劉麗新 孟歡歡 王迎霞 趙煥彬

河北師范大學體育學院（河北石家莊050024）

《中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展狀況統(tǒng)計報告》[1]顯示，截至2017年12月，我國手機網(wǎng)民規(guī)模達7.53 億，其中20～29 歲年齡段的網(wǎng)民占比最高，達30.0%。手機為我們提供便利的同時也帶來了一些負面影響。長時間凝視手機可能會導致脊柱姿勢[2]、頸部[3]、上背部及肩膀部[4]疼痛等慢性肌肉骨骼問題，同時也會對步態(tài)產(chǎn)生影響。步行是人體進行生產(chǎn)與勞動最基本的運動方式，既簡單又復雜，涉及到多個環(huán)節(jié)，包括神經(jīng)、肌肉、骨骼、關(guān)節(jié)、足及趾等在多周期進行協(xié)調(diào)控制[5-6]。步行時足底與支撐面之間壓力分布的軌跡反映了下肢乃至全身的生理、結(jié)構(gòu)和功能等方面的信息，步行姿勢的變化會對整個身體系統(tǒng)產(chǎn)生影響。凝視手機對手臂[7]和頸肩[8]肌群的影響已經(jīng)得到廣泛研究，得出的結(jié)論主要包括：操作手機時上肢的肌肉活動量較操作電腦時大，頸部和手肘前彎曲度明顯。頸椎屈曲角度影響右上斜方肌、左上斜方肌的肌肉疲勞程度。盡管走路時凝視手機是非常危險的，但只有少數(shù)學者對下肢步態(tài)與肌肉活動情況進行研究。這些研究主要針對運動學步態(tài)參數(shù)[9]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與正常步態(tài)相比，發(fā)短信時會增加每條腿站立時間，也就是減少擺動時間，步態(tài)速度顯著下降。

關(guān)于凝視手機對下肢肌群和步態(tài)影響的研究較少，結(jié)果尚不明確。因此，本研究通過足底壓力和表面肌電測量系統(tǒng)對正常人自然行走和凝視手機行走時足底壓力和下肢主要表面肌群的變化進行數(shù)據(jù)采集，探討步行時凝視手機對下肢肌肉做功和步態(tài)的影響，為相關(guān)研究提供理論依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 研究對象

本研究招募健康青年女大學生志愿者20名，年齡20～29 歲，無足部外傷史、足踝關(guān)節(jié)活動范圍正常，無上、下肢骨骼肌肉系統(tǒng)運動障礙。所有受試者測試前72 小時內(nèi)無劇烈運動，了解實驗?zāi)康那易栽竻⒓印Ｓ捎趥€別受試者未能通過篩選（足部畸形、扁平足、高足弓等）或未能完成整個階段的測試，導致部分數(shù)據(jù)缺失。本研究最終確定16名受試者，年齡23.5 ± 1.0歲，身高165.1 ± 1.1 cm，體重57.6 ± 2.2 kg。

1.2 實驗設(shè)計

1.2.1 測試儀器

使用意大利BTSFREEEMG 300 無線表面肌電信號記錄儀對受試者下肢主要肌群進行表面肌電信號采集與分析，采用雙電極采集方式，電極中心的間距為2 cm，采集頻率為1000 Hz，濾波范圍50～500 Hz。

使用比利時RSscan公司生產(chǎn)的Footscan 高頻足底壓力測試系統(tǒng)對受試者完成兩種不同步行任務(wù)時的足底壓力變化進行數(shù)據(jù)采集，該測試系統(tǒng)由壓力分布平板、數(shù)據(jù)采集盒、步態(tài)測試分析軟件、專用數(shù)據(jù)線、專用跑道組成。測試頻率為500 Hz，傳感器厚度2.2 mm，傳感器密度4 個/cm2，引出厚度1.5 mm，壓力范圍1～60 N/cm2，一致性為±25 g。

1.2.2 測試肌肉的選擇

根據(jù)以往[10-12]對步態(tài)的研究和運動解剖學、運動生物力學，選取右下肢股直肌、股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌、脛骨前肌、臀大肌、股二頭肌長頭、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭和腓腸肌外側(cè)頭共8塊肌肉。

