不同行走步幅对下肢肌表面肌电信号影响的研究

□戚瑶　刘云发（东北师范大学体育学院吉林长春130024）



不同行走步幅对下肢肌表面肌电信号影响的研究

□戚瑶刘云发（东北师范大学体育学院吉林长春130024）

摘要：目的：探讨不同步幅的行走方式对人体胫骨前肌、腓肠肌内侧头、腓肠肌外侧头、股外侧肌、股直肌、股内侧肌、半腱肌和股二头肌表面肌电（sEMG）信号的影响，为以行走作为健身方式的步幅选择及健步走步幅标准的制定提供科学依据。

关键词：行走下肢肌表面肌电信号步频步幅柔韧性健步走

1、实验对象与方法

1.1、受试者

健康男性青年志愿者10名，年龄（25.12±2.0）岁，身高（174.3±5.0）cm、体重（73.63±9.6）kg、被试者在实验前24小时内未做剧烈运动，均无肌肉疲劳现象实验前向被试者详细介绍本实验的目的和受试方法。

1.2、实验方法

实验前选择指定平摊路面，并分成六个直线线路，宽度为0.5米。根据相关文献及实际情况设定步频为1.25步/秒，则设定节拍器时间间隔为0.8秒。受试者在自然放松的状态下，以节拍器提示音为标准，要求两脚跟交替落地时与节拍器同步，提前进行10分钟左右不同步长的直线行走练习，姿势为正常行走，自然增加步幅，不采用其他特殊行走姿态。待受试者熟练动作后，测量其在自由行走状态下并与节拍器同步时所能实施的最大步长，测量标准为前后脚两脚跟平行线间的垂线距离。测量实验者身高，根据其身高划定步长，分别为15%、22.5%、30%、37.5%、45%、52.5%、60%和最大步长。经测定，受试者平均最大步长为身高的66.1%。用白色胶带为标志物分别在直线线路上标记指定步长，标志数为每条路线11个。实验开始时，受试者站立使两脚跟紧贴第一标志物，在听到开始口令后，先迈右腿，与节拍器节奏同步进行十次迈步——两腿各五次，以左脚最后一次落地支撑后两膝盖在额状面平行为结束。分别在6条路线上各进行一次测试，每次间隔时间为5分钟。在此期间，同步采集受试者右腿胫骨前肌、腓肠肌内侧头、腓肠肌外侧头、股外侧肌、股直肌、股内侧肌、半腱肌的sEMG信号。

1.3、信号采集与处理方法

使用美国BioVision生物电遥测与分析系统；采用Ag-AgCl双电极片，分别贴置备皮、脱脂后的胫骨前肌、腓肠肌内侧头、腓肠肌外侧头、股外侧肌、股直肌、股内侧肌、半腱肌和股二头肌的肌腹最隆起处，电极片中心相距约2cm，软件版本为DASYLab 11.0，肌电图采样率为1 000 Hz，信号经转换器存入计算机中。使用Matlab软件读取原始sEMG，选取人体腿部肌肉在各步长时的原始sEMG信号进行全波整流，进行iEMG（积分肌电）、RMS（均方根振幅）、MPF（平均功率频率）和MF（中值频率）分析。

1.4、数据统计分析

利用SPSS19.0软件，采用单因素方差分析不同步幅对下肢肌iEMG、RMS、MPF和MF指标的变化情况，计量资料采用±s表示，P＜0.05为差异有统计学意义。按照在单因素方差分析的统计学差异有非常显著性意义（P＜0.001）的前提下，选取判定系数R2最大，偏差的平方和最小的原则，对实验结果进行曲线优度拟合。若单因素方差分析具有非常显著性的统计学差异（P＜0.001），对试验结果进行曲线拟合，选择极具显著性（P＜0.01），判定系数R2最大，偏差平方和最小的最优拟合函数。

2、结果

2.1、各级步幅行走时下肢肌的iEMG变化

单因素方差分析结果显示，在各级步幅行走时，下肢肌表面肌电积分值均具有显著性差异，其数值随步幅递增而增加。

2.2、各级步幅行走时下肢肌的RMS变化

在各级步幅行走时，下肢肌表面肌电均方根值均具有显著性差异。步幅37.5%到45%区间的斜率高于其他区域，其增长率最高。

2.3、下肢肌RMS值与步幅的拟合曲线结果

下肢肌的RMS值随步幅的增加，变化率最大点均出现在身高的45%步长左右，变化率较大的区间大约在身高的37.5%到52.5%之间。

2.4、各级步幅行走时下肢肌的MPF变化

单因素方差分析结果显示，在15%至37.5%各级步幅行走时，各肌肉的MPF值均无显著性差异。在37.5%至最大的各级步幅行走时，股直肌、半腱肌和股二头肌的MPF值均无显著性差异，胫骨前肌、腓肠肌外侧头、腓肠肌内侧头、股外侧肌和股内侧肌MPF值均具有显著性差异，其数值随步幅的递增而增加，且与步幅呈线性正相关。

