行走模式對人體下肢三維步態(tài)、肌電信號的影響*

梁安迪， 強家豪， 馬 強， 紐曉丹， 張 越， 池愛平

(陜西師范大學(xué)體育學(xué)院， 西安 710119)

步行是人類活動的基本方式，任何神經(jīng)、肌肉及關(guān)節(jié)疾患均可導(dǎo)致步行功能障礙。步態(tài)分析可對人體行走方式進行客觀記錄并對步行功能進行系統(tǒng)評價。運動跑臺可以提供穩(wěn)定、便利的運動訓(xùn)練試驗研究模型。人體在跑臺上的運動特征與地面上的運動特征有一定的差異，不同的跑臺運動模式也具有不同的運動特征與訓(xùn)練效果[1]。本研究采用兩種類型的跑臺，一種為主動發(fā)力式跑臺，如Greenjog履帶式跑臺，人體在跑臺上行走或奔跑時，可利用自身的重力作用啟動、加速和減速，速度自由掌控；另一種為被動發(fā)力式跑臺，如h/p/cosmos跑臺，可按照設(shè)定速度在外部電力驅(qū)動下自動運行，人失去了控制身體速度的自由，處于被動運動狀態(tài)[2]。主動式與被動式的運動狀態(tài)導(dǎo)致人體產(chǎn)生不同的運動軌跡和肌肉電信號。

三維運動捕捉分析系統(tǒng)是非常準(zhǔn)確的光學(xué)動作捕捉系統(tǒng)，它采用紅外光學(xué)設(shè)計原理建立以矢狀軸、冠狀軸和垂直軸構(gòu)成的三維模型，實時采集和記錄人體的三維步態(tài)，對時間-距離參數(shù)、運動學(xué)參數(shù)等步態(tài)指標(biāo)進行定量分析，廣泛應(yīng)用于高頻率、高精度運動的動作捕捉分析中[3]。表面肌電圖(surface electromyography，sEMG)是通過神經(jīng)肌肉系統(tǒng)活動時產(chǎn)生的一系列生物電變化經(jīng)被檢測肌肉皮膚表面電極引導(dǎo)、放大、顯示和記錄所獲得的一維電壓時間序列信號[4]，適用于對人體局部肌肉和肢體的功能評價[5]。已有研究利用sEMG技術(shù)對人體的運動動作特征及運動軌跡進行大量研究并取得系列成果[6,7]。

不同的行走方式對于普通人群的體育鍛煉具有不同效果[8-10]，運動強度、運動姿勢與肌肉收縮方式的改變均可顯示出不同特征，研究者們致力于行走鍛煉對某些疾病的預(yù)防與治療以及殘疾人的康復(fù)[11-13]。然而，利用三維運動捕捉分析系統(tǒng)結(jié)合sEMG技術(shù)對人體行走步態(tài)進行分析的研究卻鮮有報道。本研究選取12名在校大學(xué)生建立主動式和被動式兩種行走模型，在控制運動強度和環(huán)境因素的基礎(chǔ)上通過三維步態(tài)分析系統(tǒng)和sEMG檢測不同速度下人體運動的時空參數(shù)、下肢關(guān)節(jié)活動范圍、動作軌跡和積分肌電值等指標(biāo)，旨在闡明兩種步行方式下人體步態(tài)與肌肉發(fā)力特征，在為提升普通人群鍛煉效果的同時對步行功能障礙、肢體殘疾等患者的步態(tài)矯正、治療與康復(fù)提供科學(xué)方法，進而在全民健身與運動醫(yī)學(xué)中發(fā)揮積極作用。

1 對象與方法

1.1 研究對象

本研究選取12名身體健康在校男大學(xué)生，受試者近半年內(nèi)雙側(cè)下肢無運動系統(tǒng)損傷的臨床病史(如半月板撕裂、交叉韌帶撕裂、股骨頭病變、膝關(guān)節(jié)滑膜炎等)，且近期沒有在跑臺上訓(xùn)練的經(jīng)歷。受試者基本情況如下：年齡為(20.86±1.35)歲，身高為(179.57±6.58)cm，體重為(68.57±11.10)kg，均為自愿參與研究。

