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主动和被动热身对踝跖屈肌群活动度、力量和肌肉被动特性的影响

摘要

目的：探讨主动与被动热身对小腿肌肉柔韧性与力量的影响。

方法：首先，14名健康男性（年龄：23.1±2.6岁；身高：172.7±5.6厘米；体重：64.5±7.0千克）以随机顺序分别进行3种类型的热身（10分钟）：①通过功率自行车进行主动热身；②进行重复等长收缩的主动热身；③在热水浴中进行被动热身。其次，为评估柔韧性，测量了踝关节背屈的关节活动度（range of motion, ROM）、踝关节跖屈的被动力矩和肌腱连接（muscle tendon junction, MTJ）处的位移，并计算了肌腱单元（muscle tendon unit, MTU）的硬度。在评估完柔韧性后，对最大随意等长收缩的峰值力矩进行测量，以评估等长收缩力量。最后，对热身前后数据进行对比分析。

结果：3种热身方式均能提高ROM（p＜0.05）和ROM末端被动力矩（p＜0.01），但MTU硬度和MTJ位移无显著变化。功率自行车主动热身的方式增加了等长收缩时的峰值力矩（p＜0.05），而其它热身方式无此类显著性变化。

结论：结合有氧运动的主动热身能够增加小腿肌肉的柔韧性和力量。

一、前言

（一）热身的作用（Role of warm-up）

运动员通常在运动前进行热身。他们不仅需要产生高水平的力量，还需要保持关节的灵活性，以抵消慢性损伤的风险。热身活动通过增加肌肉或身体的温度、改善肌肉的长度-力关系、提高肌肉代谢水平、产生肌肉后激活增强效应以及做好心理准备等方式来提高运动表现。

（二）热身的种类（Type of warm-up）

热身分为两类：主动热身和被动热身（图1）。主动热身包括有氧运动和无氧运动，它能通过体育练习（如骑自行车、跑步等）的方式来提高肌肉温度、加速代谢和循环水平。而被动热身是一种通过使用外部加热（即热水浴、热敷或超声波等）来提高身体核心和肌肉温度的方法。因此，主动热身和被动热身有相似的效果，但方法不同。

图1 主动热身和被动热身

（三）热身对于运动表现的影响（Effect of warm-up on performance）

1、对于力量的影响

结合低强度有氧运动的主动热身可能更有利于提高运动表现。有研究比较了60–65%最大心率下慢跑8分钟的主动热身效果和使用电热毯热敷15分钟的被动热身效果。结果发现，尽管两种热身方式在提高皮肤温度方面无显著性差异，但只有主动热身能提高跳跃水平。结合有氧运动的主动热身方式其效果与强度有关。在热身后没有恢复期的情况下，强度为40–60%的最大摄氧量（VO2max）的有氧运动足以改善短期运动表现。

肌肉的表现也受其收缩历史的影响。虽然疲劳会影响运动表现，但肌肉的后激活增强效应则会提高运动表现。后激活增强效应是指在上一次收缩后肌肉收缩能力的短暂性增强。有研究指出，在大负荷深蹲练习的最大随意收缩后，跳跃的输出功率增加。同样，另一项研究表明，由于神经肌肉激活的改善，使得爆发力中的最大随意收缩力量增加。因此，高强度无氧运动有可能提高运动表现。低强度有氧运动和等长练习（如最大随意等长收缩）都可能改善随后的表现。然而，目前还不清楚哪种方法更适合提高肌肉力量。

2、对于柔韧性的影响

对主动或被动热身后肌肉柔韧性变化的研究结果不一致。有研究指出，在被动热身后（腘绳肌20分钟热敷），ROM没有显著变化。相比之下，其它关于被动热身效果的研究（①肩关节20分钟热敷；②小腿三头肌15分钟湿热敷；③小腿三头肌20分钟湿热敷）表明，被动热身后ROM显著增加。此外，还有研究指出，在进行以攀爬练习（10分钟，强度为70%最大心率）作为主动热身方式的热身活动后，主动伸膝的ROM没有改变。然而，另有研究指出，低强度慢跑5分钟的主动热身会增加膝关节ROM。以往研究大多通过测量ROM来描述热身后柔韧性的变化。然而，使用ROM测量柔韧性可能就是以往研究结果不一致的原因。ROM受牵拉耐受性的影响，后者是在关节被动活动中，通过对ROM末端被动力矩的测试而获得。ROM是指受试者在没有疼痛的情况下所能忍受的最大角度范围。因此，无论肌肉的被动特性是否改变，耐受性的增加都会导致ROM的增加。

