扁平足楼梯行走的下肢表面肌电特性

王新亭，王鸥，吴永红

1.天津科技大学机械工程学院，天津市 300222；2.天津市轻工与食品工程机械装备集成设计与在线监控重点实验室，天津市300222

扁平足是一种常见的足部疾病，主要表现为足弓塌陷或消失。在站立、行走时，容易引起疲劳和疼痛，严重的还会对关节、脊柱造成伤害，是引起运动损伤的潜在原因。扁平足多发于青少年，目前矫正方法包括肌力训练、穿戴矫正鞋具鞋垫等，严重者需要手术治疗[1-5]。

扁平足在行走过程中前足跖屈、外展和后足内旋角度较大，足内侧峰值压强较大，增加了关节错位和足部组织损伤的可能；为了规避足底受力过大，扁平足的胫骨前肌(tibialis anterio,TA)活动增加，腓骨长肌活 动 降低[6-9]。Levinger 等[10]和Hunt 等[11]分别 研究扁 平足与正常足在步态周期中关节角度与关节力矩的差异，同时对下肢肌肉的活动特性做出分析。邵雪荣等[12]研究发现，扁平足人群在跑步时踝关节外翻增加，踝关节和膝关节背屈和屈曲增加。孟倩云等[13]研究长时间行走对扁平足人群足底压力、下肢肌电变化的影响。吴立军等[14]对正常足组和无症状扁平足组进行直立和行走状态下的足底压力测试，并拍摄其负重位和非负重位的侧位X 线片进行足弓形态测量的研究。

有研究表明[15-17]，正常足楼梯行走较平地行走在步态方面存在很大差异。通过表面肌电信号(surface electromyography,sEMG)进行运动分析，可用于定量和定性分析神经肌肉活动情况并探讨肌肉力对人体动作的贡献作用[18-19]。

本研究以扁平足楼梯行走为研究对象，通过对比分析扁平足与正常足平地行走、楼梯行走时下肢肌群的sEMG，探究扁平足下肢肌肉活动特征。

1 对象与方法

1.1 对象

2019 年3 月至6 月，利用足印法和足底压力比值法[20]测试并筛选出天津科技大学在校男性大学生20例参与试验，其中正常足10 例，扁平足10 例(均为左脚)；年龄21～28 岁，平均(25.0±2.1)岁；身高167.8～183.1 cm，平均(173.7±9.6) cm；体质量59.5～78.4 kg，平均(67.1±7.9)kg。

纳入标准：①身体健康，无下肢损伤或手术史；②无心脏、骨骼疾病；③要求其试验前1 d 无剧烈运动、肌肉拉伤和肌肉疲劳等情况；④所有受试者被告知试验目的和方法后均自愿参加并签署知情同意书。

1.2 试验环境和设备

使用Telemyo 2400DTS sEMG 无线遥测系统(美国NORAXON 公司)采集双侧TA、内侧腓肠肌(medialis gastrocnemius,MG)、外侧腓肠肌(lateralis gastrocnemius,LG)、股直肌(rectus femoris,RF)、股二头肌(biceps femoris,BF)共10块下肢肌肉的sEMG。采用三维光学动作捕捉系统(英国VICON 公司)采集步态周期数据。楼梯行走试验台(图1)依据居民建筑中楼梯的标准尺寸设计，阶高180 mm、阶宽800 mm、阶深280 mm；为保证分别采集到上、下楼梯时完整的步态周期，台阶设为四阶。

图1 试验用楼梯

1.3 方法

首先对试验设备进行调试保证同步运行，然后采集受试者的基本信息，包括年龄、身高、体质量、下肢解剖学参数等，并在下肢贴好标记点，随后粘贴电极片和传感器。粘贴电极片采取差动电极连接法，对应传感器贴至每块肌肉附近10 cm 的骨性标志位或者临近肌肉[21]，各肌肉的电极和传感器贴放位置如图2所示。在试验开始前分别测试每块肌肉的最大等长收缩量(maximum voluntary contraction,MVC)。

图2 传感器粘贴位置

向受试者讲解试验流程，然后给予适当的练习时间以适应试验环境。受试者以自然步速重复完成平地行走、上楼梯、下楼梯，各10 次，每5 次休息一段时间。每次行走时均为左脚先迈出。上楼时左脚迈向嵌有测力板的第一阶台阶，右脚迈向嵌有测力板的第二阶台阶，然后再次左脚迈向第三阶嵌有测力板的台阶，最后双脚并拢在第四阶台阶；下楼时方向相反，过程相同。

1.4 评价指标

sEMG 平均幅值主要反映肌肉活动时运动单位激活的数量，单位时间肌电平均幅值反映肌肉的做功能力[23]。积分肌电反映一定时间内肌肉中运动单位的放电总量和肌肉在单位时间内的收缩特性[23]；当肌肉强烈收缩时，单位时间内被激活的肌纤维放电量增多，积分肌电随之变大。

