低老年女性跌倒和骨折的風險。然而，由于WBV起作用的閾刺激參數并不明確，急性WBV對平衡能力的調節作用尚存爭議。Torvinen等的研究發現，4min、2mm、25～40Hz的垂直振動刺激不會引起下肢肌肉性能和平衡能力的變化[57]，而4min、15～30Hz的WBV則可以改善年輕健康成年人的下肢肌肉性能和身體平衡[58]。Benito等[59]對24名健康的運動參與者(男性17名，女性7名)進行振動泡沫軸對運動性肌肉疲勞恢復的研究，發現振動后踝關節背屈運動范圍(ROM)顯著增大，動態平衡(Y-test)感覺穩定性提高。由此可見，振動參數的合理配置是影響振動刺激作用效果的決定性因素。

3 研究展望

局部和全身振動消除運動性肌肉疲勞的優勢在于不受限制地及時消除疲勞癥狀，短時高效地促進神經肌肉功能恢復，已經在多個領域，被越來越多地應用于運動訓練、臨床神經學和神經康復工程。在眾多領域的發展過程中，構建“量效關系”模型和參數設置標準，科學指導該技術的推廣和應用下一步研究的關鍵。迄今為止，已經有不少研究證明了30Hz左右，2-5min的振動消除疲勞的實用性和有效性，尤其是其特有的短時間內增強肌肉功能和降低主觀疲勞感受的即刻作用和即刻感受，是傳統的物理手段和方法所欠缺的。

圖1 振動刺激消除運動性肌肉疲勞的生理機制

當前研究對于振動調節疲勞后姿勢控制方面影響缺乏關注，姿勢不穩是疲勞后跌倒和損傷的主要原因，研究振動對疲勞的姿勢控制效應，有助于預防運動損傷。展望未來的研究，針對振動刺激的生理機制研究方面，在已有的神經肌肉、組織代謝等學說的基礎之上，振動引起腦功能與腦機制變化是未來的關鍵關注點，腦電(Electroencephalography，EEG)和近紅外光譜(functional near-infrared spectroscopy，fNIRS)等技術的應用是機制研究的新增途徑。振動刺激在體能訓練領域多年來被廣泛應用，然而在消除疲勞方面缺乏足夠認識，本文系統回顧了振動刺激在降低主觀疲勞感受和調節客觀生理、生化指標的效應，分析了其有效性的深層機制原理，為運動訓練科學化提供理論支持。