1.2.3 測試的動作內(nèi)容及要求

所有受試者分別完成正常狀態(tài)（正常組）和凝視手機（手機組）行走時足底壓力和表面肌電的測試，受試者脫鞋襪以自然狀態(tài)在測試跑道上行走，每組均進行3次[13]有效測試，每次測試間隔1 min，正常組與手機組之間間隔3 min。每次測試要求踏在測試板上一個完整步幅，至少完成5 個步幅行走。正常組要求受試者按照日常步行習慣[14]完成測試；正常組測試結(jié)束后，進行手機組測試，要求受試者使用智能手機完成特定文本編輯任務(wù)（工作人員隨機選擇設(shè)計好的題目，受試者在手機上編輯答案）的同時，在測試跑道上行走。

1.2.4 測試流程

首先對受試者進行身高、體重等的測量并記錄受試者基本信息。調(diào)整并校準實驗所用設(shè)備，同時準備75%的酒精、脫脂棉、電極片、刀片、醫(yī)用膠帶。

安放電極：要求受試者換上短褲方便肌電測試，按照SENIAM[15]提出的解剖學標志標準，正確選擇電極的安放點。按照Fridlund[16]等提出的方法對體毛和皮膚進行處理，安放電極片時注意電極之間的距離在2～3 cm，電極走向與所測肌肉肌纖維走向保持一致。

測試：依據(jù)實驗設(shè)計有序進行，受試者在足底壓力板上進行兩種狀態(tài)下的行走，并用無線表面肌電測試儀進行雙下肢各肌肉表面肌電的采集。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

足底壓力數(shù)據(jù)的分析使用配套軟件Footscan7.0，分析過程將整足分為10 個區(qū)域[17-19]（圖1），第1 趾骨（Toe1，T1）、第2～5趾骨（Toes2～5，T2～5）、第1跖骨（Meta1，M1）、第2跖骨（Meta2，M2）、第3跖骨（Meta3，M3）、第4 跖骨（Meta4，M4）、第5 跖骨（Meta5，M5）、足弓（Midfoot，MF）、足跟內(nèi)側(cè)（Heel Medial，HM）和足跟外側(cè)（Heel Ledial，HL）。該分析軟件將一個步態(tài)周期中的支撐相分為著地階段（initial contact phase，ICP）、前掌接觸階段（forefoot contact phase，F(xiàn)FCP）、整足接觸階段（foot flat phase，F(xiàn)FP）、離地階段（forefoot push off phase，F(xiàn)FPOP）4個階段[22-23]。對采集的足底壓力數(shù)據(jù)進行壓力中心移動曲線計算等操作，主要觀測指標：步長、跨步長、步寬、壓力峰值、接觸面積、沖量、時相。足底壓力數(shù)據(jù)為3 次測試的平均值，作為一個樣本進行統(tǒng)計學分析。

圖1 足底分區(qū)

肌電數(shù)據(jù)分析采用配套軟件BTSEMGAnalyzer，將采集后的原始肌電信號經(jīng)過帶通濾波（截止頻率50～500 Hz）和全波整流得到處理后的肌電圖，依據(jù)肌電采集同步視頻劃分步態(tài)周期時相（圖2），計算所測8塊肌肉在正常行走和凝視手機行走時各步態(tài)周期不同時相對應(yīng)的均方根振幅（RMS）。RMS是表面肌電信號分析時域分析中較常用的指標，主要反映了肌肉的活性，也就是肌肉參與運動的程度。步態(tài)周期主要分為兩個階段——支撐相和擺動相[24]，每個步態(tài)周期均包括8個功能模式（為了截取下肢各肌肉在行走過程中不同時相的肌肉活動RMS 值，本研究將初始著地與承重反應(yīng)期合并成一個時期，即支撐相初期）。表面肌電數(shù)據(jù)為選取5個步幅中的3個中間值，這3個值均作為一個獨立樣本進行統(tǒng)計學分析。

圖2 步態(tài)周期的時相、階段、功能分期

為避免電極粘貼的方法、位置以及附近肌肉的串擾和皮下脂肪厚度等對肌電信號幅度的影響，對每塊肌肉所測的肌電信號幅度使用最大值歸一化法（maximum value，MV）[20]進行標準化處理。具體方法為：在每位受試者一次測試中（電極片粘貼位置未發(fā)生變化情況下），找出該次測試每塊肌肉在所有動作周期中RMS 的最大值，以該最大值作為該受試者每塊肌群此次測試標準化的基準值，計算公式如下：