ROM的改变归因于肌肉耐受性和被动特性的改变。为了研究肌肉被动特性的变化，使用了MTU硬度和MTJ位移等指标。静态拉伸后ROM和肌力的变化与MTU硬度的变化相关，后者通过力矩-角度曲线计算。MTJ位移则通过超声成像法测量，以显示肌肉延展性的变化。静态拉伸后MTU硬度的改变归因于肌肉延展性的改变。因此，为了客观地检测肌肉柔韧性的变化，除了ROM外，还需要测量被动力矩、MTU硬度和MTJ位移。然而，据目前所知，热身对这些指标的影响尚不清楚。

（四）目的（Purpose）

本研究旨在阐明3种热身活动（有氧运动、无氧运动和被动热身）对踝关节跖屈肌群活动度、力量和被动特性的影响。

二、研究方法（Methods）

（一）实验方法（Experimental approach）

受试者分别进行3个独立的测试，每个测试之间至少间隔1周（目的在于消除上一测试的影响）。他们按照随机顺序接受了3种不同的热身。其中2种是主动热身：①作为有氧主动热身活动的功率自行车（BIKE）；②作为无氧主动热身活动的踝关节跖屈肌重复性最大随意等长收缩（MVC）。而被动热身则是在40℃的温度下对下肢进行的热水浴（HOT）。

为了测量3种热身方式的效果，分别测量了踝关节背屈的ROM和踝关节跖屈活动度末端的被动力矩。此外，同时采集了MTU硬度和MTJ位移的数据。

（二）受试者（Subjects）

14名19-27岁健康且无定期体育活动的男性受试者参与实验。受试者平均年龄（Mean±SD）为23.1±2.6岁；身高172.7 ±5.6厘米；体重64.5±7.0千克。有下肢损伤史的受试者被排除在研究之外。所有受试者都被告知参与本研究的要求和风险，并签署了知情同意书。最后，实验通过相关审批。

（三）实验过程（Procedures）

所有的受试者都随机进行了3种类型的热身。在热身前后，测量小腿三头肌的柔韧性和等长收缩力量。踝关节被动背屈时的柔韧性用等速测力仪和超声成像法测量。每次柔韧性测试后，用等速测力仪测试踝关节跖屈肌的等速收缩力量。所有实验过程都在同一实验室内完成，温度保持在25℃。

1、热身（Warm-ups）

为了重现运动前的热身活动，共选择了3种类型的热身活动，如下：

（1）BIKE（有氧主动热身）（图2）：受试者蹬电磁制动的功率自行车10分钟，负荷强度为60W。

图2 功率自行车-有氧主动热身

（2）MVC（无氧主动热身）（图3）：无氧运动使用踝关节跖屈肌群的重复性最大随意等长收缩。受试者被指示收缩小腿肌肉3秒，然后放松3秒。这个循环重复10次，共5组。每组间休息时间为1分钟。因此，完成5组小腿肌肉收缩共需10分钟。此外，受试者被要求在每次收缩时都要尽全力。

图3 踝关节跖屈肌重复性最大随意等长收缩-无氧主动热身

（3）HOT（被动热身）（图4）：受试者双腿在40℃的热水中浸泡10分钟，水深设置在膝盖的高度，以覆盖小腿三头肌。有研究指出，在40℃下进行10分钟的热刺激可有效提高柔韧性。

图4 下肢热水浴（40℃）-被动热身

2、测试（Measurements）

（1）踝关节背屈最大活动度和被动力矩

踝关节背屈最大角度被定义为受试者在无疼痛的情况下所能承受的最大角度。该测试主要采用了等速测力仪，受试者被固定在经过校准的测力仪上，膝关节完全伸展，右脚放置在通过连轴连接到测功仪的踏板上（图3）。踝关节背屈/跖屈为0°时，是指踏板与地板的夹角为90°（图5）。踏板被动且缓慢地移动，同时记录每5次从0°到踝关节背屈最大角度的被动力矩。在数据分析中，主要对ROM末端的被动力矩进行分析。最后，MTU硬度（N•m•degree-1）也被记录，该指标是指踝关节角度-被动力矩曲线中15-25°区间的斜率值（图6示例）。最后，在测量过程中，受试者被要求放松。

