張庭然，羅 炯，王 翔，賴 彬，宋吉祥，吳召群

正著走與退著走生物力學機制研究

張庭然，羅 炯，王 翔，賴 彬，宋吉祥，吳召群

目的：揭示退著走的相關生物力學機制，為推廣退著走健身模式提供重要的生物力學依據(jù)。方法：通過運動學、動力學、肌電等手段同步測試相關生物力學參數(shù)，并運用逆動力學計算獲得步行中髖、膝、踝關節(jié)力矩和關節(jié)功。結果：與正著走相比，退著走受試者受走向的影響較大，因此退著走在步速、步頻、跨步長等方面顯著變短，單步時間、雙支撐時間、第1雙支撐時間則顯著變長，而2種走模式下的相關關節(jié)角位移表現(xiàn)驚人的相似性；正著走時，踝關節(jié)力矩模式與時相反轉后退著走亦表現(xiàn)驚人的相似，而膝、髖2關節(jié)卻沒有如此雷同；2種走模式下的踝、膝、髖關節(jié)功率差異明顯，并推斷退著走的主要推動力及震蕩吸收來自踝關節(jié)，膝、髖2關節(jié)幾乎不能產(chǎn)生推動功率；正著走時，受監(jiān)測的大腿肌肉中，除股直肌肌電活動低于退著走外，股二頭肌、股內肌及股外肌活動顯著高于退著走；4塊小腿肌中，退著走時，腓腸肌內側、腓腸肌外側、脛骨前肌及比目魚肌的肌電活動均顯著高于正著走，進一步左證退著走的動力源來自踝關節(jié)，而正著走，其動力源主要由髖與膝關節(jié)承擔。結論：退著走練習可修改神經(jīng)機制而有助于運動學習，這對受損的肌肉骨骼功能再教育是有益的；退著走髕骨-股骨關節(jié)承受來自地面的反應力要低，因此，退著走對下肢過度使用受傷的病人康復是有益的。

正著走；退著走；生物力學

退著走（Backward Walking，簡稱BW）又稱背向行走，它是一種建立在正著走（Forward Walking，簡稱FW）基礎上的人類的一種本能。退著走最早應用于腦出血后遺癥患者不對稱步態(tài)的康復矯正訓練，并取得了較好的效果。近些年，日本學者將其作為一種健身方式引入健康的中老年人群中，因其健身效果顯著而受到追捧。如今，退著走這種健身方式已引起國外學者的廣泛關注，并報道了一些相關成果，退著走有助于增強人體平衡、增強心血管系統(tǒng)功能、使健身者擁有更加強壯的肌肉骨骼系統(tǒng)[1-4]。YANG等[5]研究表明，腦卒中后患者不對稱的步態(tài)模式能夠通過退著走療法得到改善；HACKNEY等[6]研究證實，退著走對改善帕金森氏癥患者的功能靈活性、步態(tài)表現(xiàn)、平衡能力效果顯著；有學者[7]從動作控制觀點出發(fā)，將退著走作為正著走的逆運動，發(fā)現(xiàn)2種走模式下，髖、踝關節(jié)角運動規(guī)律非常相似但時相反轉；THORSTENSSON[8]研究認為，退著走與正著走肌肉活動模式（EMG）相關性較差；GRASSO等[7]通過肌電發(fā)現(xiàn)2種走方式的差別是推進源不同，正著走的推動力是靠踝關節(jié)跖屈肌產(chǎn)生，而退著走的推動力主要靠髖關節(jié)和膝關節(jié)伸肌提供。國內僅查到1篇關于退著走的研究報道，即趙煥彬[9]對老人退著走的足底壓力進行的測定，認為，退著走較正著走可以使足底各部位壓力分布均勻，并能鍛煉平衡控制能力及肌肉調節(jié)能力。

綜合國內外學者的相關研究，目前還無人能對有關2種走模式的生物力學機制進行全面分析，一些研究偏向于運動學模式比較，一些研究注重動力學、足底壓力的探索，更多的生理學領域專家將注意力集中于下肢肌群的肌電特征，并結合神經(jīng)控制論相關理論進行探討，極少有學者將3種研究方法結合起來進行綜合分析。本研究將運動學、動力學、肌電三者同步對2種走模式進行綜合比較，目的是揭示退著走的相關生物力學機制，并揭示其動力源，為今后在我國推廣這種健身模式提供重要的生物力學依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

來自西南大學16名男生自愿參與本次試驗，受試者年齡（22.34±1.46）歲，身高（174.42±5.36）cm，體重（68.21±4.95）kg。試驗前，所有受試者均無退著走的行走習慣，亦未接受有關退著走任何形式的訓練。

