疲勞對普通大學生靜動態平衡能力的影響

解海鑫， 高 原， 陳 杰， 付宇舒， 張 研， 梅慶康，趙 猛

（燕山大學 體育學院，河北 秦皇島 066000）

疲勞是以機體的主觀感受癥狀，是機體精力減弱或喪失的一種復雜的生理、心理及病理現象的體現［1］。 2019 年中華中醫藥學會將疲勞定義為主觀上感覺軀體倦怠、力量不足或精神疲憊、注意力不集中，行為上表現為體力或腦力活動的下降，可分為精神疲勞和軀體疲勞［2］。 早在20 世紀70～80 年代人們便開始進行運動疲勞評估的相關研究，并將運動疲勞正式定義為［3］“機體的生理過程不能持續使其機能維持在某一特定水平上或各器官不能維持預定的運動強度”。發生運動性疲勞時，肌肉對外在載負荷的承受能力降低，身體控制能力下降，同時導致運動損傷風險增加［4-5］。 已有研究表明，疲勞會削弱人體保持平衡的能力，使動作的穩定性下降，運動損傷風險增加［6］。

平衡能力是身體素質的重要內容之一， 對身體穩定性及人類日常活動具有重要作用［7-8］；平衡可分為靜態平衡和動態平衡， 靜態平衡能力是指人體維持某種特定姿勢保持穩定狀態的能力［9］。 動態平衡指身體受到外力或內力作用時，軀體進行自我調整并維持姿勢穩定的一種能力， 與運動損傷有密切的關系［10］。 一般情況下，人體通過不同感覺系統（視覺、前庭感覺、本體感覺）的相互作用，保持身體平衡［11］。 良好的平衡能力不僅可以增強運動表現，還可以預防運動損傷；如果缺失，則會導致運動損傷的增加。 有許多研究發現，成年人平衡能力的缺失與踝關節損傷概率的增加相關［12-13］。 現如今大學生課余時間鍛煉少，在體育課堂中更容易疲勞［14］，運動損傷的現象也較為常見。因此，有必要探究運動性疲勞對大學生平衡能力的影響。

研究發現，國內外對平衡能力的研究側重于中老年人，而對大學生的平衡能力研究較少。 為此，本研究采用Monark 功率自行車和心率指標評定疲勞程度， 以疲勞前和疲勞后大學生為實驗對象，采用足底壓力測試儀和YBT 對受試者進行靜態和動態平衡能力的測試。 研究疲勞前后對人體動、靜態姿勢控制中的影響，探討大學生疲勞前后靜、動態平衡能力方面的差異， 為大學生運動損傷的預防以及改善體質健康水平提供理論依據。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以招募的形式選取某高校普通大學生為受試者， 所有受試人員均未參加過任何專業訓練。 納入標準： ①年齡21～26歲；②身體健康，視力正常，運動功能正常；③無遺傳病史、無下肢肌肉、骨骼、足部疾患，無骨折史，無運動障礙；④實驗測試前24 h 內未從事劇烈運動， 無肌肉疲勞感，優勢腿為右腿；⑤受試者均簽訂知情同意書。 排除標準：①有其他足部疾病、如足神經瘤、扁平足、高弓足等；②足部骨性畸形者；③足部或腿部截肢史者；④心理和精神異常；本實驗共篩選了60 名身體健康大學生，其中40 人符合實驗標準，受試者詳細信息見表1。 所有受試者實驗前均被告知實驗具體流程和注意事項，并簽署知情同意書。

表1 受試者基本情況一覽表

1.2 實驗方法

1.2.1 疲勞方案

本實驗采用瑞典Monark 品牌的定量負荷功率自行車，在進行功率自行車的過程中設定三級負荷，以起始負荷50W 為一級負荷，150W 為二級負荷，200W 為三級負荷，每3min 遞增一次負荷，負荷遞增到200W 后將不再增加負荷。 疲勞評定采用Polar M400 心率表和Polar 心率胸帶，在測試過程中工作人員需要全程監測受試者心率并詢問本體感受， 要求受試者自行車轉速保持60rmp/min， 直至學生運動能力達不到60rmp/min 時終止運動，即為疲勞（見圖1）。 疲勞指標為個體不能完成相同負荷一次的運動量，主觀感覺為非常累，維持疲勞心率不能上升或下降，脈搏一般為（220 次/分-年齡）。 疲勞實驗基本情況見表2。 測試步驟：首先要求受試者佩戴Polar M400 心率表和Polar 心率胸帶，監測安靜心率與疲勞心率。 隨后進行Monark 功率自行車測試， 測試結束后立即進行sway 測試和YBT，整個過程中測試人員會時刻監測受試者的心率。

