兒童背書包步行停止時下肢肌肉活動的生物力學(xué)分析

牛進(jìn)平

He’nan University of Technology，Zhengzhou 450001，China.

步行停止是步態(tài)周期的一個環(huán)節(jié)，指由周期性步行運(yùn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止站立狀態(tài)的中間過渡階段，急停是其一種特殊形式［26，28］。步行停止要求身體由平穩(wěn)運(yùn)動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止站立狀態(tài)，動作結(jié)束后，雙足不再移動，向前動量驟減為零，并保持身體處于垂直站立姿勢。姿勢控制能力（平衡能力）是指身體在運(yùn)動或受到外力作用時自動調(diào)整并維持姿勢的一種能力。姿勢控制能力與姿勢穩(wěn)定直接相關(guān)，如果姿勢控制能力差，身體在受到突發(fā)外界干擾時，跌倒發(fā)生的幾率顯著增加。

身體負(fù)重可影響身體質(zhì)量中心相對于支撐面的位置及神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的功能，是影響姿勢控制能力的重要因素。書包是兒童最為常見的負(fù)重工具，被形象的稱為“兒童的職業(yè)負(fù)荷”［22，23］，對學(xué)齡兒童的生活質(zhì)量造成負(fù)面效應(yīng)（可能與兒童腰背痛［20］、頸肩部肌肉酸痛［17，24］等有關(guān)）。國內(nèi)、外關(guān)于兒童書包重量的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)兒童的書包重量超過自身體重（bodyweight，BW）的10%［3，24］，有的超過15%BW［4，5，10］。中國香港、歐洲及部分亞洲國家學(xué)生書包的平均重量甚至超過自身體重的20%［11，24］。相關(guān)研究認(rèn)為，兒童背較重的書包時會改變身體姿勢及步態(tài)［29］，影響肌肉活動［12，16，19］，但研究中受試者均處于相對姿勢穩(wěn)定狀態(tài)（靜止站立或勻速步行），而日常生活中兒童背書包往返學(xué)校的途中有可能受到突發(fā)事件的干擾（如交通紅綠燈或突然出現(xiàn)的障礙物等），此時需要兒童根據(jù)環(huán)境變化迅速做出反應(yīng)，并借助步行停止（或急停）等策略來避免突發(fā)事件帶來的傷害（碰撞、跌倒等）。因此，研究兒童背書包完成步行停止（急停）時的下肢肌肉活動，對了解動態(tài)姿勢控制能力，預(yù)防意外傷害和避免跌倒等有重要意義。本研究選取9～11周歲男童，以空書包（0%BW）和15%BW 書包為負(fù)重方式，以急停和有計劃步行停止為終止方式，利用Noraxon表面肌電測試系統(tǒng)采集雙側(cè)下肢脛骨前肌、腓腸肌、股直肌和股二頭肌的表面肌電信號，對兒童背書包行走步行停止時的下肢肌肉活動進(jìn)行分析，進(jìn)而探討書包重量和不同的步行停止方式對身體動態(tài)姿勢穩(wěn)定的影響。

1 對象與方法

1.1 研究對象

根據(jù)北京大學(xué)兒童青少年衛(wèi)生研究所制定的的《中國學(xué)生超重、肥胖BMI篩查標(biāo)準(zhǔn)》［1］，選取鄭州市某小學(xué)20名9～11周歲健康男性兒童參與本實驗。實驗前由受試者家長簽訂知情同意書，在實驗的整個過程中，家長全程陪伴，兩名急診醫(yī)生進(jìn)行醫(yī)務(wù)監(jiān)督。

