吳瓊，張通，叢芳，潘鈺，吳瑞斌，趙鐵軍

健康成人水中平板步行運(yùn)動(dòng)分析①

吳瓊1，張通2a,3，叢芳2b,3，潘鈺1，吳瑞斌4，趙鐵軍5

目的比較健康成人陸地步行及水中平板步行時(shí)步態(tài)參數(shù)及表面肌電圖特征。方法2015年1月至9月，分別在陸地及水中平板步行訓(xùn)練過(guò)程中，采用三維步態(tài)分析系統(tǒng)及表面肌電圖系統(tǒng)同步采集10名健康成人步行時(shí)空參數(shù)及表面肌電信號(hào)。結(jié)果與陸地步行相比，自感舒適速度下水中平板步行步態(tài)周期顯著增加(t=-11.411,P＜0.001)，步長(zhǎng)無(wú)顯著性差異(Z=-0.357,P＞0.05)，步行速度明顯降低(Z=-2.803,P＜0.01)，步頻顯著降低(t=7.421,P＜0.001)，擺動(dòng)相百分比增加(t=-5.252,P＜0.05)；水中平板步行過(guò)程中，股二頭肌、腓腸肌、脛前肌的平均肌電積分明顯低于陸地步行時(shí)(t＞3.984,P＜0.01)，但股直肌無(wú)顯著性差異(t=0.054,P＞0.05)。結(jié)論水中平板步行時(shí)，步態(tài)及肌肉收縮強(qiáng)度與陸地步行均有所差異，其運(yùn)動(dòng)生理及神經(jīng)控制機(jī)制需要進(jìn)一步研究。

水中平板步行訓(xùn)練；步態(tài)；表面肌電圖

[本文著錄格式] 吳瓊，張通，叢芳，等.健康成人水中平板步行運(yùn)動(dòng)分析[J].中國(guó)康復(fù)理論與實(shí)踐,2017,23(1):63-67.

CITED AS:Wu Q,Zhang T,Cong F,et al.Gait and surface electromyogram characteristics in underwater treadmill training[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2017,23(1):63-67.

近年來(lái)，水中運(yùn)動(dòng)研究日益受到關(guān)注。水中環(huán)境通過(guò)浮力、阻力和靜水壓對(duì)人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響[1]。水中平板步行訓(xùn)練(underwater treadmill training,UWTT)是利用水及活動(dòng)平板的特性，促進(jìn)下肢功能恢復(fù)的訓(xùn)練方法，其作用機(jī)制與減重步行訓(xùn)練既有相似之處，又各具特點(diǎn)[2]。由于水中環(huán)境的特殊性、復(fù)雜性，既往研究對(duì)UWTT對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的影響只能通過(guò)比較干預(yù)前后陸地運(yùn)動(dòng)指標(biāo)的變化進(jìn)行推測(cè)，客觀程度及研究深度普遍不高[3-6]。本研究采用水下動(dòng)態(tài)表面肌電圖(surface electromyography,sEMG)結(jié)果步態(tài)參數(shù)進(jìn)行綜合研究，探究UWTT的人體運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本試驗(yàn)于2015年1月至9月在中國(guó)康復(fù)研究中心北京博愛(ài)醫(yī)院理療科水療室完成。

招募首都醫(yī)科大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院教職員工作為受試者。納入標(biāo)準(zhǔn)：①健康成人，年齡18～65歲，體質(zhì)量指數(shù)(body mass index,BMI)18.5～23.9 kg/m2；②下肢和足部各關(guān)節(jié)活動(dòng)正常；③受試前2 h未進(jìn)行過(guò)劇烈運(yùn)動(dòng)。

排除標(biāo)準(zhǔn)：①患有或既往有可能影響步態(tài)的中樞或周圍神經(jīng)系統(tǒng)疾病、下肢及足部骨關(guān)節(jié)疾?。虎谛睦砗途癞惓?。

最終納入10名受試者。一般資料見(jiàn)表1。

表1 受試者基本信息

1.2 數(shù)據(jù)采集

1.2.1 試驗(yàn)儀器及設(shè)備

應(yīng)用HLKF-RehaGait無(wú)線慣性式三維步態(tài)分析系統(tǒng)(青島海藍(lán)公司)評(píng)估受試者步態(tài)的時(shí)空參數(shù)。分別將7個(gè)內(nèi)含加速度計(jì)和陀螺儀等慣性測(cè)量模塊和高性能嵌入式微處理器DSP數(shù)據(jù)采集處理模塊的傳感器，固定在受試者骶骨、雙股骨中段前側(cè)、雙脛骨近端內(nèi)側(cè)和雙足背處，采集患者骨盆、髖、膝、踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

