不同負荷情況下足底壓力及肌電特征分析

張秀麗，都志豪，吳 健，張 軍，楊文光，張 偉

(1.鄭州大學 體育學院(校本部)體醫(yī)融合發(fā)展研究中心,河南 鄭州 453000；2.西安交通大學 體育中心，陜西 西安 710049；3.西安交通大學 第一附屬醫(yī)院，陜西 西安 710061；4.空軍軍醫(yī)大學 空軍衛(wèi)勤訓練基地體育教研室，陜西 西安 710032)

0 引言

足具有支撐體重、減緩沖擊、分散壓力、產(chǎn)生動力和調(diào)節(jié)平衡等功能，是人體行走、奔跑和跳躍動作的基礎[1-4]。足底壓力的變化反映了人體豐富的生理結構和機體功能信息，可作為下肢運動科學性的診斷依據(jù)[5-7]。文獻[8]通過測量外八步態(tài)群體的足底壓力發(fā)現(xiàn)： 外八步態(tài)的足底壓力參數(shù)均與正常步態(tài)存在不同程度的差異。長時間負荷運動會對足弓腳踝等部位的狀態(tài)產(chǎn)生重要影響，是誘發(fā)足部損傷甚至骨折的重要原因[9-12]。足底壓力變化還可以誘發(fā)糖尿病足潰瘍等一系列足部健康問題[13]，文獻[14]進一步探討了老年糖尿病患者與正常老年人足底壓力的特征及差異性，為老年糖尿病患者的足部產(chǎn)品設計提供了數(shù)據(jù)參考。此外，足部壓力測試對鑒別扁平足、足底筋膜炎和高弓足等足部疾病效果顯著[15-17]。因此，對人體負荷行走狀態(tài)下的足底壓力變化及關節(jié)應對情況進行研究，可以為疾病的診斷和治療提供重要參考[18]。

文獻[19]對等速不同負荷狀態(tài)下跑臺上的雙支撐和擺動相時間特征進行了試驗，試驗結果表明：當受試者負荷分別為體質量的20%、30%、40%和50%時，雙支撐時間與負荷值大小呈正向相關，擺動相時間與負荷大小呈現(xiàn)出負相關。文獻[20]以40 m平地走代替等速跑臺運動，并增加60%體質量負荷對照組別，進一步證實了負荷增加引起雙支撐時間顯著增大，且步幅隨著負荷增加而下降，下肢關節(jié)角度隨之變化。

在臨床醫(yī)學和對人體運動的研究中[21]，通過肌電變化、關節(jié)運動、肌肉牽拉、骨骼受力以及生理生化指標探究人體機能，已經(jīng)成為一種科學有效的手段，并廣泛應用于各類人群和各類運動中。如文獻[22]基于腦卒中患者肩部出現(xiàn)的不同程度的運動功能障礙,設計了上肢康復運動的肌肉電信號采集系統(tǒng)。文獻[23]設計并制作了一套完整的基于腿部多部位肌肉表面肌電信號評估腿部肌肉疲勞狀態(tài)的智能識別系統(tǒng)[23]。此外，肌電信號對關節(jié)損傷恢復及運動鍛煉也有重要的指導作用[24]。

基于上述研究，本文進一步從足底壓力和肌肉電信號兩個方面進行了綜合研究，同步記錄了行走和奔跑過程中腿部肌肉電信號和足底壓力，并對不同負荷狀態(tài)下足底壓力和肌肉電信號的變化趨勢進行了總結。

1 對象和方法

1.1 試驗儀器及受試者

測試儀器：noraxon公司的表面肌電測量儀、配套產(chǎn)品三維測力臺、Vicon Nexus運動捕捉系統(tǒng)；一次性肌電片40個；膠帶1卷；背包1個；測量尺1個；5 kg啞鈴片4個；繃帶1卷；酒精棉球1包；15 cm軟質臺階盒2個。

受試對象：6名20～22歲身體健康的鄭州大學和西安交通大學男性二級運動員，無行走和跑跳等運動功能障礙，且測試前24 h內(nèi)睡眠良好，無飲酒，無劇烈運動。所有受試對象完全理解試驗意圖，自愿參與本次試驗。受試者基本情況如表1所示。

