健康成人水中平板步行运动分析①

吴琼，张通，丛芳，潘钰，吴瑞斌，赵铁军

健康成人水中平板步行运动分析①

吴琼1，张通2a,3，丛芳2b,3，潘钰1，吴瑞斌4，赵铁军5

目的比较健康成人陆地步行及水中平板步行时步态参数及表面肌电图特征。方法2015年1月至9月，分别在陆地及水中平板步行训练过程中，采用三维步态分析系统及表面肌电图系统同步采集10名健康成人步行时空参数及表面肌电信号。结果与陆地步行相比，自感舒适速度下水中平板步行步态周期显著增加(t=-11.411,P＜0.001)，步长无显著性差异(Z=-0.357,P＞0.05)，步行速度明显降低(Z=-2.803,P＜0.01)，步频显著降低(t=7.421,P＜0.001)，摆动相百分比增加(t=-5.252,P＜0.05)；水中平板步行过程中，股二头肌、腓肠肌、胫前肌的平均肌电积分明显低于陆地步行时(t＞3.984,P＜0.01)，但股直肌无显著性差异(t=0.054,P＞0.05)。结论水中平板步行时，步态及肌肉收缩强度与陆地步行均有所差异，其运动生理及神经控制机制需要进一步研究。

水中平板步行训练；步态；表面肌电图

[本文著录格式] 吴琼，张通，丛芳，等.健康成人水中平板步行运动分析[J].中国康复理论与实践,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.

近年来，水中运动研究日益受到关注。水中环境通过浮力、阻力和静水压对人体运动产生影响[1]。水中平板步行训练(underwater treadmill training,UWTT)是利用水及活动平板的特性，促进下肢功能恢复的训练方法，其作用机制与减重步行训练既有相似之处，又各具特点[2]。由于水中环境的特殊性、复杂性，既往研究对UWTT对人体运动的影响只能通过比较干预前后陆地运动指标的变化进行推测，客观程度及研究深度普遍不高[3-6]。本研究采用水下动态表面肌电图(surface electromyography,sEMG)结果步态参数进行综合研究，探究UWTT的人体运动学、动力学效应。

1 资料与方法

1.1 一般资料

本试验于2015年1月至9月在中国康复研究中心北京博爱医院理疗科水疗室完成。

招募首都医科大学康复医学院教职员工作为受试者。纳入标准：①健康成人，年龄18～65岁，体质量指数(body mass index,BMI)18.5～23.9 kg/m2；②下肢和足部各关节活动正常；③受试前2 h未进行过剧烈运动。

排除标准：①患有或既往有可能影响步态的中枢或周围神经系统疾病、下肢及足部骨关节疾病；②心理和精神异常。

最终纳入10名受试者。一般资料见表1。

表1 受试者基本信息

1.2 数据采集

1.2.1 试验仪器及设备

应用HLKF-RehaGait无线惯性式三维步态分析系统(青岛海蓝公司)评估受试者步态的时空参数。分别将7个内含加速度计和陀螺仪等惯性测量模块和高性能嵌入式微处理器DSP数据采集处理模块的传感器，固定在受试者骶骨、双股骨中段前侧、双胫骨近端内侧和双足背处，采集患者骨盆、髋、膝、踝关节的运动数据。

采用HLKF-sEMG表面肌电图采集系统(青岛海蓝公司)记录受试者步行时双侧股直肌、胫骨前肌、腓肠肌外侧、股二头肌肌电信号变化。肌电信号采集频率1000 Hz。肌电系统内置8通道。

两系统信号采集范围均为50 m，系统间通过GaitWatch软件连接，做到步态与肌电数据同步采集。

1.2.2 陆地步行数据

受试者暴露双下肢，室温25℃左右。将步态传感器粘贴于相应位置。sEMG传感器贴放前行皮肤处理：刮除汗毛，用砂纸清除皮肤角质，75%酒精擦拭消除皮肤表面油脂。以每块肌肉肌腹最高点为中心，顺着肌纤维走向贴置[7]。

安放好传感器后，受试者适应3～5 min，以自感舒适的步行速度沿直线行走，记录时间1 min。

1.2.3 UWTT步行数据采集

使用10×15 cm医用防水敷料(3M公司)覆盖于步态、肌电图传感器安放点表面，同时对数据传送器进行防水处理。受试者穿上定制的全身连体乳胶服。

受试者做好防水处理后，进入HM-200T型Aqua mill水中步行运动系统(日本酒井医疗株式会社)，根据受试者身高，调节水位至剑突水平，水温30～33℃。受试者以自感舒适速度步行，适应3～5 min后开始记录，记录时间至少1 min。

同一受试者陆地测试与UWTT测试之间至少间隔30 min。

1.3 数据处理

步态参数由HLKF-RehaGait无线惯性式三维步态分析系统自动得出详细报告。从步态及肌电分析测试系统导出原始数据，导入Matlab 7.0软件进行归一化，经过降噪、平滑、滤波、抽样、采集、叠加、绘图等步骤，得到一个步态周期中被测试肌肉主要运动信号特征，计算各项参数。

1.4 主要观察指标

观察两种环境下受试者步态周期时间、步长、步速、步频、摆动相百分比、原始肌电信号、被测肌肉的积分肌电值(integral electromyography,iEMG)。

1.5 统计学分析

采用SPSS 20.0软件对两种环境下所得表面肌电及步态各参数进行分析。符合正态分布者采用配对t检验，否则采用秩和检验。显著性水平α=0.05。

2 结果

2.1 步态

与陆地步行相比，自感舒适速度下UWTT步态周期显著增加(P＜0.001)，步长无显著性差异(P＞0.05)，步行速度明显降低(P＜0.01)，迈步频率显著降低(P＜0.001)，摆动相百分比增加(P＜0.05)。见表2。