图5 踝关节跖屈、背屈示意图

图6 MTU位移测试示例

（2）肌腱连接处移位

采用B超（超声成像）测量腓肠肌内侧肌在踝关节被动屈曲时的MTJ位移（图7示例）。测试中，探针牢固地附着在皮肤上。MTJ的位移被定义为附着在皮肤上的反射标记物与MTJ之间的距离。在热身前的柔韧性测试中，0°到ROM末端之间的MTJ位移被测试记录，而该值的增加则意味着肌肉延展性的增加。以往研究证明，本研究中使用的MTJ位移测量过程具有可靠性。

图7 MTJ位移示例

（3）最大随意等长收缩的峰值力矩

为了确定踝关节跖屈肌群的等长收缩力量，测量了踝关节跖屈肌最大随意等长收缩的峰值力矩（图3）。受试者在每次热身前、后都进行1次最大随意等长收缩（踝关节角度为0°）。最大随意等长收缩持续时间为5秒，休息2分钟，以防止出现疲劳。受试者被要求在每次测试中尽最大努力。

（四）统计分析（Statistical Analyses）

采用两因素重复测量方差分析来检验干预（BIKE vs MVC vs HOT）和时间（热身前vs热身后）的效果。如果检测到显著性，则使用Bonferroni检验进行事后分析。所有统计分析均使用SPSS statistics 21。α水平为p< 0.05时认为差异具有统计学意义。

三、结果（Results）

（一）关节活动度（Range of motion）

干预方式和时间的交互作用没有显著性差异（干预×时间，p = 0.08），干预方式没有显著效应（p = 0.13）。但时间存在显著效应（p<0.01）（图8A）。BIKE组（p<0.01）、MVC组（p<0.01）和HOT组（p<0.05）的ROM均显著增加。

图8 不同方式热身后各项指标变化（*：p＜0.05；**：p＜0.01）

（二）关节活动度末端的被动力矩（Passive torque at terminal range of motion）

干预方式和时间的交互作用没有显著性差异（干预×时间，p = 0.46），干预方式没有显著效应（p = 0.24）。但时间存在显著效应（p<0.01）（图8B）。自行车（p<0.01）、MVC组（p<0.01）和HOT组（p<0.01）在关节活动度末端的被动力矩均显著增加。

（三）肌腱单元硬度（Muscle tendon unit stiffness）

干预方式和时间的交互作用没有显著性差异（干预×时间，p = 0.38）（图8C）。干预方式（p = 0.44）或时间（p = 0.73）均无显著效应。

（四）肌腱连接处移位（Muscle tendon junction displacement）

干预方式和时间的交互作用没有显著性差异（干预×时间，p = 0.22）（图8D）。干预方式（p = 0.38）或时间（p = 0.73）均无显著效应。

（五）踝关节跖屈峰值力矩（Peak torque of ankle plantarflexion）

干预方式和时间的交互作用有显著性差异（干预×时间，p< 0.05）（图9）。事后分析表明，BIKE组的峰值力矩显著增加（p<0.05），而MVC组（p = 0.25）和HOT组（p = 0.35）没有发现显著变化。

