畢耕超 張彥龍 王春霞

(牡丹江師范學(xué)院 黑龍江牡丹江 157011)

步態(tài)是人類行走和進(jìn)行其他運(yùn)動的最基本的活動特征，也是使人體產(chǎn)生位移的一種復(fù)雜的隨意運(yùn)動［1］。太極拳是一種下肢運(yùn)動相對復(fù)雜的運(yùn)動，其步態(tài)包括向前移動、向后移動和側(cè)向移動，其中向前移動的代表動作為野馬分鬃［2］。北歐式健走（越野行走）源于冰雪運(yùn)動，只需一副手杖，就能隨時隨地進(jìn)行鍛煉，現(xiàn)已成為世界上發(fā)展最快的大眾健身項(xiàng)目之一。太極拳和北歐式健走都是普及性較廣的群眾體育運(yùn)動，都有利于促進(jìn)大眾體育的推廣以及增強(qiáng)體質(zhì)和增進(jìn)健康［3］。查閱國內(nèi)外文獻(xiàn)，探究太極拳步態(tài)特征的研究較多，而研究北歐式健步走的相關(guān)研究較少，并且通過運(yùn)動生物力學(xué)的方法對二者運(yùn)動特征差異的研究更少。利用表面肌電技術(shù)對下肢肌肉特征進(jìn)行信號分析，一般采用線性分析中的時域和頻域分析，當(dāng)然非線性的分析方法也值得探究［4］。

我國有關(guān)北歐式健走的相關(guān)研究相對較少。張超［5］曾對北歐式健走和正常走的右側(cè)肌肉進(jìn)行過相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)北歐式健走步態(tài)下肢表面肌電信號與正常的行走步態(tài)下肢面肌電信號無顯著變化（P＞0.05）。關(guān)于太極拳的研究相對較多，有關(guān)肌電的研究較多。但是，研究主要集中在太極拳本身、專業(yè)太極拳和初學(xué)者的動作和步態(tài)差異性比較以及太極拳的下肢肌肉活動等［6］，而對于太極拳和其他運(yùn)動的橫向?qū)Ρ鹊难芯肯鄬^少。該研究主要通過表面肌電技術(shù)對比兩種步態(tài)的差異，對不同項(xiàng)目的下肢肌肉活動規(guī)律進(jìn)行探究。

Vaughan 等［7］在Dynamics of Human Gait 一書中詳細(xì)論證了正常步態(tài)周期，下肢28塊肌肉不同時相的激活模式，結(jié)合多項(xiàng)研究，對腿部的16 塊主要肌肉進(jìn)行因子分析，發(fā)現(xiàn)通過3～4 個主要因子就可以初步解釋人的步態(tài)周期過程中的步態(tài)肌肉特征，其中脛骨前肌和小腿三頭肌為主要因子。

該研究主要通過對野馬分鬃和北歐式健走步態(tài)的下肢主要肌肉（脛骨前肌、腓腸肌內(nèi)外側(cè)）的肌電信號做時域和頻域的信號分析，通過時域和頻域的相關(guān)數(shù)據(jù)和數(shù)值（IEMG、RMS、共激活比、共收縮指數(shù)、MPF 和MF等）來比較兩種步態(tài)的差異。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

實(shí)驗(yàn)研究共招募測試者16 人，測試者身體狀況良好，在測試期間無下肢關(guān)節(jié)疼痛和損傷，經(jīng)招募自愿參加此次實(shí)驗(yàn)。測試者基本情況如表1所示。

表1 測試者基本信息（±s）

表1 測試者基本信息（±s）

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

該文采用瑞典Qualisys 公司生產(chǎn)的室內(nèi)/室外型動作捕捉及分析系統(tǒng)，以及美國DELSYS公司的Trignolab版16通道表面肌電Trigno?無線生物反饋系統(tǒng)。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備

（1）動作捕捉數(shù)據(jù)采集前的準(zhǔn)備

該實(shí)驗(yàn)在牡丹江師范學(xué)院體育與健康科學(xué)學(xué)院運(yùn)動生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。根據(jù)Qualisys PAF package的模型給測試者貼Marker 點(diǎn)，從上至下Maker 點(diǎn)的位置包括左右髂前上棘、左右髂后上棘、左右大腿的Cluster板、左右膝關(guān)節(jié)外上髁和內(nèi)上髁、左右小腿的Cluster板、左右踝關(guān)節(jié)的外髁和內(nèi)髁、足跟、左右腳的第一、二、五跖骨［8］。

（2）Delsys肌電采集前的準(zhǔn)備

用醫(yī)用酒精濕巾擦拭皮膚表面，同時要求傳感器的尖頭與肌纖維方向一致，并采用醫(yī)用膠帶固定傳感器的位置，從上至下的貼傳感器的肌肉包括右腿腓腸肌內(nèi)側(cè)、腓腸肌外側(cè)、脛骨前肌。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