1.2 研究方法

運用運動學、動力學、肌電同步測試方法（見圖1）。（1）運動學參數(shù)測試。采用1臺JVC9 800高速攝像機，拍攝頻率為100幀/s，攝像機固定正對三維測力臺，距離測力臺約5 m，機高0.75 m。用于拍攝受試者從踏上測力臺至蹬離測力臺的整個過程。采用北京體育大學研發(fā)的視訊圖像解析系統(tǒng)對運動圖像進行解析以獲取相關運動學參數(shù)。

圖1 正著走與退著走實驗測現(xiàn)場圖Figure1 The experimental field about forward and backward walking

（2）動力學參數(shù)測試。國產(chǎn)JP6 060多維測力平臺用于監(jiān)測受試者踏上測力臺過程中腳對地面的三維力變化情況。測力臺采用埋入式安裝，其表面與跑道基本保持在同一水平面上，數(shù)據(jù)采樣頻率為800 Hz。

（3）肌電（EMG）參數(shù)測試。國產(chǎn)JE-TB0 810八通道無線表面肌電儀系于受試者腰帶上，用于監(jiān)測正著走與退著走過程中下肢主要肌群的肌電變化。受試者統(tǒng)一測右腿，監(jiān)測股直肌、股二頭肌、股內肌、股外肌、脛骨前肌、內側腓腸肌、外側腓腸肌和比目魚肌8塊肌肉。

（4）無線同步起動裝置。同步裝置是由連接多維測力平臺的觸發(fā)模塊的無線同步器和無線連接表面肌電儀的無線同步器以及發(fā)光的二極管組成。主試者觸發(fā)同步遙控器，多維測力臺和表面肌電儀同時啟動采集數(shù)據(jù)，二極管發(fā)光使攝像機與多維測力臺和表面肌電儀同步。

1.3 試驗程序

試驗前，每位受試者在裝有測力臺的實驗室跑道上進行正著走與退著走試走，目的是為了更好地適應試驗環(huán)境、熟悉試驗流程、體驗2種走模式。正式試驗時，每名受試者在跑道（10 m長）上赤腳完成正著走10次，退著走20次，每走5次受試者休息2 min。休息期間，試驗操作人員把表面肌電儀器存貯數(shù)據(jù)導出。試驗過程中，要求受試者“無視”測力臺存在，并以自己平時最舒服的走法完成試驗。

1.4 時相階段劃分與髖、膝、踝定義

本文將受試者踏上多維測力臺之前的右腳蹬離跑道瞬刻視為起始點，進入擺動階段，然后右腳踏上測力臺，直至其蹬離測力臺瞬刻為結束點，視之為一個完整的單步過程。整個單步過程右腿的活動分為擺動期和支撐期，支撐期內有第1雙支撐期、單支撐期、第2雙支撐期。雙支撐期是指左右雙腳未完全離開地面的時段，單支撐期是指只有右腿單獨與地面接觸的時段。擺動期是指左腿為支撐腿，右腿為擺動腿且右腿完全離開地面。第1雙支撐期是指右腿由擺動腿過渡為支撐腿、左腿由支撐腿過度向擺動腿，且左右腳均未完全離開地面的時段；單支撐期是指右腿為支撐腿，左腿為擺動腿，且左腳完全離開地面的時段；第2雙支撐期是指右腿由支撐腿過渡擺動腿，左腿由擺動腿過渡為支撐腿且左右腳均未完全離開地面的時段（見圖2）。

圖2 完整單步相對階段劃分圖Figure2 The time and phase division for a completed single step

髖、膝、踝角計算如下：髖角定義為髖、膝關節(jié)中心連線與人體垂直軸之間的夾角；膝角定義為膝、踝關節(jié)中心連線與人體垂直軸之間的夾角；踝角定義為踝關節(jié)中心與跖趾關節(jié)連線與水平軸之間的夾角。

1.5 數(shù)據(jù)獲取

1.5.1 有效試驗選擇 運用運動圖像解析軟件對所有受試者完成的圖像進行采集，通過慢放進行選擇。有效行走標準為：（1）右腳完全踏在多維測力平臺上；（2）正著走時遵循腳跟著地而腳趾離地者；（3）退著走符合腳趾著地而腳跟離地者。有1人的試驗數(shù)完全不符合有效數(shù)據(jù)納入標準而被剔除，余下15名受試者中，每人選正著走與退著走各2次有效數(shù)據(jù)進行分析。

1.5.2 采樣數(shù)據(jù)的標準化處理 因本次同步試驗測試過程中，運動學采樣100幀/s、測力臺采樣頻率為800幀/s、肌電采樣為1 000幀/s，而每位受試者正著走與退著走的速度不同，故單步時間亦不同。為了探討正著走與退著走的本質規(guī)律，必須對3類參數(shù)進行標準化處理。采用傳統(tǒng)標準化處理方法[10-12]，選擇受試者有效踏上測力臺的一個單步為標準，將該單步按0～100%進行標準化，從而實現(xiàn)對每個受試者不同走模式下一個完整單步參數(shù)，隨后對標準化數(shù)據(jù)進行疊加、求和及配對檢驗。