表2 受試者疲勞實驗基本情況一覽表

圖1 Monark 功率車YMCA 疲勞方案

1.2.2 靜態平衡測試

采用意大利Sensor Medica 公司生產的Freemed 足底壓力平板， 每次測試前都需要對足底壓力信號接收板進行表面清理，以免對測試結果造成影響。 測試步驟：①啟動電腦和測試設備，輸入受試者基本信息，包括性別、年齡、出生日期、身高、體重。 ②告知受試者站立于測力臺中央位置，雙腳平行站立，雙手自然垂直于身體兩側。③睜眼狀態監測：要求受試者目視前方，雙手叉腰，受試者站穩后，開始測試。 ④閉眼狀態監測：要求受試者閉眼，雙手叉腰，經過5s 穩定期后，開始記錄足底壓力數據。⑤采集數據時不告知受試者，以免因聲音刺激或緊張等因素影響實驗數據。

1.2.3 動態平衡測試

①測試要求：受試者單腳站在中心盤上，腳趾末端不要超過紅色起始線，雙手放置骨盆兩側，另一條腿向前側、后中側和后外側盡力伸展推動指示塊，然后回到起始位置。 受試者裸足，以免影響身體的平衡能力和穩定性［15］。 受試者在每個方向上做6 次練習，如果出現以下情況：不能回到起始位置；無法保持單腿支撐姿勢；踢指示塊；踩到指示塊上；雙手離開骨盆，則認定測試無效，數據作廢，需要重新測試。

②正式測試：受試者在每個方向上進行測試，取3 次有效數據，精確到0.5cm，測試順序為：右腿前側、左腿前側、右腿后中側、左腿后中側、右腿后外側和左腿后外側，次與次間休息5s，每個方向測試之間休息30s。

每個受試者的下肢長度不同， 標準化處理有助于排除下肢長度的差異對測試結果的影響［16］。 用皮尺測量髂前上棘至同側踝關節內側髁中心之間的距離，精確到0.5cm。 最大伸展距離公式：（伸展距離/下肢長度）×100%。 綜合值的計算公式=（前+后外+后內的伸展距離）/（腿長的3 倍）×100。 所有受試者都使用左、右側下肢各個方向上的平均距離進行分析。

1.2.4 足底壓力數據處理

使用Freestep 足底壓力分析系統對已采集足底壓力原始數據進行預處理。 數據主要為運動學參數， 運動學參數包括sway 長度、橢圓面積、平均速度、平均X 軸、平均Y 軸、橢圓傾斜角、橢圓偏心角、最大擺動和最小擺動。足底壓力中心（center of pressure，COP）通過X 軸和Y 軸數據進行定位。 見圖2、3。

圖2 受試者雙側、單側足底壓力負荷圖

圖3 重心擺動軌跡示意圖

1.2.5 統計學方法

采用SPSS26.0 統計軟件對測試結果進行分析，結果采用平均數±標準差表示，對組間的配對樣本t 檢驗，組內實驗數據進行獨立樣本t 檢驗。 p＜0.05 表示具有顯著性差異，p＜0.01表示具有非常顯著性差異。

2 研究結果

2.1 雙腳睜眼閉眼疲勞前后狀態下靜態站立運動學參數比較

2.1.1 男生雙腳睜眼閉眼疲勞前后狀態下運動學參數的比較

表3 男生雙腳睜眼閉眼疲勞前后狀態下運動學參數

表3 顯示，受試者在睜眼狀態下，左腳單足站立時，Sway長度、平均速度發生了顯著性變化（p＜0.05），橢圓面積、平均X軸發生非常顯著性變化（p＜0.01）；右腳單足站立時，平均X、平均Y 發生了顯著性變化（p＜0.05）。 最大振動發生了非常顯著性變化（p＜0.01）；在閉眼狀態下，左腳單足站立時，平均Y 軸、最小振動發生顯著性變化（p＜0.05），Sway 長度、平均速度、最大振動發生非常顯著性變化（p＜0.01）；右腳單足站立時，平均速度、平均Y 軸、最大振動發生顯著性變化（p＜0.05），Sway 長度、橢圓面積發生非常顯著性變化（p＜0.01）。