图9 不同方式热身前后踝关节跖屈峰值力矩（*：p＜0.05）

四、讨论（Discussion）

本研究结果表明，所有的热身活动都增加了踝关节背屈的ROM。这些结果与之前报道的主动或被动热身后ROM增加的研究一致。有研究指出，慢跑5分钟的主动热身能够增加膝关节的ROM。其它研究指出，腘绳肌的重复性等长收缩能够增加髋关节的ROM。此外，热敷小腿三头肌能够增加踝关节背屈的ROM。同时，ROM受到肌肉的耐受性和被动特性的影响。在本研究中，通过对ROM末端被动力矩的测试以检测耐受性，并且所有方式的热身后，耐受性都出现增加。ROM末端被动力矩的增加表明受试者承受了更强的来自测力仪的力。换句话说，在热身后被动力矩的增加表明耐受性提高了。在这项研究中，使用MTU硬度和MTJ位移（分别表示肌肉的粘弹性和延展性）来检测肌肉的被动特性，但上述指标结果在所有热身后都没有改变。这些结果表明，上述热身活动对肌肉的被动特性没有影响。另有研究表明，静态拉伸的热身降低了MTU硬度，增加了MTJ位移。这些研究指出，5分钟的踝关节跖屈肌静态拉伸增加了踝关节背屈的ROM和腓肠肌的MTJ位移，降低了MTU的硬度。此外，还有研究得出了同样的结论，即静态拉伸超过2分钟能有效增加腓肠肌MTJ位移。然而，在本研究中，无论主动还是被动热身10分钟后，尽管踝关节背屈活动度有所增加，但MTU硬度和MTJ位移却都没有改变。因此，缺乏静态拉伸的热身可能不会改变肌肉的被动特性。从这些结果中可以看出，主动和被动热身都通过增加耐受性来提高ROM，但对被动特性（如MTU硬度或MTJ位移）却没有影响。

主动热身后踝关节跖屈峰值力矩增加，而被动热身后无变化，这与前人研究一致。有研究指出，尽管肌肉温度升高，但被动热身并没有提高运动表现。此外，另有研究表明，主动热身能够增加垂直跳的能力但被动热身却不能，这可能是由于主动热身增加了身体代谢活动水平的结果，而被动热身却没有产生这样的效果，即使有相同的皮肤温度。热身后肌肉性能的改善是由于长度-张力关系的改善、肌肉新陈代谢的加速、肌肉的后激活增强效应、以及肌肉或体温的升高所致。还有研究表明，最大等长力矩受MTU硬度的影响。MTU硬度的降低意味着肌小节静息长度的增加，这反过来可能改变长度-张力的关系。在本研究中，热身后MTU硬度没有变化，这些表明长度-张力关系没有变化。由于肌肉的表现受其收缩史（称为后激活增强效应）的影响，因此本研究采用了重复性最大随意收缩这一无氧练习。然而，结果却是无氧主动热身对峰值力矩没有影响。还有研究指出，如果热身过于激烈，则可能会导致疲劳的产生，从而影响运动表现。因此，在本研究中，尽管峰值力矩并没有下降，但可能由于50次肌肉收缩过于激烈，因而产生了疲劳。

改善肌肉力量的方法之一是增加代谢活动；然而，这并没有得到验证。与无氧主动热身相比，有氧主动热身可能促进了代谢活动，因为蹬功率自行车能够比重复性最大随意等长肌肉收缩募集更多的肌肉。但这需要进行进一步的研究来检测代谢活动的改变。

受试者在40℃的热水浴中被动热身10分钟，这是因为前人研究指出在该条件下的热刺激可以有效地提高柔韧性。然而，表面皮肤的温度可能不同于深层肌肉内的温度。或许更大强度的热刺激能够提高肌肉的性能，但也会增加烧伤的风险。

大部分体育热身活动采用整体性、一般性、全身性的热身方式，例如动态拉伸和专项进阶练习。然而，本研究采用蹬功率自行车作为有氧主动热身的方式，这是因为本研究使用超声成像法和功率仪来检查肌肉的被动特性。有研究指出，除了一般的积极热身活动之外，特定的热身活动可能会带来机能增进的好处。因此，需要进一步的研究来确定特定技能热身的效果。

综上所述，只有结合有氧运动的主动热身才能增强最大随意等长收缩时踝关节跖屈的峰值力矩。同时，所有的热身都增加了肌肉的ROM和耐受力，但肌肉的被动特性却没有改变。

五、实际应用（Practical applications）

在进行体育活动之前，通常要进行热身活动，以提高柔韧性和肌肉表现。尽管热身有潜在的好处，但关于热身的效果仍然存在争议。本研究比较了3种不同类型的小腿三头肌热身活动，结果表明：尽管只有结合有氧运动的主动热身活动才能增强肌肉力量，但在所有热身活动后，ROM均通过耐受力的增加而提高。由于踝关节跖屈肌的肌力对跳跃表现和损伤预防（如跟腱损伤）非常重要。因此，建议热身时采用结合有氧运动的主动热身方式，并增加对踝关节的热身活动。