1.5.3 肌電數(shù)據(jù)的處理 原始肌電信號經(jīng)全波整流后，用低通濾波器進行平滑處理，從而獲得2種走模式下，每位受試者8塊肌肉肌電平滑后的原始數(shù)據(jù)值，分別對15位受試者的有效肌電值按不同肌肉在不同走模式下進行疊加，再對疊加后數(shù)據(jù)進行第2次平滑，以獲取每塊肌肉的肌電圖線性包絡圖。

采用傳統(tǒng)方法[12]確定肌電爆發(fā)和結束的時相以及各肌肉放電相對百分比，以便獲得更多的有關肌肉活動的信息。以股直肌為例，先測得受試者股直肌的最大等長收縮時的肌電值，經(jīng)平滑后以其最大值的20%定為股直肌肌肉爆發(fā)肌電時的閾值（即基線），據(jù)此標準確定隨后的正著走、退著走過程中，獲得股直肌肌電爆發(fā)時刻、放電持續(xù)時間及肌電結束時間。

1.5.4 統(tǒng)計學分析 本文利用spss13.0進行描述性分析、配對T檢驗、相關分析等，統(tǒng)計學顯著水平定為P=0.05。

2 結 果

2.1 重復測量結果

將入選的15名受試者正著走和退著走的各2次數(shù)據(jù)進行重復性檢驗，采用相關系數(shù)及變異度進行評價，其相關系數(shù)均大于0.78，變異系數(shù)在5%以內，且均達到顯著水平，可以認為，下文用于分析的正著走與退著走各項參數(shù)均具有較好的可信度。

2.2 運動學測試結果

2.2.1 步幅特征 與正著走相比，退著走的單支撐時間及擺動時長沒有顯著差異（Pgt;0.05）；退著走的步速（Plt;0.05）、步頻（Plt;0.05）呈顯著下降，跨步長變短，單步時間（Plt;0.05）、雙支撐時間（Plt;0.05）、第1雙支撐時間（Plt;0.05）顯著延長（見表1）。

2.2.2 角度變化特征 與正著走相比，退著走擺前踝關節(jié)最大跖曲角無差異（Pgt;0.05），而支撐中踝最大背屈角明顯增加（Plt;0.05），擺動中最大跖曲角顯著變?。≒lt;0.05），整個單步過程中，踝關節(jié)的運動范圍顯著變?。≒lt;0.05）。與正著走相比，退著走擺前最大屈膝角、擺動中最大屈膝角及整個單步膝角變化范圍都顯著變?。≒lt;0.05）；退著走腳跟蹬離時屈髖角無明顯差異（Pgt;0.05），但支撐期最大伸髖明顯?。≒lt;0.05），整個單步期，髖的變化范圍明顯小（見表1）。

2.2.3 時空特征 由于正著走模式是腳跟著地腳趾離地，而退著走是腳趾著地腳跟離地，若將退著走按時間反轉后觀察，那么2種走的著地模式就完全相同了。為了進一步看清2種模式的差異，本研究特將退著走時踝、膝、髖角位移及3關節(jié)力矩參數(shù)進行時相反轉，再與正著走在同一坐標系中作圖進行比較，而關節(jié)功率、三維力及肌電參數(shù)等圖像制作沒有進行時相反轉。

表1 正向走與退著走時空特征參數(shù)統(tǒng)計表（M±SD）Table1 The statistical table of spatial and temporal parameters about forward and backward running（M±SD）

（1）從單步整體看，時間反轉后的退著走與正著走相比，踝、膝、髖3關節(jié)角位移隨時間變化特征非常相似，只是單步周期內少數(shù)關鍵點存有顯著不同（見圖3至圖5）。

（2）踝關節(jié)的角位移變化特征：正著走擺動前期與退著蹬離后期踝背伸幾乎無差異；在正著走與退著走重疊的支撐區(qū)，正著走有最大跖曲，而退著走有最大背伸；正著走蹬伸期與退著走前擺期間踝關節(jié)最大跖曲沒有明顯差異；正著走踝關節(jié)活動范圍明顯大于退著走；退著走踝關節(jié)除了在著地處有短暫背伸外，整個支撐階段大部分時段處于跖屈狀況（見圖3）。

（3）膝角變化特征：正著走擺動期與退著走的蹬伸期，膝角變化狀態(tài)相同，但正著走的最大伸膝顯著高于退著走；正著走與退著走重疊的支撐區(qū)域，正著走著地時膝的屈曲狀況明顯大于退著走著地時屈膝狀況，整個公共區(qū)域正著走擁有比退著走更大的屈膝狀況；正著走蹬伸階段的最大屈膝顯著大于退著走前擺動階段屈膝狀況；正著走膝關節(jié)動作范圍明顯大于退著走膝關節(jié)范圍（見圖4）。