2.1.2 女生雙腳睜眼閉眼疲勞前后狀態下運動學參數的比較

表4 顯示，受試者在睜眼狀態下，左腳單足戰立時，平均Y 軸發生了非常顯著性變化（p＜0.01）。 右腳單足站立時，Sway長度、最大振動發生顯著性變化（p＜0.05），平均Y 軸發生了非常顯著性變化（p＜0.01）；在閉眼狀態下，左腳單足站立時，最大振動發生了顯著性變化（p＜0.05）。右腳單足站立時，Sway 長度、平均速度、最大振動發生非常顯著性變化（p＜0.01）。

2.1.3 男生和女生疲勞前后睜眼狀態下運動學參數的比較

表4 女生雙腳睜眼閉眼疲勞前后狀態下運動學參數

表5 男生和女生疲勞前后睜眼狀態下運動學參數

表5 顯示，男生和女生對比中，在疲勞前的運動學參數均未發生顯著性變化（p＞0.05）；在疲勞后橢圓面積發生了非常顯著性變化（p＜0.01），平均速度、平均X 軸發生顯著性變化（p＜0.05）。

2.1.4 男生和女生疲勞前后閉眼狀態下運動學參數的比較

表6 顯示，男生和女生對比中，右腳偏心角度發生了非常顯著性變化（p＜0.01）、最小振動發生顯著性變化（p＜0.05）；在疲勞后最小振動發生了非常顯著性變化（p＜0.01）。

2.2 雙側下肢疲勞前后狀態下的YBT 伸展距離比較

2.2.1 男生疲勞前后狀態下雙側下肢的YBT 伸展距離比較

表7 顯示，受試者右側下肢的前側伸展、后中側伸展、后外側伸展、綜合值的伸展距離發生非常顯著性變化（p＜0.01）。左側下肢的后中側伸展的伸展距離發生顯著性變化 （p＜0.05），前側伸展、后外側伸展、綜合值的伸展距離發生非常顯著性變化（p＜0.01）。

2.2.2 女生疲勞前后狀態下雙側下肢的YBT 伸展距離比較

表8 顯示，受試者右側下肢的前側伸展、后中側伸展、后外側伸展、綜合值的伸展距離發生非常顯著性變化（p＜0.01）。左側下肢的前側伸展的伸展距離發生顯著性變化 （p＜0.05），后中側伸展、后外側伸展、綜合值的伸展距離發生非常顯著性變化（p＜0.01）。

2.2.3 男生女生右側下肢疲勞前后狀態下的YBT伸展距離比較

表6 男生和女生疲勞前后閉眼狀態下運動學參數

表7 男生疲勞前后狀態下雙側下肢的YBT 伸展距離（cm）

表8 女生疲勞前后狀態下雙側下肢的YBT 伸展距離（cm）

表9 顯示，男生和女生對比中，在疲勞前的前側伸展距離發生顯著性變化（p＜0.05），綜合值伸展距離發生非常顯著性變化（p＜0.01）。 疲勞后前側伸展的伸展距離發生非常顯著性變化（p＜0.01），后中側伸展、后外側伸展、綜合值未發生顯著性變化（p＞0.05）。

2.2.4 男生女生左側下肢疲勞前后狀態下的YBT伸展距離比較

表10 顯示，男生和女生對比中，在疲勞前的前側伸展、綜合值距離發生顯著性變化（p＜0.05）；在疲勞后的左側下肢前側伸展、后中側伸展、后外側伸展、綜合值的伸展距離均未發生顯著性變化（p＞0.05）。

3 討論

表9 男生女生右側下肢疲勞前后狀態下的YBT 伸展距離（cm）

表10 男生女生左側下肢疲勞前后狀態下的YBT 伸展距離（cm）

平衡控制主要取決于視覺、 前庭覺和本體感覺。 視覺輸入、足底本體感覺輸入和下肢運動對平衡調控起關鍵作用［17］。已有研究表明姿勢控制和視覺刺激是跌倒事件的重要影響因子［18］。 其他研究發現，疲勞會削弱人體保持平衡的能力，使動作的穩定性下降，運動損傷風險增加［6］。 與本實驗研究結果相同。 本研究結果發現，在閉眼單足站立時疲勞后大學生的靜態平衡能力弱于疲勞前，而在睜眼單足站立時和疲勞前相當。 男性與女性比較，女性疲勞前后狀態下身體擺動幅度比男生大；在動態平衡能力方面，在YBT 雙側下肢疲勞前伸展距離優與疲勞后，女性疲勞前后雙側下肢成績均低于男性。 導致大學生疲勞后平衡能力弱于疲勞前的主要原因如下： 正常人閉眼狀態下站立，前庭系統代替視覺輸入［19-20］，本體感覺減弱，對人體姿勢控制能力增加困難，容易造成人體發生位置偏移，難以維持身體動態變化；大學生疲勞狀態時下肢力量減弱，身體控制能力下降，動作穩定性降低。