1.2 運動學(xué)指標(biāo)測定

測試前，將16個反光標(biāo)記球(Marker)粘貼于受試者的下肢骨性標(biāo)志點(雙側(cè)髂前上棘、髂后上棘、膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸軸心、髂前上棘—膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸軸心中點、外踝、膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸軸心—外踝中點、跟結(jié)節(jié)和1、2趾骨中點上1cm處)。

1.3 肌電信號測定

本試驗對受試者優(yōu)勢側(cè)下肢股直肌、股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌、股二頭肌、脛骨前肌和腓腸肌6塊肌肉進行肌電測試。將電極片沿肌纖維走向成對粘貼到對應(yīng)肌肉的肌腹中心，電極片與皮膚接觸電阻小于5 kΩ[3]。

1.4 試驗儀器設(shè)備

主動式行走模型選用履帶式自發(fā)力跑臺(Greenjog；HR510；北京瑞龍北方體育用品有限公司)；被動式行走模型選用電動跑臺(h/p/cosmos；pulsar 4.0；h/p/cosmos，Germany)。

運動學(xué)指標(biāo)采用三維運動捕捉分析系統(tǒng)(Vicon；Vicon MX；Oxford Metrics Limited，UK)以100幀/s的拍攝速度獲取在跑臺行走過程中的運動軌跡，運動學(xué)數(shù)據(jù)通過Vicon Nexus軟件處理分析；肌電信號指標(biāo)采用表面肌電測試儀(Noraxon；Desktop DTS；Noraxon，US)獲取行走過程中下肢主要肌肉的積分肌電值，肌電數(shù)據(jù)通過EMG Server肌電采集分析軟件完成處理、計算等。

1.5 步行模型建立

試驗開始前，受試者換上提前準(zhǔn)備的緊身上衣、泳褲和相同材質(zhì)的白色運動鞋，建立人體下肢模型(Plug-in lower body)。預(yù)試驗后，受試者首先在Greenjog履帶式跑臺上以正常步行方式進行三種速度的一次性步行測試，速度控制的范圍為慢速(2 km/h)、常速(4 km/h)、和快速(6 km/h)，每種速度的測試時間均為3 min，前1 min用以受試者適應(yīng)跑臺速度、跑帶材質(zhì)、行走方式等，后2 min進行數(shù)據(jù)采集。休息5 min后，受試者以相同方式在h/p/cosmos跑臺上進行測試。運動學(xué)數(shù)據(jù)與肌電數(shù)據(jù)同步采集。

1.6 測試指標(biāo)

時間-距離參數(shù)：(1)步態(tài)周期(s)：在行走過程中，同一只腳從腳跟離地跨出，到再次腳跟著地的行進過程；(2)步頻(步/min)：即腳步的頻率，行走時兩腿在單位時間內(nèi)交替的次數(shù)；(3)支撐期(s)：從一側(cè)腳跟著地，到該側(cè)腳尖離地的行進過程；(4)支撐期占比(%)：支撐期占步態(tài)周期的時間占比，約為60%；(5)擺動期(s)：從一側(cè)腳尖離地，到該側(cè)腳跟著地的行進過程；(6)擺動期占比(%)：擺動期占步態(tài)周期的時間占比，約為40%。

運動學(xué)參數(shù)：(1)步態(tài)周期內(nèi)膝關(guān)節(jié)活動范圍(°)：行走時膝關(guān)節(jié)從屈到伸之間的夾角；(2)步態(tài)周期內(nèi)踝關(guān)節(jié)活動范圍(°)：行走時踝關(guān)節(jié)從背伸到跖屈之間的夾角。

肌電參數(shù)：積分肌電值(nV*s)：是肌電信號經(jīng)整流濾波求單位時間內(nèi)曲線下面積的總和，可反映肌電信號隨時間進行的強弱變化, 反映肌肉中運動單位募集數(shù)量和同步化程度[14]，其定義為[15]：

