輪椅推進肩關節肌群疲勞之肌電圖分析

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

輪椅推進肩關節肌群疲勞之肌電圖分析

Fatigue of Shoulder Muscles during Wheelchair Propulsion

計畫編號：NSC

89-2314-B-179-004-執行期限：2000 年 8 月 1 日至 2001 年 7 月 31 日

主持人： 林正常 教授 國立體育學院教練研究所

共同主持人： 蔚順華 副教授 國立陽明大學物理治療學系

計畫參與人員：黃勝裕、范姜逸敏、謝和龍 國立台灣師範大學體育學系

一、中文摘要

本研究的目的為觀察輪椅衝刺推進中肩關節

的疲勞情形，並觀察推進期與回復期作用肌群肌電

強度在疲勞前後改變之情形，以探究肩關節肌肉周

邊疲勞與輪椅運動員肩傷的關係。受試者為國內男

性輪椅運動員14 名。實驗以輪椅衝刺推進的衰竭

測試進行，擷取鎖骨部三角肌(CLD)、肩胛部三角

肌(SCD)、胸大肌(SPM)、闊背肌(LAD)與上、下斜

方肌(UPT & LOT)肌電訊號至受試者衰竭為止，並

以中數功率頻率（median power frequency, MPF）與

積分肌電圖（integrate EMG, iEMG）等作為評估肌

肉疲勞狀態的實驗指標。結果中顯示SCD 是輪椅衝

刺推進中達最大疲勞程度的肌肉，CLD、SPM、LOT

亦達到一定的疲勞程度。研究結論中認為針對輪椅

運動者肩關節肌群所進行的預防性肌力訓練，應首

要重視肩胛部三角肌的訓練，其次再考慮鎖骨部三

角肌、胸大肌、與下斜方肌的訓練。

關鍵詞：輪椅推進、疲勞指數、肩關節、中數功率

頻率

Abstr act

The main purposes of this study were to investigate the fatigue characteristics of shoulder muscles during wheelchair(Wc) sprinting. 14 Wc athletes participated in this study. Six channels of EMG amplifiers were used to measure the myoelectric signals. Clavical part of deltoid (CLD), scapular part of deltoid (SCD), sternal part of pectoralis major (SPM), latissimus dorsi (LAD), upper trapezius (UPT), and lower trapezius (LOT) regarded to shoulder motion were studied. Surface EMGs were used to analyze both in frequency domain (mean power frequency, MPF) and time domain (iEMG). The results indicated that the SCD was most prone to fatigue after exhaustion of fast wheelchair propulsion. CLD, SPM, and LOT reached lower level of fatigue than SCD, either. Based on the findings, shoulder muscle fatigue could be one major factor contribute to shoulder injuries. Strengthening and endurance training of SCD for Wc athletes should be the most important part to prevent from shoulder injuries. And training programs for CLD, SPM and LOT could not be neglected.