表1 受試者基本情況表

1.2 試驗方法

受試者進行與試驗相關的熱身活動。用酒精棉球擦拭肌電信號測量部位：腓腸肌(外側肌腹隆起處)和脛骨前肌(脛骨上肌腹隆起最高點)。在右腿檢測位置貼上肌電片，并用繃帶加固防止測試中脫落或干擾儀器的測量。打開儀器，通電測試，肌電圖反應正確，儀器可以使用。

使用紅外線標定丁字尺對運動捕捉系統(tǒng)的攝像頭進行標定。在受試者下半身各個特征部位貼上反光球。在標定完成后，站在攝像頭適當位置觀察是否有嚴重的缺點漏點情況。受試者A站在跑步機上，進行跑步的動作。觀察電腦軟件上肌電圖、足底壓力圖和運動捕捉是否同步工作。

受試者A站在跑步臺上，并將跑步機速度設為3 km/h(行走狀態(tài))。當足底壓力和肌電圖達到平穩(wěn)狀態(tài)時，點擊記錄按鈕開始記錄。記錄幾個完整周期之后，停止記錄并保存數(shù)據(jù)。將跑步機速度設為5 km/h(跑步狀態(tài))。重復上述步驟，記錄跑步狀態(tài)下的足底壓力和肌電圖。受試者A負荷質量分別為5 kg、10 kg和15 kg，重復以上步驟，得到受試者A在負荷質量5 kg、10 kg、15 kg時在走、跑、上下臺階4種步態(tài)下足底壓力、肌電圖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

受試者B～F 重復受試者A的所有試驗步驟并記錄相應數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)的收集

由于表面肌電信號幅度小、信噪比低，易受周圍環(huán)境磁場、電流磁場以及其他噪音干擾，試驗時最大程度降低50 Hz工頻干擾和試驗儀器內(nèi)部電子噪聲的影響，同時保證儀器可靠接地，所有試驗參與人員關閉手機、手表和平板電腦等電子設備。

在得到表面肌電圖記錄和足底壓力之后，利用軟件自帶的數(shù)據(jù)處理功能得到積分肌電IEMG和均方根振幅RMS。

2 結果和分析

2.1 不同步態(tài)和不同負荷質量足底壓力分析

2.1.1 行走狀態(tài)下的足底壓力

行走狀態(tài)不同負荷下，各個受試者的足底壓力峰值見表2。

表2 行走狀態(tài)不同負荷質量下各個受試者足底壓力數(shù)值 N

由表2可知：行走狀態(tài)下隨著負荷質量的不斷增加，地面對足底的反作用力呈現(xiàn)明顯增加的趨勢。并且增大相同的負荷質量時，足底壓力之間的差值也有增大的趨勢。這表明在該負荷質量范圍內(nèi)，人體的行走系統(tǒng)可能主要通過增加垂直于地面的足底壓力，以抵抗負荷質量對行走帶來的影響并補償因負荷質量而產(chǎn)生的額外能量消耗。

2.1.2 跑步狀態(tài)下的足底壓力

跑步狀態(tài)不同負荷質量下，各個受試者的足底壓力峰值如表3所示。

表3 跑步狀態(tài)不同負荷質量下各個受試者足底壓力峰值 N

由表3可知：跑步狀態(tài)下隨著負荷質量增加，地面對足底的反作用力有增大的趨勢。但是隨著負荷質量的不斷增大，足底壓力的增加呈現(xiàn)明顯減小的趨勢。

圖1是某位受試者在負荷0 kg、5 kg、10 kg和15 kg跑步情況下，右腳的足底壓力變化圖。由圖1可知：隨著負荷質量增加，腳與地面的作用時間逐漸增加。由于雙腳與地面接觸時間增加，導致跑步過程中的騰空時間變短，足底壓力也隨之減小。

(a) 跑步(負荷0 kg)