（4）髖角變化特征：正著走擺動期與退著走蹬伸期髖角變化趨勢一致，但正著走伸髖更為明顯；2種公共的重疊區(qū)表明，正著走腿著地時比退著走有更大的屈髖狀況；正著走蹬伸后期伸髖效果明顯不如退著走的擺動前期；正著走髖的活動范圍顯著高于退著走；退著走髖整個支撐階段大部分時期處于屈曲狀況，而在整個擺動期，髖處于伸展狀況（見圖5）。

2.3 動力學測試結果

3號受試者宋同學（運動訓練專業(yè)）正著走與退著走地面對人體三維反作用力隨時間變化規(guī)律見圖6、圖7，具有如下特點。

（1）2種走模式的垂直力曲線存有明顯差異，集中體現(xiàn)在著地緩沖（加載反應）及支撐蹬伸階段。正著走與退著走都展示出馬鞍線，然而正著走的2個峰值差異不是很大，而退著走2個峰值存有顯著差異。進一步比較發(fā)現(xiàn)，正著走的第1個峰值比退著走的第1峰值要顯著偏低，而正著走的第2峰值比退著走要顯著偏高。

（2）X軸方向代表前后受力，正著走著地緩沖階段產(chǎn)生阻力顯著小于同階段的退著走；正著走著地蹬伸階段產(chǎn)生的動力顯著高于同階段的退著走；正著走著地支撐蹬伸階段產(chǎn)生的動力明顯高于其緩沖階段產(chǎn)生的阻力。因此，正著走單步加速作用明顯，而退著走著地支撐緩沖階段產(chǎn)生的阻力明顯大于其蹬伸階段產(chǎn)生的動力，故其減速作用明顯。

（3）從Y軸方向可以看出2種走模式著地支撐過程人體的穩(wěn)定性，正著走人體處于單支撐過程中左右晃動較小，而退著走晃動明顯偏大，這充分說明正著走單步過程比退著走穩(wěn)定。

圖3 踝關節(jié)角隨時間變化曲線Figure3 The changing curves along with time of ankle joint angle

圖4 膝關節(jié)角隨時間變化曲線Figure4 The changing curves along with time of knee joint angle

圖5 髖關節(jié)角隨時間變化曲線Figure5 The changing curves along with time of hip joint angle

圖6 正著走三維圖隨時間變化曲線Figure6 The three dimensional force characteristics along with time of forward running

圖7 退著走三維圖隨時間變化曲線Figure7 The three dimensional force characteristics along with time of backward running

2.4 肌電測試結果

2.4.1 股直肌肌電特征 股直?。≧F）的主要功能是屈髖-伸膝。（1）2種走模式下，股直肌肌電存有較大差異，退著走時，股直肌幾乎在整個支撐階段處于激活狀況，而正著走只在第2雙支撐段處于激活狀況；（2）退著走的擺動前期，肌電活動由強變弱，隨即停止活動，直到擺動期結束，而正著走在擺動前期與退著走相似，隨即停止活動約10%個步態(tài)后，又迅速爆發(fā)肌電，并在擺動結束時達到較高激活狀況；（3）就2種模式下所測的4塊大腿?。ü芍奔?、股二頭肌、股外肌、股內?。┒裕芍奔∈俏ㄒ?塊退著走模式下激活放電量高于正著走的肌肉，特別在單支撐期、第2雙支撐期，無論是平均肌電、最大肌電，退著走都高于正著走（除第1雙支撐差異不明顯外）；（4）從肌肉激活的時值看，退著走肌肉激活時值明顯長于正著走（74.5%±3.6%對61.8%±2.8%，Plt;0.05）（見圖8a、表2）。

2.4.2 股二頭肌肌電特征 股二頭?。℉AM）的主要作用是屈膝和伸髖。（1）退著走的擺動前期，股二頭肌就被激活，而在擺動腿著地前約6%個步態(tài)時幾乎停止肌電活動，正著走在擺動前約12%個步態(tài)周期內并沒激活，隨即迅速爆發(fā)肌電直到擺動腿著地；（2）退著走在整個支撐階段，股二頭肌一直處于非激活狀況，而正著走在支撐階段的第1雙支撐期保持較高的肌肉激活狀況；（3）從單步支撐過程該肌放電總量來看，正著走明顯高于退著走，且肌肉活動時值正著走也明顯長于退著走（47.5%±7.2%對31.3%±4.6%，Plt;0.05）（見圖8b、表2）。