Keywor ds: wheelchair propulsion, fatigue index, shoulder

三、研究方法

受試者為輪椅運動者 14 名，且為輪椅

徑賽第 4 級或輪椅籃球第 4、5 級的選手、

醫學診斷為胸椎第二節以下的脊髓損傷患

者或病發於胸椎第二節以下的小兒麻痺患

者，並排除具影響輪椅推進因素（如：肩

傷、服藥等）

。受試者須於實驗前詳閱受試

者須知、填妥同意書與健康調查表。實驗

以原地輪椅推進系統進行，受試者於測試

時以 100Hz 的固定的頻率推進輪椅，並在

受試者無法維持推進頻率時結束實驗，實

驗開始至結束定義為衰竭時間（t）

。實驗中

以自製測速器測出輪圈轉速，推進測試前

完成受試者的安全措施，包含安全帽、安

全帶、防護手套等。

前置作業需完成皮膚表面處理，把電

極片貼附於胸骨部胸大肌（SPM）

、闊背肌

（LAD）、鎖骨部三角肌（CLD）、肩胛部

三角肌（SCD）

、和上、下斜方肌（UPT and

LOT）的肌腹中央，且平行於肌肉纖維方

向，在正、負極與地線電極之間取 3.7 公分

的間距，並固定導線以防止肢體晃動所造

成的低頻雜訊，將導線連接 Gould 放大器

與電極片，高、低阻斷頻率設定於 1000Hz

與 10Hz，以完成初步肌電訊號之擷取與收

集。

肌電訊號 與測速 器等 七頻訊號 輸入

MP100系統，以1000Hz的採樣頻率進行類

比/數位轉換，並輸入電腦。架設好實驗設

備後，先由研究人員以坐姿徒手肌力測試

針對各肌群進行最大等長收縮（MVIC）測

試，每位受試者於每條肌肉擷取三次五秒

的肌電訊號，然後受試者開始測試，推進

的前10秒由軟體同步啟動全程七頻訊號收

集，訊號擷取過程皆由訊號處理軟體加以

控制、儲存(Acknowledge v3.5.3.)，並於離

線後進一步處理資料。

所有肌電原始訊號利用軟體中FIR數

位 濾 波 器 以 Hanning windows 進 行

20~500Hz的帶通濾波，所得資料為rEMG。

MVIC的訊號資料亦經上述步驟處理，接著

將訊號進行全波整流後，以6Hz低通濾波進

行線性封絡處理。最後取各MVIC 資料中

間三秒的振幅平均值，以三個平均值中的

最大值作為常模化標準，即MVICEMG。

將rEMG進行全波整流後，以6Hz低通濾波

進行線性封絡的處理，並將各肌肉的所有

訊號值除以其MVICEMG 完成nEMG。

在分析iEMG與MPF時分別於nEMG與

rEMG中，選取10%t、90%t 二時項分別為

疲勞前、後二期，選取此時項所在的推進

週期與前、後各一週期之資料分析。分析

iEMG 時，以軟體計算出各肌肉於整個推

進週期的iEMG 值，而求出各時項中三個

週期的平均值，並以此平均值進行統計分

析。分析MPF時，選取各肌肉於各週期中

呈 現 出最 大 肌 電 訊 號 之0.5 秒區 段進行

FFT（512 points with zero padding），並由

頻譜分析圖中求得MPF，同樣求出各肌肉

於各時項中三個週期平均值以進行統計分

析，MPF與iEMG之相對改變量定義為疲勞

前、後改變值所佔疲勞前值之百分比。

統計方法以相依樣本t考驗統計法考驗

各肌群於疲勞前、後期MPF、iEMG的差

異；再以獨立樣本單因子變異數分析考驗

各肌群於疲勞過程MPF、iEMG相對改變量

的差異，若主要效果達顯著則以杜凱HSD

法進行事後比較。研究中的統計分析皆由

SAS v6.12軟體進行，顯著水準定為α=.01。

四、結果與討論

由測速器所測得之輪圈轉速的簡單迴

歸方程式之斜率，觀察到受試者於測試中

的運動表現皆隨衰竭時間而明顯下降，斜

率由-1.40至-6.69，平均為-3.03±1.70。各肌

群於疲勞前、後期iEMG經相依樣本t考驗

(p<.01,表1)，CLD、SCD、SPM、UPT、

表 1、各肌群於疲勞前、後期 iEMG 的描述統計資料與相依樣本 t 考驗摘要表 動作時期 前期a_{(M±SD) 後期}a_{(M±SD) 自由度 T 值 概率} CLD 54.01±21.48 77.90±30.01 13 5.13 .000* SCD 90.24±35.47 127.88±37.35 13 6.61 .000* SPM 29.48±19.26 37.77±17.92 13 3.53 .004* LAD 15.39±6.99 20.18±9.91 13 2.92 .012 UPT 58.14±40.88 90.14±64.05 13 4.63 .001* LOT 33.91±17.49 48.55±21.05 13 4.54 .001*

a_{n =14 for each group. *p<.01, *}

0.5t13=3.012.