其中，x(a)，(a=0，1，2，…，N-1) 為一長度為N的時間序列。

1.7 統(tǒng)計學(xué)處理

2 結(jié)果

2.1 主被動行走時步態(tài)周期與步頻段比較

表1結(jié)果顯示，在遞增負(fù)荷步行運動中，受試者主被動行走時均表現(xiàn)出步態(tài)周期時間縮短、步頻增加的趨勢。但經(jīng)配對t檢驗比較后，P值均大于0.05，并未發(fā)現(xiàn)顯著性差異。

Tab. 1 Comparison of gait cycle and pace in active and passive walking at different speeds n=12)

2.2 主被動行走時下肢支撐相與擺動相變化比較

表2結(jié)果顯示，在遞增負(fù)荷步行運動中，受試者主被動行走時均表現(xiàn)出支撐相時間縮短、占比減少，擺動相時間縮短、占比增多的趨勢。當(dāng)在2 km/h的行走速度下，被動式行走支撐相占比顯著高于主動式行走(P<0.05)，擺動相占比顯著低于主動式行走(P<0.05)。

Tab. 2 Comparison of the change of supporting phase and swing phase of lower limbs at different walking speeds n=12)

2.3 主被動行走時下肢關(guān)節(jié)角度比較

表3結(jié)果顯示，在遞增負(fù)荷步行運動中，受試者主被動行走時膝、踝關(guān)節(jié)角度的活動范圍均逐漸升高。被動式行走時下肢各環(huán)節(jié)的運動幅度較主動式行走更趨于一致。其中，當(dāng)在2 km/h和4 km/h的行走速度下，被動式行走膝關(guān)節(jié)角度變化顯著低于主動式行走(P<0.05)；而在6 km/h的行走速度下，被動式行走膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)角度變化均顯著低于主動式行走(P<0.01、P<0.05)。

Tab. 3 Changes in knee/ankle joint angles during walking at different speeds n=12)

2.4 主被動行走時下肢主要肌群積分肌電值比較

表4結(jié)果顯示，在遞增負(fù)荷步行運動中，受試者主被動行走時下肢各塊肌肉的積分肌電值均逐步增大。其中，當(dāng)在4 km/h和6 km/h的行走速度下，被動式行走股二頭肌積分肌電值顯著低于主動式行走(P<0.05)；而隨著步行速度的提高，被動式行走脛骨前肌積分肌電值顯著高于主動式行走(P<0.05)。說明在行走過程中，下肢肌肉的積分肌電值與行走模式以及環(huán)節(jié)的運動幅度等因素有關(guān), 總是會以能量消耗最小為原則并進行合理配合來完成運動過程。

Tab. 4 Comparison of lower limb muscles integral EMG values at different walking speeds n=12)

3 討論

個人運動經(jīng)歷、下肢健康狀況、年齡等因素可以直接影響跑臺各項指標(biāo)。因此，在研究不同跑臺上的步態(tài)差異時，受試者應(yīng)處于同一水平。Nymark等人[16]研究表明人們被動式行走與主動式行走相比，均表現(xiàn)出步長減少、步頻增加的趨勢，同時被動式行走具有更長的支撐期和較短的擺動期，這在一定程度上支持了上述結(jié)果。而被動式行走支撐相占比顯著高于主動式行走，擺動相占比顯著低于主動式行走的原因可能是由于h/p/cosmos跑臺是在外部電力驅(qū)動跑帶，人們被動行走時，為了獲得更好的平衡而產(chǎn)生一種自我保護機制，以防止摔倒。