采用HLKF-sEMG表面肌電圖采集系統(tǒng)(青島海藍(lán)公司)記錄受試者步行時(shí)雙側(cè)股直肌、脛骨前肌、腓腸肌外側(cè)、股二頭肌肌電信號(hào)變化。肌電信號(hào)采集頻率1000 Hz。肌電系統(tǒng)內(nèi)置8通道。

兩系統(tǒng)信號(hào)采集范圍均為50 m，系統(tǒng)間通過(guò)GaitWatch軟件連接，做到步態(tài)與肌電數(shù)據(jù)同步采集。

1.2.2 陸地步行數(shù)據(jù)

受試者暴露雙下肢，室溫25℃左右。將步態(tài)傳感器粘貼于相應(yīng)位置。sEMG傳感器貼放前行皮膚處理：刮除汗毛，用砂紙清除皮膚角質(zhì)，75%酒精擦拭消除皮膚表面油脂。以每塊肌肉肌腹最高點(diǎn)為中心，順著肌纖維走向貼置[7]。

安放好傳感器后，受試者適應(yīng)3～5 min，以自感舒適的步行速度沿直線行走，記錄時(shí)間1 min。

1.2.3 UWTT步行數(shù)據(jù)采集

使用10×15 cm醫(yī)用防水敷料(3M公司)覆蓋于步態(tài)、肌電圖傳感器安放點(diǎn)表面，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)傳送器進(jìn)行防水處理。受試者穿上定制的全身連體乳膠服。

受試者做好防水處理后，進(jìn)入HM-200T型Aqua mill水中步行運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)(日本酒井醫(yī)療株式會(huì)社)，根據(jù)受試者身高，調(diào)節(jié)水位至劍突水平，水溫30～33℃。受試者以自感舒適速度步行，適應(yīng)3～5 min后開(kāi)始記錄，記錄時(shí)間至少1 min。

同一受試者陸地測(cè)試與UWTT測(cè)試之間至少間隔30 min。

1.3 數(shù)據(jù)處理

步態(tài)參數(shù)由HLKF-RehaGait無(wú)線慣性式三維步態(tài)分析系統(tǒng)自動(dòng)得出詳細(xì)報(bào)告。從步態(tài)及肌電分析測(cè)試系統(tǒng)導(dǎo)出原始數(shù)據(jù)，導(dǎo)入Matlab 7.0軟件進(jìn)行歸一化，經(jīng)過(guò)降噪、平滑、濾波、抽樣、采集、疊加、繪圖等步驟，得到一個(gè)步態(tài)周期中被測(cè)試肌肉主要運(yùn)動(dòng)信號(hào)特征，計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)。

1.4 主要觀察指標(biāo)

觀察兩種環(huán)境下受試者步態(tài)周期時(shí)間、步長(zhǎng)、步速、步頻、擺動(dòng)相百分比、原始肌電信號(hào)、被測(cè)肌肉的積分肌電值(integral electromyography,iEMG)。

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用SPSS 20.0軟件對(duì)兩種環(huán)境下所得表面肌電及步態(tài)各參數(shù)進(jìn)行分析。符合正態(tài)分布者采用配對(duì)t檢驗(yàn)，否則采用秩和檢驗(yàn)。顯著性水平α=0.05。

2 結(jié)果

2.1 步態(tài)

與陸地步行相比，自感舒適速度下UWTT步態(tài)周期顯著增加(P＜0.001)，步長(zhǎng)無(wú)顯著性差異(P＞0.05)，步行速度明顯降低(P＜0.01)，邁步頻率顯著降低(P＜0.001)，擺動(dòng)相百分比增加(P＜0.05)。見(jiàn)表2。

2.2 肌電圖

無(wú)論陸地或UWTT下，股直肌、股二頭肌、脛前肌、腓腸肌外側(cè)的肌電活動(dòng)均隨步態(tài)周期呈活動(dòng)與靜止周期性變化。見(jiàn)圖1。

原始肌電圖按步態(tài)周期進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，UWTT步態(tài)周期中，下肢肌肉肌電峰值、高峰出現(xiàn)時(shí)間及持續(xù)時(shí)間與陸地步行時(shí)有所不同。見(jiàn)圖2。

與陸地步行相比，自感舒適速度下股二頭肌、腓腸肌、脛前肌的iEMG明顯低于陸地步行(P＜0.01)，

表2 受試者陸地及UWTT主要步態(tài)參數(shù)比較(n=10)

表3 受試者陸地及UWTT iEMG比較(n=10,μV·s)

