倒走生物力學及運動控制的研究進展

陳娟，馬燕紅，胡海，陳康，姚葉林

倒走是一種流行的健身鍛煉和康復訓練方法[1]。國外已有很多學者對倒走的運動學、動力學及運動控制進行了研究，發(fā)現(xiàn)倒走對下肢、軀干以及神經(jīng)系統(tǒng)有其獨特的作用機制[2]。但國內(nèi)對倒走的研究僅為臨床療效觀察，對倒走的生物力學研究較少見。本文對倒走的臨床和生物力學研究進行了綜述，為今后倒走的進一步研究提供依據(jù)。

1 倒走在臨床康復中的應用

倒走訓練能夠增加代謝，增強心肺耐力。以同樣恒定速度倒走或倒跑時，攝氧量、心率及血乳酸含量均較正走或正跑高[3]。水下倒走時心率高于正走，速度快時兩者差異更明顯。提示倒走對心肺功能訓練效率較正走高。倒走對下腰痛及下肢骨關(guān)節(jié)疾病有良好的康復治療作用。下腰痛患者進行倒走或倒走結(jié)合其它中醫(yī)療法可減輕腰痛并增加腰部活動范圍，預防下腰痛復發(fā)[4-6]。學者對120例腰椎間盤突出患者進行3年隨診，觀察倒走聯(lián)合八段錦訓練對預防腰痛復發(fā)的效果，發(fā)現(xiàn)治療組(正規(guī)康復治療、倒走聯(lián)合八段錦訓練)的復發(fā)率為21.7%，對照組(正規(guī)康復治療)的復發(fā)率為38.3%[6]。相比于正走，倒走髕股關(guān)節(jié)內(nèi)壓力較小，可作為髕股關(guān)節(jié)疼痛患者的康復訓練方法，且對膝關(guān)節(jié)骨性關(guān)節(jié)炎有一定的預防作用[7-9]。此外，倒走時足底壓力分布更均勻，對糖尿病足的發(fā)病有一定預防作用[10-11]。因此，對于糖尿病患者，倒走能預防糖尿病足、骨性膝關(guān)節(jié)炎以及增強心肺功能，一舉多得。倒走可提高中風后偏癱患者的步行能力，能否改善患者不對稱的步態(tài)模式還存在不同觀點[12-13]。一項關(guān)于中風偏癱患者進行為期3周，每周3次，每次40min倒走訓練的研究發(fā)現(xiàn)，相比于對照組(力量、功能、轉(zhuǎn)移活動以及步態(tài)訓練)，實驗組(除對照組的訓練外，再加30min倒走訓練)患者的步長、步速以及步態(tài)的對稱性顯著提高，能有效改善中風患者的步態(tài)模式[13]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)側(cè)走比倒走訓練更有利于改善患者步態(tài)模式[12]。

倒走作為一種特殊的、有效的康復方法，相比于正走，其特有的生物力學機制值得我們深入研究。倒走與心肺功能的關(guān)系可能與兩者肌肉活動水平差異相關(guān)。下腰痛患者倒走訓練的作用機制尚不清楚，根據(jù)以往文獻推測其可能作用機制：第一，倒走可鍛煉核心肌群的力量，改善腰部血液循環(huán)及核心肌群的協(xié)調(diào)模式，已有研究表明下腰痛患者核心肌群的協(xié)調(diào)模式與正常人有顯著差異[14]；第二，倒走時重心后移，脊柱受力更符合生理曲度；第三，倒走時軀干穩(wěn)定性增加。倒走對下肢、軀干、及心肺功能的康復機制可從生物力學進行探究，以期更合理有效地運用倒走進行康復訓練。

2 倒走的運動學特征

學者對健康人倒走與正走的步態(tài)周期，踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)以及軀干的關(guān)節(jié)角度變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)兩者的步態(tài)周期及軀干的關(guān)節(jié)角度變化特征有明顯差異，兩者踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度變化基本成鏡面關(guān)系，但在步態(tài)周期關(guān)鍵點上兩者差異顯著，且踝關(guān)節(jié)較膝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)更顯著[15-23]。(鏡面關(guān)系即：完整步態(tài)周期中正走步態(tài)參數(shù)變化曲線與倒走時間逆轉(zhuǎn)步態(tài)參數(shù)變化曲線相比，兩者變化特征相同。)