1.3 統(tǒng)計學分析

運用SPSS20.0 軟件對數(shù)據(jù)進行描述統(tǒng)計，基線數(shù)據(jù)經(jīng)統(tǒng)計分析符合正態(tài)分布，采用配對樣本t檢驗對正常狀態(tài)（正常組）和凝視手機（手機組）各測試指標進行比較分析，以平均數(shù)± 標準差表示數(shù)據(jù)結(jié)果。P＜0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 正常行走與凝視手機行走距離參數(shù)比較

由表1 可知，與正常組相比，手機組左、右步長均減?。≒＜0.05）；手機組步寬小于正常組步寬（P＜0.01），表明行走時凝視手機步寬減小，穩(wěn)定性變差。正常組跨步長與手機組跨步長相比差異沒有統(tǒng)計學意義。

表1 兩組步長、跨步長、步寬比較（n=16，cm）

2.2 正常行走與凝視手機行走足底各區(qū)域壓力峰值、接觸面積比較

由表2 可知，手機組的左、右側(cè)足底M3、M4 和HL區(qū)域的壓力峰值大于正常組（P＜0.05）。表3顯示，手機組的左、右側(cè)足底M3、M4 和HL 區(qū)域的接觸面積大于正常組（P＜0.05）。

表2 兩組足底各區(qū)域壓力峰值比較（n=16，N）

表3 兩組足底各區(qū)域接觸面積比較（n=16，%）

2.3 正常行走與凝視手機行走足底各區(qū)域沖量比較

由表4 可知，正常組自然行走時足底所受沖量最大的部位是M3、M2、M4，其余各部所受沖量大小依次為HM、M5、HL、MF、T1、M1 和T2～5。手機組足底所受沖量最大的部位是M3、M2、M4，其余各部所受沖量大小依次為HL、HM、M1、M5、T1、MF、T2～5。左右足分布規(guī)律大致相同。手機組M1 沖量高于正常組（P＜0.05，P＜0.01），M3、M2沖量高于正常組（P＜0.01）。

表4 兩組足底各區(qū)域單位面積沖量比較（n=16，N·s/cm）

（續(xù)表4）

2.4 正常行走與凝視手機足著地過程時相比較

由表5 可知，手機組支撐相ICP、FFCP、FFP 和FFPOP 時間均高于正常組，其中FFP 高于正常組（P＜0.01），F(xiàn)FCP高于正常組（P＜0.05）。

由表6 可知，手機組行走時FFPOP 所占支撐相的百分比小于正常組，ICP、FFCP 以及FFP 均大于正常組。手機組FFP、FFCP 所占支撐期百分比高于正常組（P＜0.05，P＜0.01）。

表5 兩組足著地過程時相比較（n=16，ms）

表6 兩組足著地過程階段占支撐相的百分比比較（n=16，%）

2.5 正常行走與凝視手機行走下肢RMS比較

表7、表8顯示，在整個步態(tài)周期各時相中，手機組股直肌的RMS 均低于正常組（P＜0.01）。與正常組相比，在支撐相初期、擺動相前期及整個擺動相，手機組脛骨前肌的RMS均低于正常組（P＜0.05）。與正常組相比，手機組在擺動相中期和擺動相末期，股二頭肌長頭的RMS 均低于正常組（P＜0.05）。與正常組相比，手機組在擺動相前期和擺動相早期，股內(nèi)側(cè)肌RMS 均大于正常組（P＜0.01）。在擺動相前期和擺動相早期，腓腸肌內(nèi)側(cè)頭RMS高于正常組（P＜0.01）。手機組在支撐相初期、支撐相中期、支撐相末期和擺動相早期，腓腸肌外側(cè)頭RMS 均小于正常組（P＜0.05，P＜0.01）。手機組臀大肌RMS在擺動相早期大于正常組（P＜0.05）。

表7 兩組下肢肌群支撐相RMS比較（n=16）

（續(xù)表7）

表8 兩組受試者下肢肌群擺動相RMS比較（n=16）

3 討論

在人們的日常生活中，行走時使用智能手機是非常普遍的現(xiàn)象，人們往往忽視了走路時的任務(wù)，而是過多甚至全身心地投入到其他任務(wù)當中如手機的使用。有研究表明，無論健康人還是老年人，在執(zhí)行認知任務(wù)時，都降低了其步行速度，提高了步態(tài)可變性，增加了摔倒風險[27-28]。

