不同行走步幅對下肢肌表面肌電信號影響的研究

□戚瑤　劉云發(fā)（東北師范大學(xué)體育學(xué)院吉林長春130024）

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不同行走步幅對下肢肌表面肌電信號影響的研究

□戚瑤劉云發(fā)（東北師范大學(xué)體育學(xué)院吉林長春130024）

摘要：目的：探討不同步幅的行走方式對人體脛骨前肌、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭、腓腸肌外側(cè)頭、股外側(cè)肌、股直肌、股內(nèi)側(cè)肌、半腱肌和股二頭肌表面肌電（sEMG）信號的影響，為以行走作為健身方式的步幅選擇及健步走步幅標(biāo)準(zhǔn)的制定提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：行走下肢肌表面肌電信號步頻步幅柔韌性健步走

1、實驗對象與方法

1.1、受試者

健康男性青年志愿者10名，年齡（25.12±2.0）歲，身高（174.3±5.0）cm、體重（73.63±9.6）kg、被試者在實驗前24小時內(nèi)未做劇烈運動，均無肌肉疲勞現(xiàn)象實驗前向被試者詳細(xì)介紹本實驗的目的和受試方法。

1.2、實驗方法

實驗前選擇指定平攤路面，并分成六個直線線路，寬度為0.5米。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及實際情況設(shè)定步頻為1.25步/秒，則設(shè)定節(jié)拍器時間間隔為0.8秒。受試者在自然放松的狀態(tài)下，以節(jié)拍器提示音為標(biāo)準(zhǔn)，要求兩腳跟交替落地時與節(jié)拍器同步，提前進(jìn)行10分鐘左右不同步長的直線行走練習(xí)，姿勢為正常行走，自然增加步幅，不采用其他特殊行走姿態(tài)。待受試者熟練動作后，測量其在自由行走狀態(tài)下并與節(jié)拍器同步時所能實施的最大步長，測量標(biāo)準(zhǔn)為前后腳兩腳跟平行線間的垂線距離。測量實驗者身高，根據(jù)其身高劃定步長，分別為15%、22.5%、30%、37.5%、45%、52.5%、60%和最大步長。經(jīng)測定，受試者平均最大步長為身高的66.1%。用白色膠帶為標(biāo)志物分別在直線線路上標(biāo)記指定步長，標(biāo)志數(shù)為每條路線11個。實驗開始時，受試者站立使兩腳跟緊貼第一標(biāo)志物，在聽到開始口令后，先邁右腿，與節(jié)拍器節(jié)奏同步進(jìn)行十次邁步——兩腿各五次，以左腳最后一次落地支撐后兩膝蓋在額狀面平行為結(jié)束。分別在6條路線上各進(jìn)行一次測試，每次間隔時間為5分鐘。在此期間，同步采集受試者右腿脛骨前肌、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭、腓腸肌外側(cè)頭、股外側(cè)肌、股直肌、股內(nèi)側(cè)肌、半腱肌的sEMG信號。

1.3、信號采集與處理方法

使用美國BioVision生物電遙測與分析系統(tǒng)；采用Ag-AgCl雙電極片，分別貼置備皮、脫脂后的脛骨前肌、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭、腓腸肌外側(cè)頭、股外側(cè)肌、股直肌、股內(nèi)側(cè)肌、半腱肌和股二頭肌的肌腹最隆起處，電極片中心相距約2cm，軟件版本為DASYLab 11.0，肌電圖采樣率為1 000 Hz，信號經(jīng)轉(zhuǎn)換器存入計算機(jī)中。使用Matlab軟件讀取原始sEMG，選取人體腿部肌肉在各步長時的原始sEMG信號進(jìn)行全波整流，進(jìn)行iEMG（積分肌電）、RMS（均方根振幅）、MPF（平均功率頻率）和MF（中值頻率）分析。

1.4、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

利用SPSS19.0軟件，采用單因素方差分析不同步幅對下肢肌iEMG、RMS、MPF和MF指標(biāo)的變化情況，計量資料采用±s表示，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。按照在單因素方差分析的統(tǒng)計學(xué)差異有非常顯著性意義（P＜0.001）的前提下，選取判定系數(shù)R2最大，偏差的平方和最小的原則，對實驗結(jié)果進(jìn)行曲線優(yōu)度擬合。若單因素方差分析具有非常顯著性的統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.001），對試驗結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，選擇極具顯著性（P＜0.01），判定系數(shù)R2最大，偏差平方和最小的最優(yōu)擬合函數(shù)。

2、結(jié)果

2.1、各級步幅行走時下肢肌的iEMG變化

單因素方差分析結(jié)果顯示，在各級步幅行走時，下肢肌表面肌電積分值均具有顯著性差異，其數(shù)值隨步幅遞增而增加。

2.2、各級步幅行走時下肢肌的RMS變化

在各級步幅行走時，下肢肌表面肌電均方根值均具有顯著性差異。步幅37.5%到45%區(qū)間的斜率高于其他區(qū)域，其增長率最高。

2.3、下肢肌RMS值與步幅的擬合曲線結(jié)果

下肢肌的RMS值隨步幅的增加，變化率最大點均出現(xiàn)在身高的45%步長左右，變化率較大的區(qū)間大約在身高的37.5%到52.5%之間。

2.4、各級步幅行走時下肢肌的MPF變化

單因素方差分析結(jié)果顯示，在15%至37.5%各級步幅行走時，各肌肉的MPF值均無顯著性差異。在37.5%至最大的各級步幅行走時，股直肌、半腱肌和股二頭肌的MPF值均無顯著性差異，脛骨前肌、腓腸肌外側(cè)頭、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭、股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌MPF值均具有顯著性差異，其數(shù)值隨步幅的遞增而增加，且與步幅呈線性正相關(guān)。