使用Matlab 2016b软件对MVC和原始sEMG数据完成全波整流、平滑滤波处理，然后完成平均幅值、积分肌电计算，再根据MVC 值进行肌电幅值的标准化处理[22]。从左脚脚跟着地开始，到下一次左脚脚跟着地定义为一个完整的步态周期。选取左脚跟着地到右脚跟着地跨步时间段进行分析。

1.5 统计学分析

2 结果

正常足和扁平足平地行走和楼梯行走的TA、MG、LG、RF、BF肌电活动随步态周期变化见图3。

2.1 平均幅值

平地行走时，扁平足TA、RF、BF 的平均幅值大于正常足(P＜0.05)，LG 的平均幅值小于正常足(P＜0.05)。上楼梯时，扁平足TA、RF、BF 的平均幅值大于正常足(P＜0.05)。下楼梯时，扁平足MG 的平均幅值大于正常足(P＜0.05)，BF 的平均幅值小于正常足(P＜0.05)。见表1。

与平地行走相比，扁平足上楼梯时TA、RF、BF的平均幅值增加(P＜0.05)，下楼时RF、BF 的平均幅值增加(P＜0.05)。见表1。以平均幅值为评判标准，扁平足在上述行走过程中MG 对下肢肌群的贡献最大，其中平地行走为33.48%，上楼梯为28.62%，下楼梯为28.80%。

2.2 积分肌电

平地行走时，扁平足TA、BF 的积分肌电明显大于正常足(P＜0.01)，LG 的积分肌电显著小于正常足(P＜0.001)。上楼梯时，扁平足TA、MG、LG、RF和BF 的积分肌电均大于正常足(P＜0.01)。下楼梯时，扁平足MG的积分肌电大于正常足(P＜0.05)，BF的积分肌电BF小于正常足(P＜0.05)。见表2。

与平地行走相比，扁平足上楼梯时TA、MG、LG、BF 的积分肌电均增大(P＜0.05)，下楼梯时TA、LG、RF 的积分肌电均降低(P＜0.05)。见表2。同样以积分肌电为评判标准，扁平足在上述行走过程中MG 在下肢肌群中贡献最大，其中平地行走18.67 μV·s，上楼梯36.31 μV·s，下楼梯17.41 μV·s。

图3 平地行走及楼梯行走的sEMG

表1 正常足与扁平足平地行走、上楼梯和下楼梯时的平均幅值比较(%)

表2 正常足与扁平足平地行走、上楼梯和下楼梯时的积分肌电比较(μV·s)

3 讨论

Hunt 等[11]研究表明，扁平足有较正常足更大的踝关节跖屈力矩和内翻力矩；肌肉特征表现为TA 活动水平较高，腓骨肌、比目鱼肌和MG、LG的活动水平较低。本文结果验证了在平地行走阶段，扁平足较正常足TA肌肉活动更大，LG肌肉活动更小。

本研究发现，与正常足相比，扁平足BF、RF 的激活水平更高，做功更大。在楼梯行走过程中，与正常足相比，扁平足TA、MG、LG、RF、BF 的肌肉收缩率更大。TA、MG、LG 为控制踝关节跖屈和内外翻运动的主要肌群，LG、RF 为控制膝关节外旋的主要肌群，扁平足控制踝、膝关节的外翻及外旋运动的肌肉活动更大，这可能是更容易导致肌肉疲劳性损伤和受到更大的足底冲击力的肌肉特征表现。

黄萍等[24]的研究表明，腓肠肌在正常行走与站立时起重要作用。本研究发现扁平足也具有类似表现，不仅在平地行走，而且在楼梯行走时，MG 对下肢肌群的贡献最大。张峻霞等[17]研究认为，人在楼梯行走时，LG、MG 被激活的运动单位明显增加，肌肉收缩率更大，使得踝关节跖屈程度增大。本研究也发现，扁平足在楼梯行走时LG、MG激活的运动单位较平地行走明显增加，活动水平更高，可推断扁平足产生更大的踝关节跖屈角度。

扁平足BF 有更强的做功能力，TA、RF 表现出更大的肌肉收缩力。RF、BF 的作用为屈髋伸膝、伸髋屈膝，因此扁平足楼梯行走较平地行走可能需要更大的膝、髋关节角度，并且这些肌肉活动的增加皆导致扁平足者跖屈运动的增大，由此进一步推断扁平足楼梯行走时可能存在更严重的足外翻状况。

综上所述，扁平足患者需要对自身足病有更全面的了解。本文得出针对楼梯行走这一日常活动的肌肉变化，希望可以为扁平足的非手术治疗方法提供一定的参考，为扁平足矫正器具的设计及矫正前后效果的对比，做出量化的科学合理的分析。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。