張美珍等人[9]對12名成年男子進行研究發(fā)現(xiàn)，慢速時人們被動式行走較主動式行走膝關(guān)節(jié)活動范圍大，常速時被動式行走較主動式行走膝關(guān)節(jié)活動范圍小，快速時結(jié)果相同但并不顯著。這與本文研究結(jié)果不同，推測原因可能是由于Greenjog跑臺存在約30°左右的坡度，以供人們主動行走時依靠坡度差蹬動跑臺。若腳蹬的越接近坡頂，步頻越高，步行的速度越快，則膝關(guān)節(jié)活動范圍越大。而與上述結(jié)果產(chǎn)生差異的原因可能與試驗設(shè)備、分析方法、模型設(shè)計等因素不同有關(guān)。Chambon等人[17]通過對12名成年人被動式行走與主動式行走時矢狀腳底—地面角度比較發(fā)現(xiàn)，與主動式行走相比，被動式行走時腳底與地面角度大大降低(即傾斜度更小)。這與本文研究結(jié)果相一致，推測原因與上述相同。

sEMG可以在無創(chuàng)條件下較為方便的檢測神經(jīng)肌肉的活動情況，從而間接反映出某一技術(shù)動作中運動單位的動員和收縮情況，其是反映肌肉訓(xùn)練狀態(tài)和分析技術(shù)動作的重要指標(biāo)[18]。Nymark等人[16]的研究結(jié)果表明，慢速跑步時, 受試者在跑臺上表現(xiàn)出脛骨前肌和腓腸肌肌電信號減小, 而其他肌肉增加的趨勢。但目前還未發(fā)現(xiàn)有人用肌電分析的方法比較主被動行走時的肌電活動狀況，從而說明它們之間的關(guān)系[19]。本研究結(jié)果顯示主被動行走時除股二頭肌、脛骨前肌積分肌電值差異較明顯外，其余肌肉肌電信號差別不大。推測原因可能是在Greenjog跑臺上行走時，由于坡度原因?qū)е孪リP(guān)節(jié)活動范圍增大，而股二頭肌在人們行走過程中主要作用是屈膝[9,10]。因此，在4 km/h和6 km/h的行走速度下，被動式行走股二頭肌的積分肌電值顯著低于主動式行走。在2 km/h的行走速度下，被動式行走股二頭肌的積分肌電值高于主動式行走，但結(jié)果不具有顯著性差異，表明速度可能會影響對肌電參數(shù)的比較。而主被動行走時脛骨前肌產(chǎn)生顯著差異的原因可能是由于脛骨前肌在人們行走過程中的主要作用是使踝關(guān)節(jié)背伸[20]，因而在Greenjog跑臺上行走的擺動期由于坡度原因受試者腳比在h/p/cosmos跑臺更先接觸跑步帶，所以在h/p/cosmos跑臺行走時的脛骨前肌作用時間更長。因此，被動式行走脛骨前肌的積分肌電值顯著高于主動式行走。

綜上所述，不同的步行方式、肌肉類型以及主要肌群的激活特征等均可對主動肌和對抗肌的協(xié)同對抗作用產(chǎn)生影響。本試驗結(jié)果表明，隨著步行速度的增加，人體主動行走時的膝關(guān)節(jié)活動范圍更加充分，對主動肌的鍛煉作用更加明顯。因此，在實際的運動訓(xùn)練過程中，應(yīng)結(jié)合個人實際情況進行運動訓(xùn)練。對于以提高肌肉關(guān)節(jié)靈活性和鍛煉效果為目的的人群而言，建議以主動運動為主導(dǎo)；而對于關(guān)節(jié)、肌肉活動受限的人群而言，應(yīng)在保護措施下以低速被動運動為練習(xí)重點。此外，為使得試驗測試和肌肉訓(xùn)練更好地服務(wù)于全民健身中，應(yīng)根據(jù)研究對象和目的制訂有效的試驗方案；若步行運動涉及臨床診斷、康復(fù)保健以及相關(guān)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域等方面，可根據(jù)不同目的，適當(dāng)調(diào)整人體的步行速度以及步行姿勢，從而為人體進行運動訓(xùn)練實踐提供科學(xué)的指導(dǎo)方法，以達(dá)到令人滿意的運動效果。