倒走時兩者支撐相百分比無明顯差異，其步速、步頻、步幅較正走小[15, 19-20]，但其耗能卻較正走高[3]， 這與能量高效利用的規(guī)律不符，其原因值得我們深入研究。此外學者發(fā)現(xiàn)水中倒走支撐相百分比較正走小，差異較陸地顯著，可能與水中的浮力及阻力等因素相關(guān)[16-17]。倒走踝關(guān)節(jié)背屈角度明顯大于正走。學者發(fā)現(xiàn)倒走擺動相至承重反應相踝關(guān)節(jié)背屈角度明顯大于正走擺動前相至擺動相，且踝關(guān)節(jié)活動范圍正走大于倒走[15]。另一研究發(fā)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)背屈角度正走為(13.7±4.4)°，倒走為(20.8±5.5)°，趾屈角度兩者無顯著差異[24]。因此，倒走可用于踝關(guān)節(jié)背屈受限的康復訓練。

正走與倒走膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度變化曲線并非完美的鏡面關(guān)系，在步態(tài)周期關(guān)鍵點上存在較大差異。支撐相膝關(guān)節(jié)角度變化趨勢，正走為屈曲相，平臺相，伸展相；而倒走幾乎為單一的屈曲相[19]。膝關(guān)節(jié)屈曲角度，正走承重反應相大于倒走初始擺動相，倒走擺動相末期大于正走擺動相早期，屈曲范圍正走大于倒走[15]。正走與倒走髖關(guān)節(jié)的角度變化存在差異，相比踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)其差異較小。髖關(guān)節(jié)屈曲角度，倒走足跟離地時角度大于正走足首次觸地時角度；其伸展角度，倒走承重反應相小于正走擺動初始相[15]。而水下足首次觸地時髖關(guān)節(jié)屈曲角度正走大于倒走[17]。

學者對軀干的運動學有不同見解。有學者認為倒走時脊柱活動減少，脊柱下段非常穩(wěn)定，隨著運動難度的增加，脊柱各節(jié)段形成整體，此外，頭部及骨盆的穩(wěn)定性也增加[21]。而另有學者認為倒走會降低軀干局部動態(tài)穩(wěn)定性，尤其是前后方向的穩(wěn)定性[23]。兩位學者得出相反結(jié)論可能由倒走的速度、方法差異(地面和跑步機)等因素導致。脊柱穩(wěn)定性下降是下腰痛發(fā)病的一個重要原因[25]。研究證實腰托可減少腰椎的活動，前屈、后伸、側(cè)彎及旋轉(zhuǎn)分別減少了40%、27%、32%、58%，從而減輕腰痛[26-27]。由此可知，若倒走時軀干穩(wěn)定性增加，則可用于緩解腰痛[28]。反之，則有害無利。因此，倒走時軀干的穩(wěn)定性有待進一步研究，同時可結(jié)合腰背肌的活動來探索倒走與下腰痛的關(guān)系。

3 倒走的動力學特征

倒走足底壓力分布更均勻[10-11, 29]。學者對正走和倒走時足底壓力分析發(fā)現(xiàn)，糖尿病患者倒走時的第1趾、第2～5趾、第1跖骨、足弓、足跟內(nèi)側(cè)及足跟外側(cè)區(qū)壓力峰值較正走大，第3跖骨區(qū)壓力峰值明顯較正走小，各區(qū)的壓力峰值差距明顯小于正走[10]。糖尿病患者因感覺神經(jīng)病變合并局部機械應力過高易引起足部潰瘍和感染，而倒走時足底壓力分布較均勻，可用于糖尿病患者的運動治療。

健康人倒走與正走的地面反作用力存在差異[8, 15, 19]。垂直方向地面反作用力，倒走與正走均有兩個主要峰值，依次為重心加速向上和加速向下，正走時兩個峰值基本對稱，倒走時第一個峰值總比第二個高[19]。表明倒走時支撐腿負重小于蹬離地面的力，正走時兩者基本相同，由此可知倒走時支撐腿關(guān)節(jié)內(nèi)的受力較正走小，與倒走可預防膝骨性關(guān)節(jié)炎的觀點相符。足長軸方向的剪切力：正走時支撐相早期重心減速向前移動，剪切力指向后，支撐相中期和末期重心加速向前移動，剪切力指向前；倒走時支撐相早期重心減速向后移動，剪切力指向前；支撐相中期剪切力接近零，支撐相末期重心加速向后移動，剪切力指向后。表明正走和倒走時支撐腿均在支撐相早期起制動作用，中期及末期起驅(qū)動作用。