2.2 肌电图

无论陆地或UWTT下，股直肌、股二头肌、胫前肌、腓肠肌外侧的肌电活动均随步态周期呈活动与静止周期性变化。见图1。

原始肌电图按步态周期进行标准化处理，UWTT步态周期中，下肢肌肉肌电峰值、高峰出现时间及持续时间与陆地步行时有所不同。见图2。

与陆地步行相比，自感舒适速度下股二头肌、腓肠肌、胫前肌的iEMG明显低于陆地步行(P＜0.01)，

表2 受试者陆地及UWTT主要步态参数比较(n=10)

表3 受试者陆地及UWTT iEMG比较(n=10,μV·s)

图1 第8号受试者原始肌电图

图2 第8号受试者步态周期标准化原始肌电图

3 讨论

与陆地环境相比，水中环境具有浮力、阻力、静水压等特性。这些特性导致水中运动能在运动强度较高的情况下，不增加下肢关节的压力及地面冲击力。因此，水中运动适用于因脑卒中、脊髓损伤、脑性瘫痪、下肢骨关节疾病、骨折术后、运动损伤等疾病导致的运动功能障碍患者[8-14]。对因肥胖、糖尿病、年龄导致的运动能力下降者也有显著效果[15-17]。

随着水疗技术的发展，UWTT作为一种任务特异性训练，在改善运动功能方面效果尤为显著。但受水中环境的限制，有关UWTT生理机制和治疗原理长期以来未能深入进行。近年来，随着电子及信息技术的发展，出现了各种体积小、精度高的便携式康复评价产品，其中无线三维动作采集分析系统和无线sEMG采集系统的出现为水中运动研究提供了可能[18]。结合步态参数和表面肌电图，分析UWTT运动，具有同步、准确、全面的优点，不仅能发现UWTT运动模式的特点，还可以客观评价UWTT在人体运动生理方面的影响。

本研究对10名健康受试者陆地及UWTT步行运动数据的采集，获得其运动过程中步态参数、表面肌电图参数，发现UWTT在步态时空参数及肌肉收缩强度方面，与陆地步行相比差异显著。

步态特征是每个个体的独特标志[19]。个体根据身高、腿长、重心位置，会自发产生相对固定的最适宜步长。我们推测在自感舒适速度的前提下，无论陆地还是水中，步长仍保持在特定范围内。由于水的黏滞性，水中前进速度较慢，在步长基本不变的前提下，人体采取增加摆动比例、降低迈步频率的步行模式。

sEMG是定量分析肌肉活动的有力工具。iEMG是对所测得原始肌电信号进行整流、平滑后，单位时间内曲线下面积的总和，可以反映肌电信号随时间的强弱，其高低反映运动时参与肌肉收缩的肌纤维数目多少和每个运动单位的放电大小。肌肉收缩时，肌电积分与肌力之间存在正相关关系[7]。本研究设定UWTT水位平剑突水平，此时下肢负荷量为陆地步行时的30%[20-21]。股二头肌、胫前肌、腓肠肌iEMG均较陆地步行时降低。这些肌肉的肌电活动与负荷变化有关。股直肌iEMG与陆地步行差异不大，推测步行过程中股直肌作为非抗重力肌，重力负荷的减轻并不能降低对股直肌的做功要求。步行过程中，股直肌主要执行摆动相的伸膝动作，在水的阻力作用下，更高的做功要求弥补了减负效果，故未表现出明显差异。腓肠肌作为步行运动的主要动力肌，在UWTT过程中需要对抗水平方向阻力，iEMG理应升高，但本研究中却表现为相对较低的活动水平。同时，我们在对受试者一个步态周期内原始肌电图进行标准化处理时发现，UWTT过程中，下肢肌肉肌电峰值、高峰出现时间及持续时间与陆地步行时有所不同。我们推测，在UWTT过程中，由于浮力的减重作用，下肢肌肉只需较少做功便能维持步行运动，但做功时间会相对延长。同时UWTT运动还需对抗与运动方向相反的阻力作用。因此迈步运动的主要动力肌，如腓肠肌，需要提前募集部分肌纤维对抗阻力。不同环境对下肢肌电活动模式、神经反射以及高级皮质的影响尚需进一步研究。

综上所述，UWTT与陆地步行相比，在自感舒适速度的前提下，人体采取慢速、低频、摆动增加、迈步频率降低的步行模式。在此过程中，股二头肌、胫前肌、腓肠肌肌电活动较陆地步行明显降低，但股直肌活动变化不大。下肢肌肉的活动不仅与直接做功强度有关，还可能受整体运动模式所调控。

本研究存在一些不足。样本量较小；虽然预实验未发现穿戴连体乳胶服对受试者步态及sEMG信号的影响，但仍不能排除；本研究观察的指标较为简单，步态参数与肌电信号相关性方面未做深入研究。下一步我们将在此基础上扩大样本量，并进行水中关节角度、动量分析与表面肌电相关性的研究，以及各种运动障碍患者水中运动模式研究。

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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)

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(No.2015CZ-39)。

1.清华大学附属北京清华长庚医院康复医学科，北京市102218；2.中国康复研究中心北京博爱医院，a.神经康复科；b.理疗科，北京市100068；3.首都医科大学康复医学院，北京市100068；4.中国航天科技集团第一研究院，北京市100076；5.青岛海蓝康复器械有限公司，山东青岛市266100。作者简介：吴琼(1982-)，女，满族，山西晋中市人，硕士，医师，主要研究方向：康复医学与理疗学。通讯作者：张通。E-mail:ZT61611@sohu.com。