圖1 第8號(hào)受試者原始肌電圖

圖2 第8號(hào)受試者步態(tài)周期標(biāo)準(zhǔn)化原始肌電圖

3 討論

與陸地環(huán)境相比，水中環(huán)境具有浮力、阻力、靜水壓等特性。這些特性導(dǎo)致水中運(yùn)動(dòng)能在運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度較高的情況下，不增加下肢關(guān)節(jié)的壓力及地面沖擊力。因此，水中運(yùn)動(dòng)適用于因腦卒中、脊髓損傷、腦性癱瘓、下肢骨關(guān)節(jié)疾病、骨折術(shù)后、運(yùn)動(dòng)損傷等疾病導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)功能障礙患者[8-14]。對(duì)因肥胖、糖尿病、年齡導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)能力下降者也有顯著效果[15-17]。

隨著水療技術(shù)的發(fā)展，UWTT作為一種任務(wù)特異性訓(xùn)練，在改善運(yùn)動(dòng)功能方面效果尤為顯著。但受水中環(huán)境的限制，有關(guān)UWTT生理機(jī)制和治療原理長(zhǎng)期以來(lái)未能深入進(jìn)行。近年來(lái)，隨著電子及信息技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種體積小、精度高的便攜式康復(fù)評(píng)價(jià)產(chǎn)品，其中無(wú)線三維動(dòng)作采集分析系統(tǒng)和無(wú)線sEMG采集系統(tǒng)的出現(xiàn)為水中運(yùn)動(dòng)研究提供了可能[18]。結(jié)合步態(tài)參數(shù)和表面肌電圖，分析UWTT運(yùn)動(dòng)，具有同步、準(zhǔn)確、全面的優(yōu)點(diǎn)，不僅能發(fā)現(xiàn)UWTT運(yùn)動(dòng)模式的特點(diǎn)，還可以客觀評(píng)價(jià)UWTT在人體運(yùn)動(dòng)生理方面的影響。

本研究對(duì)10名健康受試者陸地及UWTT步行運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集，獲得其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中步態(tài)參數(shù)、表面肌電圖參數(shù)，發(fā)現(xiàn)UWTT在步態(tài)時(shí)空參數(shù)及肌肉收縮強(qiáng)度方面，與陸地步行相比差異顯著。

步態(tài)特征是每個(gè)個(gè)體的獨(dú)特標(biāo)志[19]。個(gè)體根據(jù)身高、腿長(zhǎng)、重心位置，會(huì)自發(fā)產(chǎn)生相對(duì)固定的最適宜步長(zhǎng)。我們推測(cè)在自感舒適速度的前提下，無(wú)論陸地還是水中，步長(zhǎng)仍保持在特定范圍內(nèi)。由于水的黏滯性，水中前進(jìn)速度較慢，在步長(zhǎng)基本不變的前提下，人體采取增加擺動(dòng)比例、降低邁步頻率的步行模式。

sEMG是定量分析肌肉活動(dòng)的有力工具。iEMG是對(duì)所測(cè)得原始肌電信號(hào)進(jìn)行整流、平滑后，單位時(shí)間內(nèi)曲線下面積的總和，可以反映肌電信號(hào)隨時(shí)間的強(qiáng)弱，其高低反映運(yùn)動(dòng)時(shí)參與肌肉收縮的肌纖維數(shù)目多少和每個(gè)運(yùn)動(dòng)單位的放電大小。肌肉收縮時(shí)，肌電積分與肌力之間存在正相關(guān)關(guān)系[7]。本研究設(shè)定UWTT水位平劍突水平，此時(shí)下肢負(fù)荷量為陸地步行時(shí)的30%[20-21]。股二頭肌、脛前肌、腓腸肌iEMG均較陸地步行時(shí)降低。這些肌肉的肌電活動(dòng)與負(fù)荷變化有關(guān)。股直肌iEMG與陸地步行差異不大，推測(cè)步行過(guò)程中股直肌作為非抗重力肌，重力負(fù)荷的減輕并不能降低對(duì)股直肌的做功要求。步行過(guò)程中，股直肌主要執(zhí)行擺動(dòng)相的伸膝動(dòng)作，在水的阻力作用下，更高的做功要求彌補(bǔ)了減負(fù)效果，故未表現(xiàn)出明顯差異。腓腸肌作為步行運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿。赨WTT過(guò)程中需要對(duì)抗水平方向阻力，iEMG理應(yīng)升高，但本研究中卻表現(xiàn)為相對(duì)較低的活動(dòng)水平。同時(shí)，我們?cè)趯?duì)受試者一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)原始肌電圖進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，UWTT過(guò)程中，下肢肌肉肌電峰值、高峰出現(xiàn)時(shí)間及持續(xù)時(shí)間與陸地步行時(shí)有所不同。我們推測(cè)，在UWTT過(guò)程中，由于浮力的減重作用，下肢肌肉只需較少做功便能維持步行運(yùn)動(dòng)，但做功時(shí)間會(huì)相對(duì)延長(zhǎng)。同時(shí)UWTT運(yùn)動(dòng)還需對(duì)抗與運(yùn)動(dòng)方向相反的阻力作用。因此邁步運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿?，如腓腸肌，需要提前募集部分肌纖維對(duì)抗阻力。不同環(huán)境對(duì)下肢肌電活動(dòng)模式、神經(jīng)反射以及高級(jí)皮質(zhì)的影響尚需進(jìn)一步研究。