3.1 足底壓力分析

行走時左右足跟（或趾尖）著地點間的縱向直線距離稱為步長，左腳向前邁一步為左步長，右腳向前邁一步為右步長。而同側(cè)足跟（或趾尖）兩次著地間的距離稱為跨步長，又叫步幅。左右兩足間的橫向距離為步寬。步寬是反映步態(tài)穩(wěn)定性的指標之一，步寬越窄則說明步態(tài)的穩(wěn)定性越差。本研究結(jié)果顯示，手機組步長、步寬、步幅小于正常組，表明行走時凝視手機使步長、步寬、跨步長減小，穩(wěn)定性變差。正如England等[29]研究指出，步速降低和步幅縮小是水平路面行走時謹慎步態(tài)的特征。手機組左右足跨步長均小于正常組，說明凝視手機行走與正常行走相比步幅減小。Demura等[21]研究也證實邊行走邊使用手機電子郵件功能時，跨步長減少。凝視手機行走步長和步寬明顯小于正常自然行走狀態(tài)，凝視手機行走表現(xiàn)出了更為謹慎的步態(tài)。

壓力是通過腳與支撐表面接觸，使用離散傳感器或多個傳感器的矩陣來測量作用在每個傳感器上的力。通過將測量的力除以傳感器或傳感器誘發(fā)的已知區(qū)域來確定壓力的大小。在每個步態(tài)周期中，首先是足跟著地，足部逐漸放平，受力面積逐漸增大，然后足部完全放平直至足跟離地。人們?yōu)榱嗽谛凶邥r凝視手機保持步態(tài)平衡，會增加足底與地面的接觸時間，因此出現(xiàn)了本研究手機組左、右側(cè)足底M3、M4 和HL 區(qū)域的接觸面積明顯大于正常組。壓力的大小與足底與地面的接觸面積有關(guān)，本研究結(jié)果顯示，手機組左、右側(cè)足底M3、M4 和HL 區(qū)域的壓力峰值明顯大于正常組。足部壓力過大極易產(chǎn)生損傷，有研究顯示足底某分區(qū)壓力高是比較危險的，高壓是潰瘍形成的高危因素[30]。本研究還發(fā)現(xiàn)無論是正常組還是手機組，右足足底各區(qū)域的壓力峰值、與地面接觸面積均高于左足，可能是由于多數(shù)人右側(cè)為優(yōu)勢側(cè)的原因。

沖量表示力在一定時間內(nèi)對足底各區(qū)域連續(xù)作用所產(chǎn)生的積累效應(yīng)，對足底各區(qū)域所受沖量的研究對于足部損傷具有重要意義[31]。已有研究表明足部某一部位沖量過大，容易產(chǎn)生過度使用進而產(chǎn)生疲勞甚至損傷[32]。凝視手機行走時足底HL、HM 區(qū)域比正常行走所受沖量大，可見長期凝視手機行走足跟內(nèi)外側(cè)可能易出現(xiàn)磨損或者損傷。手機組M1、M2、M3區(qū)域沖量高于正常組M1、M3、M2沖量，與正常行走相比，凝視手機行走最容易損傷和疲勞的部位是M1、M2、M3。

由于行走時凝視手機步寬變小、注意力不集中等因素使穩(wěn)定性變差，造成支撐腿較早的蹬離地面，擺動腿急于著地以保持身體的平衡穩(wěn)定，進而表現(xiàn)出著地階段在支撐期的百分比有所增加，手機組FFP、FFCP所占支撐相百分比高于正常組。凝視手機行走由于注意力不集中，增加了整足接觸地面階段時間。

3.2 下肢表面肌電分析

支撐相早期（初始著地和承重反應(yīng)期），足踝與地面接觸，踝關(guān)節(jié)發(fā)生跖屈，足跟起到支點軸的作用；膝關(guān)節(jié)屈曲吸收震蕩，接受體重，脛骨前肌離心收縮來保持跖屈時的穩(wěn)定性；股直肌離心收縮，膝關(guān)節(jié)緩慢屈曲。因此在支撐相初期股直肌和脛骨前肌的參與程度較大。王靜等[26]的研究指出，在整個步態(tài)周期中，脛骨前肌肌電活動在支撐時相初期表現(xiàn)最為活躍。趙軍等[25]的研究也指出，成年人在正常步行時為了保持膝關(guān)節(jié)一定的屈曲，吸收震蕩，對抗重力，股四頭肌群在足跟著地后有較大的肌電活動。支撐相中期，下肢通過踝關(guān)節(jié)背屈前進越過靜止的足，而膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)伸展，并持續(xù)到身體重心調(diào)整到前足，保持下肢和軀干的穩(wěn)定性。支撐末期開始于足上抬，此時使下肢處于更加后伸的位置且一直持續(xù)到對側(cè)足著地。身體前進超過支撐足，并保持軀干和下肢的穩(wěn)定。