在靜態平衡方面，王金之等［21］證實了20km 的大強度間歇跑后平衡能力破壞程度較大。 Zoglou 等［22］證實了正常人和盲人睜、閉眼站立進行足底壓力分析，發現盲人在X 軸和Y 軸上的平衡控制能力都較正常人差， 而正常人在閉眼狀態下身體擺動幅度明顯增加，說明視力是姿勢控制的關鍵因素，可能比下肢力量更重要。與本實驗研究結果一致；又有學者表明［23］，疲勞會導致單側踝關節損傷的青少年排球運動員在睜眼模式下平衡性降低，但在閉上眼睛模式下沒有任何顯著差異。 與本研究結果不同。 本實驗結果發現，從睜眼疲勞前后狀態下發現疲勞前人體擺動幅度比較均衡，疲勞后擺動幅度增大，說明在疲勞模型干預下大學生身體姿勢控制下降， 造成身體重心偏移；從閉眼疲勞前后狀態下，模擬疲勞狀態視覺剝奪，發現疲勞前除身體擺動幅度增大外， 擺動速度和擺動范圍也明顯增大。 本研究發現，運動疲勞的增加以及視覺剝奪會導致大學生平衡能力下降，隨著身體疲勞程度的增加，平衡感也會進一步減弱。 說明大學生平衡調控不僅需要視覺參與，而且還需要預防運動性疲勞；性別對人體靜態平衡能力的影響一直存在兩種不同的研究結果［24-26］， 部分學者認為性別之間平衡功能無差異， 又有學者認為性別之間平衡功能有區別。 陳佑學［27］等發現，男性睜眼狀態下控制平衡能力優于女性，而閉眼狀態下無差別。Smith［28］等研究發現，女童的靜態平衡能力優于男童。 本實驗結果發現，睜眼疲勞前男性與女性無顯著性差異，但睜眼疲勞后男性的姿勢控制優于女性； 閉眼疲勞前男性姿勢控制優于女性， 但閉眼疲勞后姿勢控制女性則優于男性。 綜合可知，性別對靜態姿勢控制具有一定影響。

在動態平衡方面，Johnston 等［29］表明疲勞干預導致了YBT伸展距離降低，YBT 測量的動態姿勢控制受疲勞影響。 Esfandiari 等［30］表明疲勞可能會對動態平衡產生負面影響。 與本研究結果一致。 本實驗發現，發現YBT 前側伸展、后中側伸展、后外側伸展以及綜合值距離疲勞前均高于疲勞后， 總體趨勢均呈下降狀態。 本研究結果發現，疲勞對YBT 測量的動態姿勢控制有不利的影響。 疲勞不但顯著增加人體的跌倒風險，而且增加了人體的運動控制難度，導致運動損傷概率的增加，疲勞降低了大學生的平衡控制功能。 說明大學生要通過科學的方法增強體育鍛煉，循序漸進增加運動強度，提高平衡能力，防止疲勞引起一系列的運動損傷；性別方面，Gribble 等［31］發現，青年女性的動態平衡能力優于男性。 而張海紅等［32］研究發現，男性與女性的動態平衡能力沒有差異。 本實驗結果發現，疲勞前男性的動態平衡能力優于女性， 疲勞后男性與女性的動態平衡能力相當。 本實驗結果發現，不論是靜態平衡或者是動態平衡，男女生由于性別的不同，在姿勢控制上還是會存在顯著性差別的。

綜合可知， 本實驗驗證了疲勞對于大學生平衡功能的影響，疲勞能顯著降低大學生的單足靜態平衡能力和動態能力，疲勞狀態下大學生閉眼單足站立時平衡控制對視覺具有一定依賴性。 因此，可通過適當的體育鍛煉以及抗疲勞訓練來改善大學生的平衡能力。

4 結論

大學生在疲勞狀態時姿勢控制能力減弱， 閉眼單足站立時平衡控制對視覺具有一定依賴性。 疲勞增加大學生跌倒風險，增加其運動控制難度，導致運動損傷概率增加。 疲勞可顯著降低大學生單足靜、動態平衡能力。 建議大學生要通過科學的方法增強體育鍛煉，循序漸進增加運動強度，增加平衡能力和抗疲勞訓練的練習。