表1 本研究受試者基本情況一覽表Table 1 Basic Information of the Subjects

1.2 研究方法

1.2.1 書包重量

通過問卷調(diào)查對部分小學(xué)生的書包重量和主觀感受進(jìn)行初步了解。隨機(jī)選取鄭州市部分小學(xué)24 男、23 女，共47名小學(xué)生，對其書包進(jìn)行稱重，約65%的學(xué)生的書包重量在10%BW 到15%BW 之間，約25%的學(xué)生的書包重量超過15%BW。目前，國內(nèi)、外關(guān)于兒童背書包的最適重量尚無定論，因而，本研究中將每位受試者所要背的書包重量確定為：自身體重的0%（空書包）、15%。

1.2.2 步行停止方式

根據(jù)Tirosh［31］的步行停止理論，步行停止按照停止方式可分為有計劃步行停止和急停。有計劃步行停止是指行進(jìn)開始前告知受試者停在指定位置；急停是指受試者以行進(jìn)中突然出現(xiàn)的終止信號為指令而停止步行。本研究模擬學(xué)生上、下學(xué)時可能遇到突發(fā)狀況（汽車鳴笛，紅綠燈等）而做出的急停動作，比較與有計劃步行停止的差異，以及書包重量的影響。

1.2.3 實驗操作

受試者分別背不同重量的雙肩書包，分別為空書包和體重的15%（記作0%BW 和15%BW），以舒適速度在10.0m×1.8m 步行通道（圖1）上按要求分別完成有計劃步行停止和急停測試，整個測試中步行時兩眼目視正前方。成功完成一次測試的標(biāo)準(zhǔn)為：行進(jìn)過程中頭和軀干無隨意運(yùn)動，雙足按要求分別停在兩塊測力臺上并保持靜止姿勢至少3s，表面肌電成功記錄并保存數(shù)據(jù)。有計劃步行停止測試：要求受試者行進(jìn)至步行通道的指定位置（測力臺區(qū)域）停下，并保持該姿勢至少3s。急停測試：行進(jìn)過程中，要求受試者看到信號刺激燈（固定于受試者行進(jìn)方向的正前方、步行通道末端，高度與雙眼平齊）變亮?xí)r立即停下，并保持該姿勢至少3s。信號燈由固定于測力臺前的觸發(fā)開關(guān)或手動開關(guān)控制使其隨機(jī)變亮。所有受試者在每種條件下重復(fù)測試3次，取均值。

圖1 本研究步行通道示意圖Figure 1.Walking Channel

1.3 研究指標(biāo)

采集受試兒童步行停止時雙側(cè)下肢脛骨前?。═A）、腓腸?。▋?nèi)側(cè)頭）（Gas）、股直?。≧F）和股二頭?。˙F）的表面肌電信號。利用Noraxon 表面肌電儀自帶的MRXP Master軟件進(jìn)行全波整流、平滑及低通濾波（3 Hz）分析，指標(biāo)包括：肌肉募集起始時間、肌肉興奮時程、積分肌電和最大振幅。根據(jù)Bishop等的方法，截取靜息狀態(tài)下30 ms內(nèi)的肌電信號，計算平均振幅與標(biāo)準(zhǔn)差（SD），當(dāng)肌電振幅大于平均振幅以上2 個標(biāo)準(zhǔn)差，并持續(xù)至少10 ms時，認(rèn)為肌肉開始興奮［7］。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

運(yùn)用雙因素方差分析（Two－Way ANOVA）比較書包重量和步行停止方式對下肢肌肉活動各指標(biāo)的影響，以t檢驗比較兩種步行停止方式、兩種書包重量各自的差異，所有參數(shù)結(jié)果以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差的形式表示，顯著性標(biāo)準(zhǔn)為P＜0.05，統(tǒng)計工作采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果

書包重量和步行停止方式對脛骨前肌等行走相關(guān)肌群肌肉募集起始時間（MRO）、興奮時程、積分肌電（iEMG）和最大振幅值的影響（表2～表5）。雙因素方差分析表明，書包重量和停止方式對制動腿和尾隨腿相關(guān)肌群的興奮時程、積分肌電的影響及其交互作用均有明顯統(tǒng)計學(xué)意義（表6、表7）；書包重量、停止方式及其交互作用對制動腿脛骨前肌、腓腸肌、股二頭肌最大振幅影響顯著，對尾隨腿股直肌、股二頭肌最大振幅影響顯著（表8）。

