健康成人水中平板步行運動分析①

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動分析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步態參數及表面肌電圖特征。方法2015年1月至9月，分別在陸地及水中平板步行訓練過程中，采用三維步態分析系統及表面肌電圖系統同步采集10名健康成人步行時空參數及表面肌電信號。結果與陸地步行相比，自感舒適速度下水中平板步行步態周期顯著增加(t=-11.411,P＜0.001)，步長無顯著性差異(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)，擺動相百分比增加(t=-5.252,P＜0.05)；水中平板步行過程中，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(t＞3.984,P＜0.01)，但股直肌無顯著性差異(t=0.054,P＞0.05)。結論水中平板步行時，步態及肌肉收縮強度與陸地步行均有所差異，其運動生理及神經控制機制需要進一步研究。

水中平板步行訓練；步態；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動分析[J].中國康復理論與實踐,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，水中運動研究日益受到關注。水中環境通過浮力、阻力和靜水壓對人體運動產生影響[1]。水中平板步行訓練(underwater treadmill training,UWTT)是利用水及活動平板的特性，促進下肢功能恢復的訓練方法，其作用機制與減重步行訓練既有相似之處，又各具特點[2]。由于水中環境的特殊性、復雜性，既往研究對UWTT對人體運動的影響只能通過比較干預前后陸地運動指標的變化進行推測，客觀程度及研究深度普遍不高[3-6]。本研究采用水下動態表面肌電圖(surface electromyography,sEMG)結果步態參數進行綜合研究，探究UWTT的人體運動學、動力學效應。

1 資料與方法

1.1 一般資料

本試驗于2015年1月至9月在中國康復研究中心北京博愛醫院理療科水療室完成。

招募首都醫科大學康復醫學院教職員工作為受試者。納入標準：①健康成人，年齡18～65歲，體質量指數(body mass index,BMI)18.5～23.9 kg/m2；②下肢和足部各關節活動正常；③受試前2 h未進行過劇烈運動。

排除標準：①患有或既往有可能影響步態的中樞或周圍神經系統疾病、下肢及足部骨關節疾病；②心理和精神異常。

最終納入10名受試者。一般資料見表1。

表1 受試者基本信息

1.2 數據采集

1.2.1 試驗儀器及設備

應用HLKF-RehaGait無線慣性式三維步態分析系統(青島海藍公司)評估受試者步態的時空參數。分別將7個內含加速度計和陀螺儀等慣性測量模塊和高性能嵌入式微處理器DSP數據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、雙脛骨近端內側和雙足背處，采集患者骨盆、髖、膝、踝關節的運動數據。

采用HLKF-sEMG表面肌電圖采集系統(青島海藍公司)記錄受試者步行時雙側股直肌、脛骨前肌、腓腸肌外側、股二頭肌肌電信號變化。肌電信號采集頻率1000 Hz。肌電系統內置8通道。

兩系統信號采集范圍均為50 m，系統間通過GaitWatch軟件連接，做到步態與肌電數據同步采集。

1.2.2 陸地步行數據

受試者暴露雙下肢，室溫25℃左右。將步態傳感器粘貼于相應位置。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，75%酒精擦拭消除皮膚表面油脂。以每塊肌肉肌腹最高點為中心，順著肌纖維走向貼置[7]。

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

1.2.3 UWTT步行數據采集

使用10×15 cm醫用防水敷料(3M公司)覆蓋于步態、肌電圖傳感器安放點表面，同時對數據傳送器進行防水處理。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，進入HM-200T型Aqua mill水中步行運動系統(日本酒井醫療株式會社)，根據受試者身高，調節水位至劍突水平，水溫30～33℃。受試者以自感舒適速度步行，適應3～5 min后開始記錄，記錄時間至少1 min。

同一受試者陸地測試與UWTT測試之間至少間隔30 min。

1.3 數據處理

步態參數由HLKF-RehaGait無線慣性式三維步態分析系統自動得出詳細報告。從步態及肌電分析測試系統導出原始數據，導入Matlab 7.0軟件進行歸一化，經過降噪、平滑、濾波、抽樣、采集、疊加、繪圖等步驟，得到一個步態周期中被測試肌肉主要運動信號特征，計算各項參數。

1.4 主要觀察指標

觀察兩種環境下受試者步態周期時間、步長、步速、步頻、擺動相百分比、原始肌電信號、被測肌肉的積分肌電值(integral electromyography,iEMG)。

1.5 統計學分析

采用SPSS 20.0軟件對兩種環境下所得表面肌電及步態各參數進行分析。符合正態分布者采用配對t檢驗，否則采用秩和檢驗。顯著性水平α=0.05。

2 結果

2.1 步態

與陸地步行相比，自感舒適速度下UWTT步態周期顯著增加(P＜0.001)，步長無顯著性差異(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)，擺動相百分比增加(P＜0.05)。見表2。

2.2 肌電圖

無論陸地或UWTT下，股直肌、股二頭肌、脛前肌、腓腸肌外側的肌電活動均隨步態周期呈活動與靜止周期性變化。見圖1。

原始肌電圖按步態周期進行標準化處理，UWTT步態周期中，下肢肌肉肌電峰值、高峰出現時間及持續時間與陸地步行時有所不同。見圖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主要步態參數比較(n=10)