此外，本文還對跑步過程中不同負荷質量下足底壓力平均值數(shù)據(jù)進行了計算，如表4所示。由表4可知：隨著負荷質量增加(負荷質量較大時)，足底壓力峰值雖然變化不大，但是由于腿支撐時間隨著負荷質量的增加出現(xiàn)顯著性增加，以及腿部擺動的時間隨著負荷質量的增加出現(xiàn)顯著性降低，從而使跑步期間足底壓力平均值增大，以補償負荷質量帶來的能量損耗[17]。

表4 跑步過程中不同負荷質量下足底壓力平均值 N

2.2 不同步態(tài)和負重肌肉有效放電值(root mean square,RMS)分析

人體行走、奔跑和跳躍等動作是大小肌肉群、骨骼、肌腱等通過復雜的協(xié)同配合完成的，行走狀態(tài)下踝、膝、髖等各關節(jié)角度、受力情況均不相同，牽拉骨骼相應肌肉的肌電狀態(tài)、活躍強度和疲勞程度等也各不相同。

2.2.1 行走狀態(tài)下脛骨前肌和腓腸肌RMS變化趨勢分析

行走過程中，各個受試者脛骨前肌與腓腸肌在不同負荷質量下RMS平均值，分別如表5和表6所示。

表5 行走過程中脛骨前肌RMS平均值 μV

表6 行走過程中腓腸肌RMS平均值 μV

由表5和表6可知：行走狀態(tài)下隨著負荷質量增加，脛骨前肌RMS有增大的趨勢，但變化不太明顯。而腓腸肌RMS呈現(xiàn)顯著增大的趨勢。

2.2.2 跑步狀態(tài)下脛骨前肌和腓腸肌RMS變化趨勢分析

跑步過程中，每個受試者脛骨前肌與腓腸肌RMS平均值分別如表7和表8所示。

表7 跑步過程中脛骨前肌RMS平均值 μV

表8 跑步過程中腓腸肌RMS平均值 μV

由表7和表8可知：跑步狀態(tài)下隨著負荷質量增加，脛骨前肌RMS顯著減小，腓腸肌RMS顯著增大。

2.2.3 脛骨前肌和腓腸肌收縮時間分析

隨機選擇其中一個受試者，脛骨前肌和腓腸肌電信號的變化如圖2所示。由圖2可知：脛骨前肌和腓腸肌分別在行走周期的不同時段產(chǎn)生作用。腓腸肌在人體運動中分為活動狀態(tài)和靜息狀態(tài)，如行走時，活動狀態(tài)發(fā)生在足跟離地至足趾離地的蹬離期，此時人體重心前移向上，而后步態(tài)周期進入擺動期時，腓腸肌轉換為靜息狀態(tài)。與此相對，整體步態(tài)周期中的脛骨前肌幾乎持續(xù)保持活動狀態(tài)，通過足部動作特征和肌電信號，可以看到其狀態(tài)經(jīng)歷了支撐初期的高度活躍(保持足背伸使足跟先著地)，支撐中末期的逐漸減弱(以脛后肌群為主，脛骨前肌發(fā)揮協(xié)同作用，保持足在內(nèi)、外方向上穩(wěn)定)，擺動期的再次較小程度活躍(使足趾提離地面)。

(a) 足底壓力隨時間變化曲線

3 結論

(1)在行走狀態(tài)下，足底壓力隨負荷質量增加而呈現(xiàn)增大的趨勢。而跑步狀態(tài)下，當負荷質量超過15 kg時，足底壓力逐漸趨于一個極限值。

(2)在不同的運動形式下，同一肌肉的RMS隨著負荷質量增大可能出現(xiàn)不同的變化趨勢。如脛骨前肌RMS在行走過程中隨負荷質量增加有少量增大的趨勢，而在跑步過程中隨負荷質量增大而顯著降低。

(3)腓腸肌RMS在兩種運動形式中隨著負荷質量增大都呈現(xiàn)顯著增大的趨勢。

(4)在整個步態(tài)周期中，腓腸肌主要作用在足跟離地至足趾離地的蹬離期，而進入擺動期時，腓腸肌轉換為靜息狀態(tài)。

(5)脛骨前肌發(fā)力主要發(fā)生在步態(tài)周期擺動相。