擺動前期作為支撐相的最后階段是整個步態(tài)周期中的第二次（最后一次）雙支撐相。始于對側(cè)下肢的初始著地，結(jié)束于同側(cè)下肢足趾離地，然而在這個階段發(fā)生的所有運動和肌肉收縮都與前進有關(guān)。當下肢突然快速擺脫體重時，后伸下肢利用向前的“推力”推進進程，踝關(guān)節(jié)發(fā)生背伸，腓腸肌群離心收縮控制踝背伸。小腿后肌群的主要作用是提供人體行走時的向前蹬踏力［33］。本研究結(jié)果顯示，支撐相中期、支撐相末期、擺動相前期和擺動相早期腓腸肌內(nèi)側(cè)頭、腓腸肌外側(cè)頭、股直肌、股內(nèi)側(cè)肌肌電活躍，尤其腓腸肌參與程度高。臀大肌在擺動相早期肌肉的RMS 較活躍，可能是由于低頭凝視手機與正常直立行走相比步幅變小，不需要募集更多的肌肉參與運動。

擺動相早期，踝關(guān)節(jié)背屈不完全，擺動相中期通過髖關(guān)節(jié)進一步屈曲，下肢前移至體重向量線的前方。當踝關(guān)節(jié)繼續(xù)背屈至中立位，膝關(guān)節(jié)順應(yīng)重心的要求進行伸展，脛骨前肌發(fā)生向心收縮。本研究結(jié)果顯示，正常行走脛骨前肌在擺動相早期、擺動相中期、擺動相末期的RMS 高于手機組。擺動相末期始于脛骨直立位，結(jié)束于足著地。膝關(guān)節(jié)伸展使下肢前行股直肌和股二頭肌相互收縮控制下肢擺動，當小腿移動至大腿前方時，完成下肢前行任務(wù)。擺動末期正常組股直肌和股二頭肌RMS高于手機組。此結(jié)果與黃萍等[34]在研究中指出的股二頭肌肌電活動在著地反應(yīng)期和最終擺動期活躍具有一致性。因此在擺動中末期股直肌和股二頭肌長頭肌的參與程度較高。

3.3 研究局限性及展望

首先，本研究對青年女性足底壓力及下肢表面肌電進行測量，而沒有男性受試者，步態(tài)和下肢肌肉工作特征可能會因性別表現(xiàn)出一定的差異；其次，本研究無法反映長時間凝視手機行走時足底和下肢肌肉活動狀況；同時本研究并沒有涉及到操作手機的姿勢，不同手機操作姿勢可能會對步態(tài)及下肢肌肉活動狀態(tài)造成影響。

因此，綜合考慮以上因素，在未來凝視手機步態(tài)研究方面，應(yīng)該對不同性別、手機操作姿勢以及不同時長等進行研究；除此之外，可以加入運動學和動力學設(shè)備進行相關(guān)數(shù)據(jù)采集，以及多機同步測量，進而更加科學、全面地了解行走時凝視手機對步態(tài)及下肢肌肉的影響。

4 結(jié)論

青年女性凝視手機行走改變了其正常行走步態(tài)特征。凝視手機行走表現(xiàn)出了更為謹慎的步態(tài)，主要表現(xiàn)在步長變短、步寬變小、前掌接觸階段和整足接觸階段所占支撐期的百分比增加。

低頭凝視手機行走導致足底第3跖骨、第4跖骨和足跟外側(cè)區(qū)域的峰值壓力高，與地面接觸面積大；與正常行走相比，凝視手機行走時足底第3跖骨、第2跖骨、第1跖骨所受沖量較大，最容易出現(xiàn)疲勞和損傷。

與正常行走相比，凝視手機行走的步態(tài)周期不同時相的下肢各肌肉參與程度較低。正常組與手機組中，股直肌、脛骨前肌在所有步態(tài)周期中呈持續(xù)激活狀態(tài)，股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、股二頭肌長頭及腓腸肌在步態(tài)周期中呈強弱交替連續(xù)性變化。