2.4.3 股外肌肌電特征 股外肌（VL）是股四頭肌的一部分，主要功能為純粹伸膝。（1）該肌在2種走模式下的擺動期肌電特征幾乎一致，都是在擺動前期被激活，隨即停止放電直到擺動結束，擺動期肌電均值無差異，但正著走時的肌電最大值要高于退著走（肌電最大值是（301±20）μv對（236±29）μv，Plt;0.05）；（2）退著走的第1雙支撐及單支撐期，VL幾乎處于非激活狀況（占約32%個步態(tài)），直到第2雙支撐前期才開始激活，正著走整個支撐階段，VL都處于活動狀態(tài)，特別在單支撐期及第2雙支撐期內均保持相當高的激活水平；（3）從單步過程該肌放電量看，正著走高于退著走；（4）從肌肉激活的時值看，正著走明顯長于退著走（73.5%±4.9%對52.5%±3.5%，Plt;0.05）（見圖8c、表2）。

2.4.4 股內肌肌電特征 2種走模式下，股內肌的肌電特征與股外肌的表現(xiàn)非常相似。（1）2種走情況下，擺動的早期階段，股內肌肌電活動規(guī)律相似，但活躍度差異明顯，無論是肌電均值還是最大值，正著走都明顯高于退著走；（2）退著走的第1雙支撐期，股內肌基本上不活動，而正著走在進入支撐階段約8%個步態(tài)期后迅速爆發(fā)肌電，直至整個支撐期結束；（3）從各支撐階段股內肌放電量看，在第2雙支撐期差異不明顯（（254±34）μv對（235±22）μv，Pgt;0.05），主要差異體現(xiàn)在第1雙支撐及單支撐期，正著走顯著高于退著走（（108±21）μv對（51±8）μv，Plt;0.05；（289±41）μv 對（210±23）μv，Plt;0.05）；（4）從肌肉激活的時值看，正著走激活時間明顯長于退著走（69.5%±6.3%對55.8%±4.6%，Plt;0.05）（見圖8d、表2）。

2.4.5 腓腸?。▋?、外）側肌電特征 腓腸肌在近固定情況下有屈踝、屈小腿之功能，而在遠固定的情況下，可對踝關節(jié)和膝關節(jié)進行加固，防止人體前傾，維持人體直立姿態(tài)之能力。（1）無論是正著走還是退著走，腓腸肌內、外側肌電活動規(guī)律趨于一致，但就活躍度而言，腓外側肌激活程度顯著高于內側??；（2）退著走時，腓腸肌外側肌電活動是所測8塊肌肉中肌電活動最強的一塊；（3）退著走模式下的擺動期，腓腸肌內、外側幾乎都不活動，而正著走模式下，腓腸肌內、外側在擺動初期均出現(xiàn)少許的激活時值；（4）正著走的整個支撐階段，腓腸肌內、外側表現(xiàn)相同的特征，都在第1雙支撐及單支撐期處于活動狀態(tài)，隨即失活約8%個步態(tài)周期，在進入第2雙支撐后期又突然爆發(fā)肌電，而退著走的整個支撐階段，腓腸肌內、外側都一直處于活動狀況，且在第2雙支撐期，其激活達到頂峰；（5）在整個單步周期中，無論是內側還是外側均表現(xiàn)出退著走模式下肌電活動顯著高于正著走；（6）從放電時值看，腓腸肌外側在2種走模式下差異不明顯（52.4%±6.3%對51.8%±5.5%，Pgt;0.05），而腓腸肌內側在正著走情況下放電時值略長（68.3%±5.7%對54.0%±4.2%，Plt;0.05）（見圖8e、圖8f、表3）。

2.4.6 脛骨前肌肌電特征 （1）正著走時，整個擺動階段，脛骨前肌的肌電活動都非?；钴S，在第1雙支撐及單支撐期，脛骨前肌幾乎失去活動，而在第2雙支撐期肌電活動又達到頂峰；（2）退著走時，除了擺動前期脛骨前肌不活動外（占10%個步態(tài)），在余下90%個步態(tài)周期內，脛骨前肌一直處于較強的激活狀況；（3）退著走的第1雙支撐及單支撐期，脛骨前肌的肌電活動大大高于正著走，而在第2雙支撐期，正著走的肌電活動明顯高于退著走；（4）在整個單步周期中，退著走模式下肌電活動顯著高于正著走；（5）退著走時，脛骨前肌的肌肉激活時值顯著高于正著走（92.5%±6.1%對55.2%±6.8%，P＜0.05）（見圖8g、表3）。

2.4.7 比目魚肌肌電特征 （1）正著走時，除了擺動初期，該肌有微弱的短暫活動外（占約8%個步態(tài)周期），整個擺動階段，比目魚肌并不活動，比目魚肌的肌肉激活主要體現(xiàn)在第1雙支撐和單支撐期，而到了第2雙支撐期，該肌又幾乎停止活動；（2）在整個單步周期中，退著走模式下肌電活動顯著高于正著走；（3）退著走時，整個步態(tài)周期內，比目魚肌一直處于激活狀態(tài)，特別在整個支撐期，該肌活動強度非常高，并在第2雙支撐期，肌電活動達到頂峰；（4）退著走時，比目魚肌的激活時值顯著高于正著走（95.2%±6.9%對57.6%±7.5%，Plt;0.05）（見圖8 h、表3）。