表2 本研究急停和有計劃步行停止時不同書包重量下制動腿和尾隨腿MRO的比較一覽表Table 2 Comparasion of the MRO of the Leading Limb and Trailing Limb between Unplanned and Planned Gait Termination with Different Backpack Load（ms）

表3 本研究急停和有計劃步行停止時不同書包重量下制動腿和尾隨腿肌肉興奮時程的比較一覽表Table 3 Comparasion of the Duration of the Leading Limb and Trailing Limb between Unplanned and Planned Gait Termination with Different Backpack Load（s）

表4 本研究急停和有計劃步行停止時不同書包重量下制動腿和尾隨腿iEMG的比較一覽表Table 4 Comparasion of the iEMG of the Leading Limb and Trailing Limb between Unplanned and Planned Gait Termination with Different Backpack Load（μV＊s）

表5 本研究急停和有計劃步行停止時不同書包重量下制動腿和尾隨腿最大振幅的比較一覽表Table 5 Comparasion of the Maximum Amplitude of the Leading Limb and Trailing Limb between Unplanned and Planned Gait Termination with Different Backpack Load（μV）

表6 本研究書包重量和步行停止方式對興奮時程的雙因素方差分析結(jié)果一覽表Table 6 Result of Two－way ANVOA for the Effect of Backpack Load and Gait Termination in Duration

表8 本研究書包重量和步行停止方式對最大振幅的雙因素方差分析結(jié)果一覽表Table 8 Result of Two－way ANVOA for the Effect of Backpack Load and Gait Termination in Maximum Amplitude

急停時，制動腿脛骨前肌、股直肌開始動員的時間隨書包重量增加而提前，腓腸肌動員時間延后，尾隨腿脛骨前肌和腓腸肌開始動員的時間提前，股直肌和股二頭肌開始動員的時間均延后（表2）。急停時制動腿肌肉興奮時程隨書包重量增加而增大，負(fù)重15%BW 時腓腸肌和股直肌興奮時程顯著大于0%BW 時的時間（P＜0.05），尾隨腿腓腸肌和股直肌興奮時程在背15%BW 書包時均顯著小于0%BW（P＜0.05），而股二頭肌興奮時程則顯著增大（P＜0.05）（表3）。制動腿急停時脛骨前肌的iEMG 大于有計劃步行停止，15%BW 時具有顯著性差異（P＜0.05），尾隨腿肌肉的iEMG 在急停和有計劃步行停止之間沒有明顯差異（表4）。制動腿各肌肉的最大振幅在急停時大于有計劃步行停止時，15%BW 時這種差異更顯著（P＜0.05）（表5）。

3 討論

下肢肌肉活動情況是研究步行停止時身體動態(tài)姿勢穩(wěn)定的重要參數(shù)。步行停止時下肢肌肉活動主要表現(xiàn)為3種形式：保持不變、活動增加和活動減小。通常使用表面肌電來研究肌肉活動情況。Hase等［13］對急停的生物力學(xué)特點進(jìn)行了研究，要求8名受試者（4男、4 女）以舒適速度步行，當(dāng)感覺到腓淺神經(jīng)受到電刺激時立即停止步行，結(jié)果認(rèn)為急停時采用了3種方式：1）在擺動腿足跟觸地以減小向前的動量之前擺動腿的伸肌協(xié)同作用就已經(jīng)啟動；2）推進(jìn)期支撐腿的活動受到抑制以減小向前的沖擊并保持支撐腿位于身體后面；3）如果前兩種方式仍不足以使身體停下，身體會通過增大跖屈抬高足跟使整個身體重心上升而將部分動能轉(zhuǎn)換為勢能。同時，Schwesig等［9］認(rèn)為，跖屈肌的活動是引起快速制動時期步態(tài)減速的主要原因。本研究以9～11周歲兒童為研究對象，以空書包（0%BW）和15%BW 書包為負(fù)重方式，以急停和有計劃步行停止為終止方式，對兒童背書包行走步行停止時的下肢肌肉活動進(jìn)行分析，進(jìn)而探討書包重量和不同的步行停止方式對身體動態(tài)姿勢穩(wěn)定的影響。