表 2、各肌群於疲勞過程中 iEMG 相對改變量的獨立樣本單因子 變異數分析摘要表

受試者內(error) 117753.49 78 1509.66 全體(total) 124056.16 83 *p<.01

LOT等肌肉於疲勞後的iEMG皆顯著較疲

勞前為大，以此推測上述肌群於衰竭前需

要提昇肌電輸出來徵召更多的運動神經元

以維持原有的運動表現

[18,19,20]

。但無法直接

由iEMG之結果直接判讀肌肉週邊疲勞的

程度，因最大運動中所產生的急性疲勞，

代謝物濃度升高而抑制神經衝動，使肌電

活性下降

[19]

，因此iEMG亦下降，造成疲勞

過程中各肌群的iEMG相對改變量無顯著

差異（上表2）。

各肌肉群MPF經相依樣本t考驗後發現

CLD、SCD、SPM、LOT等肌群於疲勞後

的MPF 皆顯著較疲勞前為低（p<.01,表

3），且各肌群MPF相對改變量經獨立樣本

單因子變異數分析達顯著水準（p<.01, 表

4）後進行杜凱氏HSD 事後比較，發現僅

SCD的MPF下降百分比顯著大於在iEMG

與MPF皆無顯著改變的LAD（圖1,p<.01），

且其-20.13±7.82%亦為各肌群之最大下降

量。此結果更進一步確認了SCD 為輪椅衝

刺推進至衰竭時達到最大疲勞程度的肌肉

[21,22]

。

目前與輪椅運動肩關節傷害的相關研

究，經由等速肌力的測試認為其肩關節內

收肌肌力相對肩關節外展肌呈現較為不足

的現象，且認為此現象與輪椅肩關節運動

傷害有關，並建議應藉由內收肌的訓練預

防肩關節傷害

[15,16]

。但輪椅運動員內收肌

力相對較不足的現象，可能因殘疾導致支

配神經的缺損，或是因輪椅運動者使用外

表 3、各肌群於疲勞前、後期 MPF 的描述統計資料與相依樣本 t 考驗摘要表 動作時期 前期a_{(M±SD) 後期}a_{(M±SD) 自由度 t 值 概率} CLD 84.49±8.28 77.26±10.76 13 -3.42 .005* SCD 98.21±12.08 78.38±11.41 13 -9.37 .000* SPM 79.10±14.08 68.12±10.25 13 -3.45 .004* LAD 92.77±19.38 87.85±15.02 13 -1.44 .175 UPT 84.26±18.53 74.95±24.71 13 -2.65 .020 LOT 75.51±10.93 68.80±10.89 13 -3.88 .002* 註、推進期與回復期兩欄中之細格內各數值單位為 Hz。

a_{n =14 for each group.}

置，不但無法做出流暢肩關節內收的動

作，亦使肩關節面不穩定

[23]

。

研究結論主要為：SCD 是輪椅衝刺推

進 至 衰 竭 中 達 最 大 疲 勞 程 度 的 肌 肉 ，

CLD、SPM、LOT 亦達到一定的疲勞程

度，這些肌肉疲勞現象透過特殊機制造成

輪椅運動者肩關節傷害。故若需對輪椅運

動者的肩關節肌群進行預防性訓練，除了

一般重視的旋轉肌肌力訓練外，應首要著

重後三角肌與中三角肌的訓練，其次再考

量前三角肌、胸大肌、與下斜方肌的訓練，

但此訓練處方的實際效果仍須相關的臨床

研究加以證明。

五、計畫成果自評

本研究的 結果符合原計劃 之研究目

的，並經由探討而提供予相關人員於預防

性運動訓練所需的觀念與常識，且在輪椅

運動者肩關節傷害發生後的物理治療功能

復健中，提供予物理治療師、復健科醫師、

或運動防護師於決定治療策略、運動處方

時的參考依據。計畫成果進一步探究出輪

椅運動者肩關節傷害的可能機制，而研究

的論點若有更多的相關研究加以支持與臨

床實驗的佐證，將更形完備。本計畫的研

究成果，提供予未來相關的運動科學研究

一份有力的參考資料，並能透過學術期刊

的發表對國內殘障運動有一定程度的貢獻

與助益。

六、參考文獻

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