設(shè)置QTM的數(shù)據(jù)采集頻率為100Hz，DELSYS無線表面肌電的頻率為2000Hz。開始采集前，測試者在實(shí)驗(yàn)室熟悉場地和動作。一切準(zhǔn)備就緒后開始采集，包括1 組：野馬分鬃動作采集，測試者以起勢動作做準(zhǔn)備，以前進(jìn)腳腳跟離地為起始，以前進(jìn)腳變?yōu)橹文_腳尖離地為終，動作流暢無失誤為一次有效；2組：測好測力臺的位置進(jìn)行雙手持健走杖行走，每位測試者共采集3次取平均值［9］。

1.2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

（1）肌電信號處理

從QTM 軟件導(dǎo)出有肌電模擬信號。應(yīng)用MAT‐LAB R2019a 導(dǎo)入模擬數(shù)據(jù)，對原始肌電信號進(jìn)行4 階20～500Hz的帶通濾波和50Hz的低通濾波，之后進(jìn)行整流、最大值歸一化獲得處理后的數(shù)據(jù)。

（2）肌電數(shù)據(jù)處理

獲得時域和頻域的數(shù)據(jù)。應(yīng)用Originlab2018軟件和SPSS 25 軟件進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)處理（置信區(qū)間百分比均定在95%），數(shù)據(jù)均以平均值和標(biāo)準(zhǔn)差（-X± S）的形式表示。

1.2.5 概念公式解析

該研究中計(jì)算了腓腸肌的共激活比，公式為（腓腸肌內(nèi)側(cè)RMS/腓腸肌外側(cè)RMS）；腓腸肌的共收縮指數(shù)，公式為(EMGL+EMGM)× EMGL/EMGM。EMGM代表激活程度較高的肌肉，EMGL代表激活程度較低的肌肉。IEMG，RMS，MPF和MF。

2 研究結(jié)果

2.1 野馬分鬃和北歐式健走的肌電信號時域特征結(jié)果比較

由表2 可知，北歐健步走的腓腸肌內(nèi)側(cè)積分肌電值和均方根值顯著高于太極拳野馬分鬃（P＜0.01）。野馬分鬃的脛骨前肌積分肌電值（P＜0.05），均方根值（P＜0.01）均是顯著高于北歐式健走，腓腸肌外側(cè)的分肌電值和均方根值沒有顯著性差異。

表2 兩種步態(tài)的時間序列的三塊肌肉的IEMG和RMS的對比（±s）

表2 兩種步態(tài)的時間序列的三塊肌肉的IEMG和RMS的對比（±s）

兩組項(xiàng)目相比，**表示P<0.01，*表示P<0.05。

2.2 野馬分鬃和北歐式健走的RMS包絡(luò)線比較

圖1 展示了兩位測試者在進(jìn)行野馬分鬃和北歐式健走一個步態(tài)周期的均方根，隨著時間序列的推移腓腸肌內(nèi)外側(cè)和脛骨前肌的RMS包絡(luò)線的變化。

圖1 北歐式健走（左）和野馬分鬃（右）三塊肌肉的RMS包絡(luò)線圖

2.3 野馬分鬃和北歐式健走下肢腓腸肌的共激活比和共激活指數(shù)比較表

從表3 可以得知，北歐式健走和野馬分鬃的腓腸肌的共激活比和共收縮指數(shù)。兩個步態(tài)的共激活比，北歐式健走顯著大于野馬分鬃（P＜0.01），腓腸肌內(nèi)側(cè)和外側(cè)共收縮指數(shù)（P>0.05）差異不顯著，腓腸肌外側(cè)和脛骨前肌共收縮指數(shù)北歐健步走顯著高于拳野馬分鬃（P＜0.05）。

表3 兩種步態(tài)腓腸肌的共激活比和踝關(guān)節(jié)的共收縮指數(shù)（±s）

表3 兩種步態(tài)腓腸肌的共激活比和踝關(guān)節(jié)的共收縮指數(shù)（±s）

兩組項(xiàng)目相比，**表示P<0.01，*表示P<0.05。

2.4 野馬分鬃和北歐式健走的肌電信號頻域特征比較

從表4 可以看出，一個周期內(nèi)北歐式健走和野馬分鬃步態(tài)下肢3 塊肌肉的平均功率頻率和中位頻率值。兩種步態(tài)的腓腸肌內(nèi)側(cè)的平均功率頻率北歐健步走顯著高于太極拳野馬分鬃（P＜0.01），脛骨前肌的平均功率頻率野馬分鬃顯著高于北歐式健走（P＜0.01）。兩種步態(tài)的3 塊肌肉的中位頻率值均沒有顯著性差異。