3 分析與討論

（1）從運動學觀點看。與正著走相比，退著走的步速、步頻下降，跨步長變短，單步時間、雙支撐時間、第1雙支撐時間顯著延長；支撐過程中，踝最大背屈角明顯增加，擺動中最大跖曲角變小，整個單步過程中，踝關節(jié)的運動范圍顯著變小；前擺開始最大屈膝角、擺動中最大屈膝角及整個單步膝角變化范圍都顯著變?。恢纹谧畲笊祗y角明顯縮小，腳跟蹬離時屈髖角及整個單步周期髖的變化范圍明顯縮?。?種走模式下，只有單支撐時間、擺動時長及擺前踝關節(jié)最大跖曲角沒有明顯差異。

圖8 單步周期內股直肌、肌二頭肌、股外肌、股內甩、腓腸肌內外側、脛骨前肌及比目魚肌共8塊肉肌電隨時間變化特征Figure8 The EMG characteristics along with time of single step cycle about the rectus femoris，biceps flexor cruris，vastus lateralis，vastus medialis，gastrocnemius medial，lateral gastrocnemius，tibialis anterior muscle and soleus muscle

2種走模式相關運動學參數(shù)的巨大差異，主要是因為退著走時，受試者看不到前進的方向（盲區(qū)），故在正常的自然步態(tài)下，退著走步速、步幅等出現(xiàn)明顯的下降，本研究所獲得的上述差異特征與先前相關研究成果基本類似[13-14]，但在某些方面卻有所不同。有學者認為[15]，退著走在腳趾觸地時，踝關節(jié)處于背伸狀態(tài)，而在隨后的整個支撐階段，踝關節(jié)一直跖屈，膝關節(jié)在整個支撐階段一直處于伸展狀態(tài)，在擺動期一直處于屈曲狀態(tài)，髖關節(jié)與膝關節(jié)恰好相反，在整個支撐階段處于屈曲狀態(tài)，而在擺動期處于伸展狀態(tài)。本研究發(fā)現(xiàn)，除了髖關節(jié)特征與該學者研究一致外，膝關節(jié)在整個支撐階段只在擺動的大多數(shù)時間內屈，踝關節(jié)在腳趾觸地后背伸，而在隨后的大部分支撐期跖屈。

從步態(tài)結構看，正著走與退著走的踝關節(jié)動作模式幾乎完全相反，退著走蹬離時以跟骨為杠桿支點，在支撐階段結束時通過背屈機制進行調解，而正著走是以腳趾跖骨關節(jié)為支點，通過跖屈機制進行調解。與正著走相比，退著走的髖關節(jié)動作模式變化不像踝關節(jié)那么突出，但還是存有一些細微的差異，如從腳趾碰地到最大緩沖結束，髖除有少許伸展外，整個退著走期間，髖關節(jié)后伸能力明顯不如正著走。令人驚奇的是，本研究將退著走髖、膝、踝關節(jié)角位移的時間軸反轉后，再與正著走在同一坐標系里畫圖比較，由于時間反轉后著地的模式相同（即都變成了腳跟著地、腳趾離地），結果發(fā)現(xiàn)，2種走模式下髖、膝、踝關節(jié)角位移隨時間變化非常相似。THORSTENSSON讓受試者以相同的速度進行正著走與退著走比較時發(fā)現(xiàn)，2種走存在類似的模式與變化范圍，因此推測，不同的關節(jié)運動模式并沒有引起端點動作的改變，并大膽推測人類行走時，大腿是作為一個單元（協(xié)調結構）被控制。本研究受試者正著走與退著走速度不同，單步時長不同，但所有受試者都按一個單步標準化后，結果獲得2種走模式下，正著走與反向后的退學走髖、膝、踝關節(jié)角位移的相似性，這進一步左證了THORSTENSSON的猜測，也符合HALBERTSMA的末端控制學說[16]。

表2 表面肌電測試參數(shù)特征統(tǒng)計表（一）/μvTable2 The statistic table of surface EMG parameters（No.1）/μv

表3 表面肌電測試參數(shù)特征統(tǒng)計表（二）/μvTable3 The statistic table of surface EMG parameters（No.2）/μv