3.1 急停和有計劃步行停止維持身體姿勢穩(wěn)定的肌肉活動特點

本研究結(jié)果顯示，急停時制動腿的股二頭肌最先被動員，在足跟觸地后就已經(jīng)開始動員參與制動，其次是脛骨前肌。根據(jù)本研究實驗設(shè)計的要求，外界刺激信號發(fā)生時，制動腿處于擺動相前期，股二頭肌活動能屈膝伸髖，使制動腿在制動前期（擺動相時期）減速，一方面，有助于減小向前的動量或沖量；另一方面，有助于減小足跟觸地時地面的沖擊；足跟觸地后，快速制動期結(jié)束并進(jìn)入推進(jìn)期，股直肌和腓腸肌開始被動員，股直肌的伸膝作用使下肢伸直保持直立狀態(tài)，腓腸肌使踝關(guān)節(jié)跖屈增加有助于減小向前的推進(jìn)力同時還可使身體質(zhì)量中心適度升高而將部分動能轉(zhuǎn)化為勢能或?qū)⒉糠窒蚯胺较虻膭恿哭D(zhuǎn)移到垂直方向。尾隨腿在制動腿足跟觸地后（快速制動期結(jié)束）進(jìn)入擺動相，腓腸肌最先動員，其次是股直肌，緊接著是股二頭肌，脛骨前肌最晚被動員。尾隨腿在擺動相最先動員腓腸肌使踝關(guān)節(jié)跖屈增加，這有利于改變足落地順序使前腳掌先落地（正常步行時足跟先落地然后過渡到全腳掌著地），這種方式有利于抑制向前方向動量的增加同時減小推動期的推進(jìn)力；動員股直肌使膝關(guān)節(jié)伸直，如果不要求尾隨腿再向前邁步則有助于形成支撐保持該側(cè)肢體位于身體后，由于本研究要求尾隨腿必須停于制動腿側(cè)，此時動員股二頭肌屈膝有利于向前邁步，而脛骨前肌的最后動員則能及時阻止身體繼續(xù)向前推進(jìn)。有計劃步行停止時，制動腿最先動員脛骨前肌然后動員股二頭肌，表明踝關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)機(jī)制在有計劃步行停止時起主要作用。這可能是有計劃步行停止時，在抵達(dá)指定位置前，步行者已經(jīng)根據(jù)環(huán)境條件改變而提前減小了步行速度、調(diào)整了步頻和步長，充足的反應(yīng)時間以及充分的準(zhǔn)備使步行者僅依賴踝關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)機(jī)制就能順利完成步行停止。

急停和有計劃步行停止是步行停止的兩種形式，以制動腿足跟觸地時刻為參考標(biāo)準(zhǔn)，急停時脛骨前肌、腓腸肌、股直肌和股二頭肌的動員時間較有計劃步行停止時肌肉動員時間更早，最大振幅以及iEMG 更大，但興奮持續(xù)的時間稍短。這可從急停和有計劃步行停止時的神經(jīng)肌肉反應(yīng)形式來解釋：急停多發(fā)生于突發(fā)情況時，對于終止信號刺激出現(xiàn)的時間、地點以及停止位置的環(huán)境等不可預(yù)知，屬于反饋反應(yīng)，大腦在接收了刺激信息后才發(fā)出指令做出相應(yīng)反應(yīng)，如肌肉開始活動等；有計劃步行停止多出現(xiàn)在既定任務(wù)中，屬于前饋反應(yīng)，步行者只需依照大腦中樞的指令停在指定終止位置即可，肌肉可提前興奮參與到制動過程中。對步行停止的預(yù)判能影響下肢肌肉的活動，而且這種影響甚至在足跟觸地之前就已經(jīng)出現(xiàn)，如Bishop等［6］發(fā)現(xiàn)，有計劃步行停止時，腓腸肌在足跟觸地前就已經(jīng)動員，而正常步行時則在足跟觸地后才開始動員。