綜上所述，UWTT與陸地步行相比，在自感舒適速度的前提下，人體采取慢速、低頻、擺動(dòng)增加、邁步頻率降低的步行模式。在此過(guò)程中，股二頭肌、脛前肌、腓腸肌肌電活動(dòng)較陸地步行明顯降低，但股直肌活動(dòng)變化不大。下肢肌肉的活動(dòng)不僅與直接做功強(qiáng)度有關(guān)，還可能受整體運(yùn)動(dòng)模式所調(diào)控。

本研究存在一些不足。樣本量較??；雖然預(yù)實(shí)驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)穿戴連體乳膠服對(duì)受試者步態(tài)及sEMG信號(hào)的影響，但仍不能排除；本研究觀察的指標(biāo)較為簡(jiǎn)單，步態(tài)參數(shù)與肌電信號(hào)相關(guān)性方面未做深入研究。下一步我們將在此基礎(chǔ)上擴(kuò)大樣本量，并進(jìn)行水中關(guān)節(jié)角度、動(dòng)量分析與表面肌電相關(guān)性的研究，以及各種運(yùn)動(dòng)障礙患者水中運(yùn)動(dòng)模式研究。

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Gait and Surface Electromyogram Characteristics in Underwater Treadmill Training

WU Qiong1,ZHANG Tong2a,3,CONG Fang2b,3,PAN Yu1,WU Rui-bin4,ZHAO Tie-jun5
1.Department of Physical Medicine and Rehabilitation,Beijing Tsinghua Changgung Hospital,Tsinghua University,Beijing 102218,China;2.a.Department of Neurology;b.Department of Modality Therapy,Beijing Bo'ai Hospital, China Rehabilitation Research Centre,Beijing 100068,China;3.Capital Medical University School of Rehabilitation Medicine,Beijing 100068,China;4.No.1 Institute of China Aerospace Science and Technology Corporation,Beijing 100076,China;5.Qingdao Hailan Rehabilitation Equipment Co.Ltd.,Qingdao,Shandong 266100,China

ZHANG Tong.E-mail:ZT61611@sohu.com

ObjectiveTo explore the characteristics of gait and surface electromyography(sEMG)of underwater treadmill training (UWTT).MethodsFrom January to September,2015,gait and sEMG parameters of ten healthy adults were synchronously collected using three-dimensional gait analysis system and sEMG systems on land and UWTT.ResultsWhen walking in self comfortable speed,compared with walk on land,there was significant increase in gait cycle(t=-11.411,P＜0.001)and percentage of the swing phase(t=-5.252,P＜0.05), significant reduction in walking speed(Z=-2.803,P＜0.01)and step frequency(t=7.421,P＜0.001).There was no significant difference in step strength(Z=-0.357,P＞0.05).The integral electromyography of biceps femoris,gastrocnemius,tibialis anterior muscle were significant less than iEMG on land(t＞3.984,P＜0.01),but no significant difference of rectus femoris(t=0.054,P＞0.05).ConclusionThere are significant differences in gait and muscle contraction intensity between land walking and UWTT.The dynamic physiology and neural control of UWTT need further study.

underwater treadmill training;gait;surface electromyography

10.3969/j.issn.1006-9771.2017.01.015

R493

A

1006-9771(2017)01-0063-05

2016-08-30

2016-11-14)

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(No.2015CZ-39)。

1.清華大學(xué)附屬北京清華長(zhǎng)庚醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，北京市102218；2.中國(guó)康復(fù)研究中心北京博愛(ài)醫(yī)院，a.神經(jīng)康復(fù)科；b.理療科，北京市100068；3.首都醫(yī)科大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，北京市100068；4.中國(guó)航天科技集團(tuán)第一研究院，北京市100076；5.青島海藍(lán)康復(fù)器械有限公司，山東青島市266100。作者簡(jiǎn)介：吳瓊(1982-)，女，滿族，山西晉中市人，碩士，醫(yī)師，主要研究方向：康復(fù)醫(yī)學(xué)與理療學(xué)。通訊作者：張通。E-mail:ZT61611@sohu.com。