（3）從動力學及肌電活動觀點看。正著走與退著走的垂直力曲線模式有所不同，在著地加載期，垂直力迅速增加以支持身體體重。在支撐中期，膝關節(jié)屈曲，測力板快速卸載，垂直力迅速下降至低于體重。本研究獲得垂直力的2個峰在正著走時大致對稱，這與先前研究類似[14]。退著走著地時體重引起的加載使第1峰值總是大于腳跟離地造成的第2峰值，即退著走期間，垂直力（GRF）第2峰值小于第1個峰值，這可能是因為退著走時，人體有后仰意識從而引起膝關節(jié)和髖關節(jié)上揚，這種動作對增加向后的驅動力是有益的，然而正著走垂直力曲線呈現(xiàn)的平臺段在退著走的前擺階段并末明顯看到。

退著走時，踝關節(jié)在著地緩沖加載響應期，它的主要功能是減速及吸收震蕩。本研究肌電測試顯示，腓腸肌內、外側和比目魚肌在這個階段非?；钴S，這些肌肉被激活（離心-向心收縮，即SSC收縮），便于踝關節(jié)減速并吸收功率。在支撐中期，踝關節(jié)跖屈以使軀干向后運動，此時應是產(chǎn)生退著走期間最大功率階段。正如格拉索等[8]的研究，退著走期間主要推力是由膝、髖關節(jié)伸肌提供。然而，本研究并不支持這種觀點，認為退著走期間，踝關節(jié)產(chǎn)生比膝和髖關節(jié)更多的功率，其理由是本研究所測支撐腿8塊肌肉中（大、小腿各4塊），大腿的4塊肌肉（股直肌、股二頭肌、股內肌及股外?。┰谡邥r，除了股直肌肌電活動量低于退著走外，其余3塊肌肉活動量均高于退著走；而所測4塊小腿肌中（腓腸肌內側、腓腸肌外側、脛骨前肌及比目魚肌），退著走時，4塊小腿肌肌電活動均顯著高于正著走。

膝關節(jié)處，退著走時，腳趾觸地初期，膝關節(jié)屈曲，從觸地后至支撐中期膝關節(jié)開始伸展，支撐結束時膝關節(jié)輕度屈曲以降低身體重心，這種模式一方面有利于對側足觸地，另一方面為身體后退時增加推進力作準備。肌肉肌電活動提供的信息也正好說明這個事實，即退著走從腳趾觸地到支撐期結束（見圖8a），股直肌被激活并一直持續(xù)至第2雙支撐期末，膝關節(jié)處于伸展狀態(tài)以確保身體重心不下降。

髖關節(jié)處，退著走整個步態(tài)周期中，該關節(jié)極少屈曲或伸展，在腳趾著地加載期，髖關節(jié)屈曲，此時有利于髖關節(jié)產(chǎn)生功率；在支撐末段（蹬伸結束時），髖的屈曲力矩轉化為伸力矩以確保退著走時軀干伸直（與地面垂直）；本研究所測得股二頭肌從擺動前期被迅速激活，其目就是使擺動期伸髖及防止擺動期膝關節(jié)伸展?；谶@些關節(jié)功及肌肉肌電變化特征，本研究認為，退著走時踝關節(jié)應是產(chǎn)生推進力和減小震蕩的重要關節(jié)，而正著走時，其推進力應主要由髖與膝承擔。

與正著走相比，退著走由于姿態(tài)不穩(wěn)定、缺乏前進的視覺反饋使之更難且要求更高，因而退著走對訓練人類大腦平衡功能非常有益。HACKNEY等[6]研究表明，由于帕金森病人的注意力方面不如正常人，因此，即使是一個簡單向后行走動作，其所表現(xiàn)出來的不對稱步態(tài)[17]是非常顯著的。本研究發(fā)現(xiàn)，關節(jié)角模式在正向走和時間反向的退著走之間的類似性，是否可以被解釋為神經(jīng)機制修改所致，從而可以推證退著走練習可修改神經(jīng)機制而有助于運動學習，這對受損的肌肉骨骼功能再教育是非常有益的。

從正常向前走改變?yōu)橄蚝笞邔^大多數(shù)人而言是相當容易的事情。然而，從控制的觀點，這卻提出了一個有趣的問題，肌肉的活動模式不得不發(fā)生變化以便產(chǎn)生大腿的反向運動及向后行走的驅動力。本研究發(fā)現(xiàn)，大腿不僅運動方向反向，而且在相反方向上沿著幾乎相同的路徑運動，顯然，這種反向運動是通過修改正常動作程序完成的，這些程序變化水平與下肢各關節(jié)運動密切相關。2種走模式下動作方向的反向性，理應引起肌肉活動周期出現(xiàn)較大幅度的時相轉移，遺憾的是，本研究并沒有證明這一點。被測8塊肌肉中，在擺動期只有4塊出現(xiàn)時相轉移，與正著走相比，退著走的脛骨前肌、腓內側肌、腓外側肌分別延遲約7%、14%、8%個步態(tài)周期，而股二頭肌則提前約15%個步態(tài)周期；在支撐階段，出現(xiàn)時相轉移的肌肉也有4塊，轉移幅度相對較大，與正著走相比，退著走時的股直肌、脛骨前肌分別提前約25%、45%個步態(tài)，而股外肌、股內肌則分別延遲約35%和28%個步態(tài)。盡管本研究這些數(shù)據(jù)與GRILLNER[15]預期值（50%時相轉移）相差較遠，但與布福德等[18]及THORSTENSSON等[8]的研究有相近之處。眾多學者都一致認為，2種走模式下，下肢相關肌肉激活模式的時相轉移應在恒定的范圍內，但由于各種原因目前對這個恒定范圍沒有形成共識，有關這方面研究有待于進一步探討。