無論是急停，還是有計劃步行停止，制動腿的肌肉活動均明顯大于尾隨腿。這主要是因為制動腿在急停和有計劃步行停止中起主要作用，而尾隨腿僅起輔助作用，研究指出，步行停止第二步的主要作用是用來維持身體側(cè)向姿勢穩(wěn)定［25，27，30］。

有學(xué)者對成年人步行停止時下肢肌肉活動和作用進(jìn)行了研究，如Tirosh等［31］選取12名年輕男性和12名老年男性分別以3種速度步行完成步行停止測試，通過脛骨前肌、腓腸肌、股二頭肌、股外側(cè)肌和臀中肌的表面肌電變化分析年齡和步行速度對步行停止時肌肉募集的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，制動腿肌肉反應(yīng)顯著快于尾隨腿，且隨著步行速度增大，擺動腿參與步行停止的肌肉數(shù)目減少；老年人支撐腿肌肉反應(yīng)慢于年輕人，擺動腿肌肉動員減少，腓腸肌和臀中肌興奮程度減小。

Crenna等［8］在分析步行停止的動作模式時指出：支撐腿肌肉活動依循由遠(yuǎn)端到近端的順序，股后肌群為主要肌群（比目魚肌和腘繩?。?；擺動腿肌肉遵循由近端到遠(yuǎn)端的順序，伸肌群起主要作用（股四頭肌和比目魚?。?。而本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，急停和有計劃步行停止時，兒童均主要依賴制動腿完成步行停止，而急停時，肌肉動員順序由上到下（依次為股二頭肌、脛骨前肌、腓腸肌或股直?。?，依賴踝關(guān)節(jié)策略、髖關(guān)節(jié)策略來維持姿勢穩(wěn)定和身體平衡；有計劃步行停止時，肌肉動員順序由下到上（依次為脛骨前肌、腓腸肌、股二頭肌和股直?。饕柚钻P(guān)節(jié)策略維持姿勢穩(wěn)定和身體平衡。

3.2 書包重量對急停和有計劃步行停止時身體動態(tài)姿勢穩(wěn)定的影響

步行停止受多種因素影響，Tirosh 等［31］的研究認(rèn)為，步行速度會影響步行停止。通常支撐腿的肌肉反應(yīng)先于擺動腿，股二頭肌最先活動，然后是脛骨前肌或股外側(cè)肌，最后是臀中肌和腓腸肌，擺動腿則是股外側(cè)肌最先活動，然后是臀中肌和脛骨前肌。隨步行速度增加，肌肉募集起始時間縮短，擺動腿參與活動的肌肉數(shù)目在足跟觸地前即顯著減小。背書包額外增加了身體負(fù)荷，對步行停止的機(jī)制策略會產(chǎn)生影響。本研究發(fā)現(xiàn)，隨書包重量增加，肌肉募集順序未發(fā)生明顯變化，但肌肉開始動員所需的時間和興奮持續(xù)的時間均延長，積分肌電以及最大振幅均有不同程度的增加。研究發(fā)現(xiàn)，背書包尤其是背較重的書包，機(jī)體更容易疲勞［13，21］。疲勞時神經(jīng)肌肉反應(yīng)時延長［14，18］，有研究指出，股內(nèi)側(cè)肌和腓腸肌的反應(yīng)時在運(yùn)動后即刻顯著增加［2］。疲勞時肌肉電活動表現(xiàn)為肌肉募集起始時間滯后以及積分肌電增大等。另外，步行停止時要求向前的動量為零，背書包后，同一步行速度下向前的動量增加（M＝m×v，M 表示動量，m 表示質(zhì)量，v表示步行速度），為有效完成步行停止任務(wù)，要求快速增大制動力以對抗向前方向動量，這將迫使機(jī)體在短時間內(nèi)迅速動員更多肌肉參與活動。