表4 兩種步態(tài)的頻域的三塊肌肉的MPF和MF的對比（±s）

表4 兩種步態(tài)的頻域的三塊肌肉的MPF和MF的對比（±s）

兩組項(xiàng)目相比，**表示P<0.01。

3 研究分析

3.1 兩種步態(tài)的時域信號特征積分肌電值和均方根值的比較

積分肌電值（IEMG）是指在某一段時間內(nèi)肌肉中參與活動的運(yùn)動單位放電總量，通常其幅值隨疲勞程度的加深而增加。均方根值（RMS）可以反映隨著時間序列的推移運(yùn)動單位的募集程度［11］。從表3 可以看出，在北歐式健走運(yùn)動過程中，腓腸肌內(nèi)側(cè)的兩個值均大于野馬分鬃。腓腸肌的主要作用是支配踝關(guān)節(jié)的跖屈［12］。腓腸肌內(nèi)側(cè)的IEMG和RMS較大的原因可能在于健步走時踝關(guān)節(jié)的屈曲較大造成了腓腸肌內(nèi)側(cè)的放電總量增加。脛骨前肌的主要作用是使足部背伸和內(nèi)外翻［13］。野馬分鬃的脛骨前肌的IEMG和RMS較北歐式健走大可能是因?yàn)樵谝榜R分鬃的騰空期，腳尖是背伸的，并且在支撐期野馬分鬃有一個落地向身體扭轉(zhuǎn)的動作，所以足部的背伸和外翻要靠脛骨前肌完成。

3.2 兩種步態(tài)的時域信號均方根值包絡(luò)線的比較

RMS 包絡(luò)線是應(yīng)用窗函數(shù)和MATLAB 的Envelope函數(shù)的上包絡(luò)線依據(jù)最大值歸一化之后的均方根值繪圖功能獲得的，圖片中均采用單位為50ms的窗口進(jìn)行繪制。RMS包絡(luò)線可以反映運(yùn)動單位數(shù)量的募集程度和放電頻率的同步化程度［11］。從圖1 可以看到，脛骨前肌和小腿三頭肌分別為主動肌和拮抗肌，由于腓腸肌和脛骨前肌對于踝關(guān)節(jié)的控制作用，依據(jù)RMS 包絡(luò)線也能夠推測出在北歐式健走的騰空期脛骨前肌的肌纖維募集程度較高，在支撐期隨著腳跟著地和腳尖離地腳背逐漸背伸，腓腸肌的募集程度逐漸增多。野馬分鬃的步態(tài)相對復(fù)雜，主要在于支撐期腳踝有勾腳尖和外翻的動作，在最后腳尖蹬離地面時，3 塊肌肉相互協(xié)同，增大了肌肉募集程度，所以曲線會出現(xiàn)最后的尖狀峰值。

3.3 兩種步態(tài)的腓腸肌內(nèi)外側(cè)共激活比和共收縮指數(shù)的比較

腓腸肌內(nèi)外側(cè)的協(xié)同性是維持踝關(guān)節(jié)屈曲的重要保證。從兩種步態(tài)的腓腸肌內(nèi)外側(cè)的共激活比可以看出，北歐式健走的激活比為1.867∶1，大于1∶1，甚至接近2∶1，可能是在整個步態(tài)中腓腸肌內(nèi)側(cè)在屈踝中的作用更大。結(jié)合RMS 包絡(luò)線可以看出，腓腸肌內(nèi)側(cè)首先激活進(jìn)行收縮發(fā)揮作用，而野馬分鬃的激活比為0.841∶1，可能是為了維持整個動作中關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。而兩種步態(tài)的腓腸肌外側(cè)和脛骨前肌的共收縮指數(shù)差異顯著，北歐式健走的共收縮指數(shù)更高。

3.4 兩種步態(tài)的頻域信號平均頻率和中位頻率的比較

關(guān)于肌電信號的頻域分析方，首先要通過FFT 獲得SEMG 信號的功率譜密度（PSD）［14］。功率譜圖能夠反映SEMG 信號在不同頻率范圍內(nèi)的強(qiáng)度，平均功率頻率（MPF）和中位頻率（MF）就是常見的指標(biāo)，代表了肌電信號頻譜的重心頻率，能夠反映肌肉的生物力學(xué)特性，但是FFT目前存在局限性。

從研究結(jié)果可以看出，兩種步態(tài)單個周期內(nèi)的腓腸肌內(nèi)側(cè)和脛骨前肌的MPF 具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，但是兩個頻域的數(shù)值沒有時間分辨率，所以不能定位時間，只能夠從肌肉產(chǎn)生肌電信號的頻域區(qū)間進(jìn)行分析。北歐式健走的腓腸肌內(nèi)側(cè)的MPF 大于野馬分鬃，而野馬分鬃的脛骨前肌的MPF大于北歐式健走。

4 結(jié)語

（1）北歐式健走腓腸肌內(nèi)側(cè)的IEMG 和RMS 均大于野馬分鬃，原因可能是北歐式健走的踝關(guān)節(jié)的屈曲較大，造成了腓腸肌內(nèi)側(cè)的放電總量增加。野馬分鬃的脛骨前肌的IEMG 和RMS 較北歐式健走，可能是因?yàn)橐榜R分鬃有足部的背伸和外翻要靠脛骨前肌完成。

（2）北歐式健走的腓腸肌內(nèi)側(cè)首先激活進(jìn)行收縮發(fā)揮作用；野馬分鬃小腿肌肉更多的是為了維持整個動作中關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。

（3）兩種步態(tài)的差異性主要在于步態(tài)中踝關(guān)節(jié)的屈伸、外翻和內(nèi)翻的程度。