2.5、各級步幅行走時下肢肌的MF變化

單因素方差分析結(jié)果顯示，在15%至37.5%各級步幅行走時，各肌肉的MF值均無顯著性差異。在37.5%至最大的各級步幅行走時，股直肌、半腱肌和股二頭肌的MPF值均無顯著性差異，脛骨前肌、腓腸肌外側(cè)頭、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭、股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌MF值均具有顯著性差異，其數(shù)值隨步幅的遞增而增加，且與步幅呈線性正相關(guān)。

3、分析

行走是一個復(fù)雜的力和能量的發(fā)生、傳導(dǎo)過程，從肌肉角度講，參與行走的每一塊肌肉都會進(jìn)行向心和離心兩個收縮過程。iEMG隨步幅的逐級增加而增大。隨步幅逐級增加，髖關(guān)節(jié)角度變大為主，各相關(guān)肌肉收縮幅度增加，在相同的步頻下，參與收縮的肌纖維增多使力量增強(qiáng)及重心移動速度增加，因此iEMG隨之增加。可以看出，下肢肌RMS隨步幅增大而增大。在行走時，隨著步幅的逐漸加大，受擺動腿騰空距離加長，為保持相同的步頻，需加快腿部擺動角速度，身體重心移動速度隨之加快，及重心上下擺動波動較大等因素影響，因此在支撐發(fā)力階段，腓腸肌、股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、半腱肌和股二頭肌為主要發(fā)力源，做向心收縮，其中股直肌靠近膝關(guān)節(jié)處也做向心收縮，RMS值逐漸增加。在擺動階段，擺動幅度由股直肌收縮幅度決定，靠近髖關(guān)節(jié)部分做向心收縮，脛骨前肌全程做向心收縮，膝關(guān)節(jié)擺動幅度變化不大，但在步幅增大步頻不變的前提下，股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌和股直肌靠近膝關(guān)節(jié)部分收縮速度加快，先被拉長后做向心收縮，因此均方根振幅逐漸增大。在落地緩沖階段，隨著步幅逐級增加重心移動速加快，髖關(guān)節(jié)角度變大使重心上下擺動幅度增加，加之慣性使重心繼續(xù)前移和重力作用，腳部落地瞬間人體與地面的沖擊力隨之增加，緩沖腿髖關(guān)節(jié)角變大和膝關(guān)節(jié)角變小，使脛骨前肌、股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌、股直肌、半腱肌和股二頭肌的肌拉力角變小，對抗地面沖擊力而進(jìn)行緩沖的離心收縮強(qiáng)度逐漸增大，RMS值逐漸增加。

4、討論

根據(jù)上述結(jié)果和分析，可指導(dǎo)采用行走健身者根據(jù)自身情況制定合理的步幅。在進(jìn)行行走健身時，如健身者不宜進(jìn)行較高強(qiáng)度或較大步幅的練習(xí)，應(yīng)采用小于37.5%的步幅區(qū)間，腿部肌肉整體負(fù)荷強(qiáng)度較低，相對其他較大步幅更為安全。如需增加負(fù)荷，可采用加快步頻的方式進(jìn)行鍛煉。采用37.5%至52.5%步幅區(qū)間健身時，多數(shù)肌肉RMS值拐點在此步幅區(qū)間內(nèi)，可有效增加肌肉負(fù)荷，同時此步幅區(qū)間為大多數(shù)正常人可接受的步幅長度（柔韌性相關(guān)研究），也不會過多阻礙步頻的增加，可達(dá)到理想的運動效果，因此在進(jìn)行健步走等方式行走時，選次拐點區(qū)間步幅較為合理。當(dāng)采用超過45%區(qū)間的步幅進(jìn)行行走健身時，雖然其肌肉iEMG值和RMS值有所提升，但增長率不高，同時，太長的步幅會對鍛煉者有一定難度的要求：一是柔韌性要求，根據(jù)上述分析可知，柔韌性是決定在45%步長以上時髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)角度大小的因素，二是需要鍛煉者腿部肌肉在蹬踏階段有一定力量，否則不能達(dá)到理想步長或步頻。三是增加了人體重心變化程度，使落地沖擊力加大，增加腿部骨骼、肌肉、韌帶和關(guān)節(jié)的負(fù)荷，加大了意外的發(fā)生幾率。由上述肌電分析可知隨步幅增大，腿部肌肉動員越來越多的肌纖維參與行走，但在45%步長后動員肌纖維數(shù)量的增長率有限，同時又要動用更多的快肌纖維參與運動，可推斷步幅越大疲勞越快，因此，若以行走方式進(jìn)行健身，應(yīng)根據(jù)自身情況選定合適的步幅。健步走應(yīng)是有效調(diào)動身體器官和機(jī)能參與運動，又能維持較長運動時間的一種行走鍛煉方式，因此應(yīng)選取身高的45%左右步長作為健步走的標(biāo)準(zhǔn)。

5、結(jié)論

在相同的步頻下，下肢肌進(jìn)行逐級增加步幅的行走時，是逐漸動員更多肌纖維參與做功的肌肉活動，在身高的37.5%到45%區(qū)間的變化率最大，并且變化率最大點出現(xiàn)在身高的45%步長左右；步幅在身高的37.5%步長以下時，下肢肌快、慢肌纖維動員情況不能確定，步幅在身高的37.5%步長以上逐級增加時，脛骨前肌、腓腸肌外側(cè)頭、腓腸肌內(nèi)側(cè)頭、股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌動員更多比例的快肌纖維，股直肌、半腱肌和股二頭肌的快、慢肌纖維動員情況不能確定；在參與行走健身的過程中，應(yīng)根據(jù)自身情況選定合適的步幅；應(yīng)選取身高的45%左右步長為健步走步長。

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