4 結 論

（1）正著走與時相反轉后退著走的髖、膝、踝關節(jié)角位移特性非常相似，但2種走模式下的關節(jié)運動范圍表現(xiàn)為退著走顯著小于正著走；正常步態(tài)行走下，退著走在步速、步頻、跨步長等方面顯著短于正著走，單步時間、雙支撐時間、第1雙支撐時間則顯著變長；與正著走相比，退著走支撐過程中踝最大背屈角明顯增加，而擺動中最大跖屈角、擺前最大屈膝角、擺動中最大屈膝角、支撐期最大伸髖角及腳跟蹬離時屈髖角明顯縮小。

（2）肌電特征表明，正著走時，所測4塊大腿肌肉中，除股直肌肌電活動低于退著走外，其余3塊肌肉（股二頭肌、股內肌及股外肌活動）顯著高于退著走；4塊小腿肌中，退著走時，腓腸肌內側、腓腸肌外側、脛骨前肌及比目魚肌的肌電活動均顯著高于正著走。肌肉肌電活動表現(xiàn)形式進一步肯定了退著走時，踝關節(jié)是主要驅動源。

（3）試驗中，并未觀察到2種走模式下的動作反向性所引起的肌肉活動周期大幅度時相轉移。在出現(xiàn)的少數(shù)肌肉時相轉移中，前擺階段有4塊——脛骨前肌、腓內側肌、腓外側肌及股二頭肌，但轉移幅度在15%個步態(tài)周期內；支撐階段，出現(xiàn)時相轉移的肌肉也有4塊——股直肌、脛骨前肌、股外肌、股內肌，但轉移幅度均未能超出45%。

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Biomechanical Mechanism about Forward and Backward Walking

ZHANG Tingran，LUO Jiong，WANG Xiang，LAI Bin，SONG Jixiang，WU Zhaoqun
（School of PE，Southwest University，Chongqing 400715，China）

Objective：This study expects to reveal the relevant biomechanical mechanism of backward walking（BW）in order to provide the biomechanical basis for popularizing fitness model of BW.Methods：The kinematics，dynamics，EMG means have been used synchronously to obtain biomechanical parame?ters，and the hip，knee，ankle and foot joint torque and joint function were gained by inverse dynamics.Results：Compared with forward walking（FW），the subjects of BW have superior influence towards direction and show a decline significantly in speed and stride length of walking，and a increase significantly in single-step length，double support length and the first double support length.While the two related joint angular displacement show striking similarity during both model of walking.Ankle moment mode in FW and phase inversion BW also shows similarity surprisingly.However，knee，and hip joints moment mode are not so similar to ankle joint.Joint power of knee，ankle and hip have larger differences in both of walking and conclude the main driving force and shock absorption of BW coming from the ankle and knee，hip joint can produce hardly any push power.EMG data show.When the subjects were FW，EMG activity of rectus femoris was more inactive than the EMG activity when the subjects were BW.When the subjects were FW，EMG activity of biceps femoris，vastus medialis and vastus lateralis were more active than the EMG activity when the subjects were BW.When the subjects were FW，EMG activity of medial gastroc?nemius，lateral gastrocnemius，tibialis anterior and soleus were more actively than the EMG activity when the subjects were FW.EMG data further provide ev?idence for the power source of the ankle joint in BW.In FW，its power source is as mainly undertaken by the hip and knee joint.Conclusions：Practice of BW can modify the neural mechanisms and contribute to motor learning which is beneficial to the impaired musculoskeletal function re-education.Patella femoral joint endure lower reaction force from the ground during BW，therefore，BW is beneficial to the recover for injured patients overusing the lower extremity.

forward wolking；backward walking；biomechanics

G 804.6

A

1005-0000（2014）01-081-07

2013-09-12；

2013-12-23；錄用日期：2013-12-24

張庭然（1990-），男，山西晉中人，在讀碩士研究生，研究方向為全民健身和運動技術診斷；通信作者：羅 炯（1966-），男，湖南邵陽人，教授，研究方向為全民健身和運動技術診斷。

西南大學體育學院，重慶400715。