健康人正走與倒走時踝關(guān)節(jié)力矩曲線成鏡面關(guān)系[15, 22, 30]。兩者踝關(guān)節(jié)做功存在差異[15]。踝關(guān)節(jié)正走時產(chǎn)生的最大功率大于倒走，吸收的最大功率小于倒走，相比于膝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)，倒走時踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生的最大功率更大。倒走時踝關(guān)節(jié)在承重反應期產(chǎn)生最大趾屈力矩，此時起減速、吸收震動作用。他們認為踝關(guān)節(jié)是產(chǎn)生推進力和吸收震動的主要關(guān)節(jié)，而不是膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)。因此，倒走可鍛煉踝關(guān)節(jié)的同時保護膝關(guān)節(jié)及髖關(guān)節(jié)。

健康人正走與倒走時膝關(guān)節(jié)力矩曲線并非簡單的鏡面關(guān)系[15, 30]。正走時膝關(guān)節(jié)最大屈曲力矩明顯大于倒走，產(chǎn)生的最大功率與倒走無差異，吸收的最大功率大于倒走[15]。如此，倒走用于運動鍛煉可減少因膝關(guān)節(jié)內(nèi)應力過高而導致的骨性膝關(guān)節(jié)炎的發(fā)生。此外，倒走時髕股關(guān)節(jié)內(nèi)壓力小于正走[7-8]，這與另一學者伸膝肌功率峰值及總功均小于正走[31]的結(jié)論相符。因此，倒走對于髕股關(guān)節(jié)疼痛的患者是一項較好的訓練方法。

健康人正走與倒走髖關(guān)節(jié)力矩變化曲線基本成鏡面關(guān)系[15, 22, 30]。正走與倒走髖關(guān)節(jié)力矩變化曲線并非完全相似，倒走力矩變化較正走簡單，此外，正走時髖關(guān)節(jié)的伸髖及屈髖力矩均明顯大于倒走，髖關(guān)節(jié)產(chǎn)生的最大功率也大于倒走[15]。

4 倒走的肌電圖特征

健康人倒走與正走大部分肌肉激活時間無顯著差異，倒走肌肉活動持續(xù)時間普遍較正走長[31]。股二頭肌在倒走時支撐相的8%開始激活，在正走時支撐相的10%開始激活；脛骨前肌在倒走時支撐相的20%開始激活；正走與倒走時股直肌、股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌及腓腸肌外側(cè)頭均在足跟著地時開始激活。腓腸肌外側(cè)頭活動持續(xù)時間正走大于倒走，股直肌、股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌、股二頭肌、脛骨前肌的活動持續(xù)時間均為倒走大于正走，支撐相下肢肌肉活動持續(xù)時間正走為45%～50%，倒走為58%～77%，此可解釋倒走的高代謝水平。

健康人倒走與正走下肢肌肉活動順序存在顯著差異[19]。正走時肌肉活動順序：支撐相早期為臀大肌、股直肌、股外側(cè)肌及脛骨前肌，中期為腓腸肌外側(cè)頭，末期為臀大??；擺動相早期為股直肌及股外側(cè)肌。倒走時肌肉活動順序：承重期為脛骨前??；支撐相早期為股直肌、股外側(cè)肌及腓腸肌外側(cè)頭，中期為臀大肌、股直肌及股外側(cè)肌，末期為腓腸肌外側(cè)頭。兩者肌肉活動順序的差異表明倒走與正走的運動控制不同，可用于改善中風患者的運動控制。

健康人倒走與正走的肌肉活動強度存在不同觀點。有學者發(fā)現(xiàn)倒走時下肢肌肉活動強度普遍較正走高[19]。另有學者發(fā)現(xiàn)正走和倒走時的肌電峰值，比目魚肌及股外側(cè)肌兩者相似，脛骨前肌、腓腸肌外側(cè)頭和股二頭肌倒走明顯較正走小，股直肌倒走較正走大[20]。兩位學者均認為股四頭肌的活動強度倒走較正走高。由此可知，倒走可用于股四頭肌的肌力訓練。而兩位學者結(jié)果不同之處可能由個體間差異、地面與跑步機的差異、或速度的差異等因素造成。因此倒走時下肢肌肉活動強度仍需進一步研究。