踝關(guān)節(jié)背屈是步行停止時的主要策略之一。Bishop等［6］發(fā)現(xiàn)，終止信號出現(xiàn)在足跟觸地時刻時，增加腓腸肌活動能減弱下肢向前推進(jìn)的效果，增加脛骨前肌和臀中肌的活動可限制踝跖屈及保持下肢處于伸直狀態(tài)。踝關(guān)節(jié)背屈能減小身體質(zhì)量中心需要向前推進(jìn)的位移，與軀干屈曲結(jié)合能維持身體質(zhì)量中心位于足支撐面以滿足身體平衡的需要，而增加負(fù)荷后，踝關(guān)節(jié)背屈肌負(fù)荷增加。另有研究發(fā)現(xiàn)，踝關(guān)節(jié)背屈是負(fù)重條件下維持身體平衡預(yù)防跌倒的有效策略之一［15，29］。負(fù)重后，踝關(guān)節(jié)背屈?。ㄈ缑劰乔凹。┑幕顒影l(fā)生改變（有計劃步行終止時，制動腿脛骨前肌的興奮時程由零負(fù)重時的1.22 ms延長到1.24 ms，積分肌電從12.52μV＊s增加到12.58μV＊s，急停時則分別從1.20 ms增加到1.21 ms和13.29μV＊s到15.24 μV＊s）。除了踝關(guān)節(jié)策略外，髖關(guān)節(jié)策略同樣是步行停止時調(diào)整身體姿勢的方式。伸髖肌群活動能產(chǎn)生伸肌力矩保證支撐腿位于身體后側(cè)，有利于維持身體重心位于雙足支撐面避免步行停止時發(fā)生跌倒。Hase等［13］指出，步行停止時動員腓腸肌、股外側(cè)肌和臀中肌能分別使踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)伸展，若其中任何肌肉動員出現(xiàn)問題則可能會因為不能產(chǎn)生足夠的伸肌力矩使身體重心保持在雙足支撐面內(nèi)。另有研究指出，股二頭肌活動有助于髖關(guān)節(jié)伸展保持支撐腿位于身體之后［30］。本研究結(jié)果顯示，隨著書包重量增加，股二頭肌興奮時程延長，但積分肌電和最大振幅均有減小的趨勢，這可能是背書包后使得肌肉趨于等長收縮或離心收縮所致，因肌肉等長收縮或離心收縮均可使肌肉積分肌電和最大振幅減小。引起這種變化的另一個原因可能是，隨書包重量增加，步行停止時股二頭肌參與活動的時間延長，所起的作用減小，髖關(guān)節(jié)策略逐漸被其它的姿勢策略（踝關(guān)節(jié)策略、膝關(guān)節(jié)策略等）所取代。

4 結(jié)論

急停和有計劃步行停止的肌肉活動特點有差異，且因書包重量影響，從而改變維持動態(tài)姿勢穩(wěn)定的策略。有計劃步行停止時主要依賴踝關(guān)節(jié)策略；急停時除踝關(guān)節(jié)策略外，髖關(guān)節(jié)策略和膝關(guān)節(jié)策略可能在維持姿勢穩(wěn)定時起重要作用，當(dāng)書包重量為15%BW 時，下肢肌肉需要募集更多的運(yùn)動單位來維持身體姿勢穩(wěn)定。背書包后所引起的這些改變與兒童身體健康有密切關(guān)系，因此，日常生活中應(yīng)注意避免兒童背過重的書包。

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