表3 受試者陸地及UWTT iEMG比較(n=10,μV·s)

圖1 第8號受試者原始肌電圖

圖2 第8號受試者步態周期標準化原始肌電圖

3 討論

與陸地環境相比，水中環境具有浮力、阻力、靜水壓等特性。這些特性導致水中運動能在運動強度較高的情況下，不增加下肢關節的壓力及地面沖擊力。因此，水中運動適用于因腦卒中、脊髓損傷、腦性癱瘓、下肢骨關節疾病、骨折術后、運動損傷等疾病導致的運動功能障礙患者[8-14]。對因肥胖、糖尿病、年齡導致的運動能力下降者也有顯著效果[15-17]。

隨著水療技術的發展，UWTT作為一種任務特異性訓練，在改善運動功能方面效果尤為顯著。但受水中環境的限制，有關UWTT生理機制和治療原理長期以來未能深入進行。近年來，隨著電子及信息技術的發展，出現了各種體積小、精度高的便攜式康復評價產品，其中無線三維動作采集分析系統和無線sEMG采集系統的出現為水中運動研究提供了可能[18]。結合步態參數和表面肌電圖，分析UWTT運動，具有同步、準確、全面的優點，不僅能發現UWTT運動模式的特點，還可以客觀評價UWTT在人體運動生理方面的影響。

本研究對10名健康受試者陸地及UWTT步行運動數據的采集，獲得其運動過程中步態參數、表面肌電圖參數，發現UWTT在步態時空參數及肌肉收縮強度方面，與陸地步行相比差異顯著。

步態特征是每個個體的獨特標志[19]。個體根據身高、腿長、重心位置，會自發產生相對固定的最適宜步長。我們推測在自感舒適速度的前提下，無論陸地還是水中，步長仍保持在特定范圍內。由于水的黏滯性，水中前進速度較慢，在步長基本不變的前提下，人體采取增加擺動比例、降低邁步頻率的步行模式。

sEMG是定量分析肌肉活動的有力工具。iEMG是對所測得原始肌電信號進行整流、平滑后，單位時間內曲線下面積的總和，可以反映肌電信號隨時間的強弱，其高低反映運動時參與肌肉收縮的肌纖維數目多少和每個運動單位的放電大小。肌肉收縮時，肌電積分與肌力之間存在正相關關系[7]。本研究設定UWTT水位平劍突水平，此時下肢負荷量為陸地步行時的30%[20-21]。股二頭肌、脛前肌、腓腸肌iEMG均較陸地步行時降低。這些肌肉的肌電活動與負荷變化有關。股直肌iEMG與陸地步行差異不大，推測步行過程中股直肌作為非抗重力肌，重力負荷的減輕并不能降低對股直肌的做功要求。步行過程中，股直肌主要執行擺動相的伸膝動作，在水的阻力作用下，更高的做功要求彌補了減負效果，故未表現出明顯差異。腓腸肌作為步行運動的主要動力肌，在UWTT過程中需要對抗水平方向阻力，iEMG理應升高，但本研究中卻表現為相對較低的活動水平。同時，我們在對受試者一個步態周期內原始肌電圖進行標準化處理時發現，UWTT過程中，下肢肌肉肌電峰值、高峰出現時間及持續時間與陸地步行時有所不同。我們推測，在UWTT過程中，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動，但做功時間會相對延長。同時UWTT運動還需對抗與運動方向相反的阻力作用。因此邁步運動的主要動力肌，如腓腸肌，需要提前募集部分肌纖維對抗阻力。不同環境對下肢肌電活動模式、神經反射以及高級皮質的影響尚需進一步研究。

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、擺動增加、邁步頻率降低的步行模式。在此過程中，股二頭肌、脛前肌、腓腸肌肌電活動較陸地步行明顯降低，但股直肌活動變化不大。下肢肌肉的活動不僅與直接做功強度有關，還可能受整體運動模式所調控。

本研究存在一些不足。樣本量較小；雖然預實驗未發現穿戴連體乳膠服對受試者步態及sEMG信號的影響，但仍不能排除；本研究觀察的指標較為簡單，步態參數與肌電信號相關性方面未做深入研究。下一步我們將在此基礎上擴大樣本量，并進行水中關節角度、動量分析與表面肌電相關性的研究，以及各種運動障礙患者水中運動模式研究。

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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)

中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目(No.2015CZ-39)。

1.清華大學附屬北京清華長庚醫院康復醫學科，北京市102218；2.中國康復研究中心北京博愛醫院，a.神經康復科；b.理療科，北京市100068；3.首都醫科大學康復醫學院，北京市100068；4.中國航天科技集團第一研究院，北京市100076；5.青島海藍康復器械有限公司，山東青島市266100。作者簡介：吳瓊(1982-)，女，滿族，山西晉中市人，碩士，醫師，主要研究方向：康復醫學與理療學。通訊作者：張通。E-mail:ZT61611@sohu.com。