健康人倒走與正走下肢肌肉活動模式也存在顯著差異[19-20, 32]。除股直肌與股外側(cè)肌外，脛骨前肌、比目魚肌、腓腸肌外側(cè)頭、股二頭肌的活動倒走與正走存在一定相位差，提示倒走與正走的肌肉活動模式存在差異，此外，倒走時下肢肌肉活動模式在個體之間也存在差異[20]。

倒走能增加腰背肌的活動[33-34]。與正走相比，倒走訓練使中年女性的腹直肌、腹外斜肌、豎脊肌及臀大肌的肌力增強；腹直肌及腹外斜肌的肌力增強更明顯[34]。表明倒走時軀干肌的活動增強，這可能是倒走能緩解及預防腰痛的一個重要原因。實驗不足之處在于沒有結(jié)合倒走時的步態(tài)、骨盆和軀干的運動學對腰背肌活動模式進行分析。

5 倒走的運動控制

步行是一種節(jié)律運動。產(chǎn)生節(jié)律運動的神經(jīng)環(huán)路被稱為中樞模式發(fā)生器(central pattern generators，CPGs)。研究證明在很多脊椎動物的脊髓里都存在CPGs[35-36]。人類可能存在相似的CPGs[37-38]。目前認為神經(jīng)環(huán)路可以共用，共用的神經(jīng)環(huán)路可以通過重組參加不同的行為控制，且不同行為共用的神經(jīng)環(huán)路的范圍取決于肌肉活動模式或肢體運動結(jié)果的相似程度[39]。

目前不少研究認為正走與倒走擁有同樣的CPGs[19-20, 40-41]。學者研究正走和倒走皮反射(cutaneous reflexes)相位調(diào)制模式發(fā)現(xiàn)，從腓腸神經(jīng)到所研究的下肢肌肉之間，存在促進和抑制兩種神經(jīng)環(huán)路，并且這些神經(jīng)環(huán)路之間活動的平衡都存在相位依賴，表明皮反射的相位依賴調(diào)制很大程度依賴于一個中樞運動程序，而倒走的運動程序同樣可用于正走，但這個程序可能是逆向運行，由此造成了反射逆轉(zhuǎn)時間序列和反射抑制期的相位移位[41]。另有學者發(fā)現(xiàn)雖然正走與倒走下肢肌肉活動的時間順序和肌肉的協(xié)調(diào)組織明顯不同，但正走與倒走的下肢活動(運動學)很相似，由此他們推斷完全重組協(xié)同肌來逆轉(zhuǎn)步態(tài)繼而保持正走與倒走運動學上相似[19]，這可能是一個涉及運動控制的中央網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的行為學目的。

控制正走和倒走、左腿和右腿的步態(tài)模式的神經(jīng)環(huán)路具有專一性[39]。學者認為控制正走和倒走的功能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是獨立的，并且控制左腿和右腿的神經(jīng)環(huán)路可以單獨訓練。這表明涉及正走和倒走運動模式生成的功能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以被獨立地改變，但并非整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在空間上是完全獨立的。

關(guān)于倒走與正走的運動控制，目前學者觀點不完全一致。倒走與正走是擁有完全相同的CPGs還是部分相同的CPGs，這值得大家進一步探索。若倒走與正走的CPGs部分相同，其功能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是獨立的，則可用倒走來糾正異常步態(tài)模式；若兩者的CPGs完全相同，則倒走不能起到改善步態(tài)模式的作用。

6 小結(jié)

綜上所述，倒走時下肢的運動學及動力學特征與正走基本成鏡面關(guān)系，但下肢肌肉的活動強度、運動控制以及軀干的運動學特征存在爭議。倒走時軀干的穩(wěn)定性增加還是減小有待進一步研究。倒走訓練治療及預防下腰痛在臨床上應用較廣泛，但其作用機制目前還不明確。軀干的生物力學變化與下腰痛有著緊密聯(lián)系，因此，從軀干的生物力學來研究倒走對下腰痛的作用機制將是我們下一個研究方向。

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