2.5、各级步幅行走时下肢肌的MF变化

单因素方差分析结果显示，在15%至37.5%各级步幅行走时，各肌肉的MF值均无显著性差异。在37.5%至最大的各级步幅行走时，股直肌、半腱肌和股二头肌的MPF值均无显著性差异，胫骨前肌、腓肠肌外侧头、腓肠肌内侧头、股外侧肌和股内侧肌MF值均具有显著性差异，其数值随步幅的递增而增加，且与步幅呈线性正相关。

3、分析

行走是一个复杂的力和能量的发生、传导过程，从肌肉角度讲，参与行走的每一块肌肉都会进行向心和离心两个收缩过程。iEMG随步幅的逐级增加而增大。随步幅逐级增加，髋关节角度变大为主，各相关肌肉收缩幅度增加，在相同的步频下，参与收缩的肌纤维增多使力量增强及重心移动速度增加，因此iEMG随之增加。可以看出，下肢肌RMS随步幅增大而增大。在行走时，随着步幅的逐渐加大，受摆动腿腾空距离加长，为保持相同的步频，需加快腿部摆动角速度，身体重心移动速度随之加快，及重心上下摆动波动较大等因素影响，因此在支撑发力阶段，腓肠肌、股内侧肌、股外侧肌、半腱肌和股二头肌为主要发力源，做向心收缩，其中股直肌靠近膝关节处也做向心收缩，RMS值逐渐增加。在摆动阶段，摆动幅度由股直肌收缩幅度决定，靠近髋关节部分做向心收缩，胫骨前肌全程做向心收缩，膝关节摆动幅度变化不大，但在步幅增大步频不变的前提下，股内侧肌、股外侧肌和股直肌靠近膝关节部分收缩速度加快，先被拉长后做向心收缩，因此均方根振幅逐渐增大。在落地缓冲阶段，随着步幅逐级增加重心移动速加快，髋关节角度变大使重心上下摆动幅度增加，加之惯性使重心继续前移和重力作用，脚部落地瞬间人体与地面的冲击力随之增加，缓冲腿髋关节角变大和膝关节角变小，使胫骨前肌、股内侧肌、股外侧肌、股直肌、半腱肌和股二头肌的肌拉力角变小，对抗地面冲击力而进行缓冲的离心收缩强度逐渐增大，RMS值逐渐增加。

4、讨论

根据上述结果和分析，可指导采用行走健身者根据自身情况制定合理的步幅。在进行行走健身时，如健身者不宜进行较高强度或较大步幅的练习，应采用小于37.5%的步幅区间，腿部肌肉整体负荷强度较低，相对其他较大步幅更为安全。如需增加负荷，可采用加快步频的方式进行锻炼。采用37.5%至52.5%步幅区间健身时，多数肌肉RMS值拐点在此步幅区间内，可有效增加肌肉负荷，同时此步幅区间为大多数正常人可接受的步幅长度（柔韧性相关研究），也不会过多阻碍步频的增加，可达到理想的运动效果，因此在进行健步走等方式行走时，选次拐点区间步幅较为合理。当采用超过45%区间的步幅进行行走健身时，虽然其肌肉iEMG值和RMS值有所提升，但增长率不高，同时，太长的步幅会对锻炼者有一定难度的要求：一是柔韧性要求，根据上述分析可知，柔韧性是决定在45%步长以上时髋关节和膝关节角度大小的因素，二是需要锻炼者腿部肌肉在蹬踏阶段有一定力量，否则不能达到理想步长或步频。三是增加了人体重心变化程度，使落地冲击力加大，增加腿部骨骼、肌肉、韧带和关节的负荷，加大了意外的发生几率。由上述肌电分析可知随步幅增大，腿部肌肉动员越来越多的肌纤维参与行走，但在45%步长后动员肌纤维数量的增长率有限，同时又要动用更多的快肌纤维参与运动，可推断步幅越大疲劳越快，因此，若以行走方式进行健身，应根据自身情况选定合适的步幅。健步走应是有效调动身体器官和机能参与运动，又能维持较长运动时间的一种行走锻炼方式，因此应选取身高的45%左右步长作为健步走的标准。

5、结论

在相同的步频下，下肢肌进行逐级增加步幅的行走时，是逐渐动员更多肌纤维参与做功的肌肉活动，在身高的37.5%到45%区间的变化率最大，并且变化率最大点出现在身高的45%步长左右；步幅在身高的37.5%步长以下时，下肢肌快、慢肌纤维动员情况不能确定，步幅在身高的37.5%步长以上逐级增加时，胫骨前肌、腓肠肌外侧头、腓肠肌内侧头、股外侧肌和股内侧肌动员更多比例的快肌纤维，股直肌、半腱肌和股二头肌的快、慢肌纤维动员情况不能确定；在参与行走健身的过程中，应根据自身情况选定合适的步幅；应选取身高的45%左右步长为健步走步长。

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