4～6 岁幼儿移动性动作发展及神经肌肉控制研究

2021-06-23纪仲秋姜桂萍黄浩洁

成都体育学院学报 2021年2期

胡鑫，纪仲秋，姜桂萍，庞博，黄浩洁

动作是神经系统支配和控制肌肉收缩进而产生肢体运动的过程，是神经肌肉协调程度的外在表现[1]。动作发展水平不但反映幼儿基本动作技能和体能水平，而且与其智力、行为和健康都有十分密切的关系。移动性动作指身体在空间产生位置移动的动作技术，如走、跑、蹦跳和单脚跳等。对幼儿来讲，移动性动作是一项非常重要的动作技能，可以评价儿童能否参与有利于健康的身体活动，并在各种体育游戏中广泛应用[2]。

目前，专门用于幼儿动作发展及障碍筛查的工具，大致分为标准化操作测试、核查表或问卷，由有经验的专家或知情人对幼儿动作表现观察后定性评估。近年来，计算机和信息处理技术等的飞速发展为表面肌电(SEMG)的进一步研究奠定了基础。通过SEMG 记录儿童下肢肌肉活动可深入了解肌肉的激活状态和肌肉收缩模式[3-4]。本研究拟采用定性方法分析4～6 岁幼儿跑、蹦跳和单脚跳的动作发展特征，采用标准化的积分肌电(Normalize Integrated Electromyography，N-iEMG)和标准化的肌肉共收缩指数(Normalized Co-Contraction Index，NCCI)定量分析不同肌肉的激活状态和神经肌肉控制的协调程度。通过对4～6 岁幼儿移动性动作发展外在表现和内在机制的研究，旨在为幼儿动作发展的教学训练、测量评价、神经肌肉康复等领域提供科学依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究从开封市某公立幼儿园大、中、小班各选取两个自然班的172 名幼儿进行粗大动作发展测试(Test of Gross Motor Development-3，TGMD -3)，再从中随机选取4 岁组22 人，5 岁组22 人，6 岁组23 人进行肌电测试(见表1)。4周岁(含)以上5 周岁以下的幼儿为4 岁组；5 周岁(含)以上6 周岁以下的幼儿为5 岁组；6 周岁(含)以上7 周岁以下的幼儿为6 岁组。测试前经园方向受试者监护人详细介绍了本次测试的流程和目的，征得同意后由监护人填写幼儿基本资料和知情同意书。被试纳入标准:最近3 个月无神经、肌肉系统疾病病史，无前庭系统疾病病史，未能通过以上标准之一者被排除在这项研究之外，符合条件者最后纳入为本研究的实验对象。

表1 实验对象基本情况()Table 1 Basic information of the subjects ()

1.2 研究设计

1.2.1 研究依据

国际上测量儿童移动性动作常用的工具主要有粗大动作发展测验(Test of Gross Motor Development，TGMD)[5]、布鲁氏动作熟练度测验(Bruininks-Oseretsky Test of Motor Proficiency，BOTMP)[6]等，其中TGMD 是世界上测量3～10 岁儿童动作发展水平应用最广泛的工具，经修订已形成TGMD-2、TGMD-3 版本，本研究选取TGMD-3 中的跑、蹦跳、单脚跳作为移动性动作的测试指标，走作为积分肌电(Integrated Electromyography，iEMG)和共收缩(Co-Contraction Index，CCI)标准化处理时的参考对照。

SEMG 与运动单位募集和兴奋节律的同步化程度有关，其数值反映肌肉活动时运动单位激活的数量、参与活动的运动单位类型以及神经元的同步化程度，所以通过SEMG 的指标检测可分析不同动作条件下中枢神经肌肉控制的特征[7]。

1.2.2 实验流程与设备

TGMD-3:采用2 台索尼高速摄像机对测试动作全程摄像，根据TGMD-3 评分标准对录制的跑、蹦跳和单脚跳动作进行评价，达到一个动作标准记为1 分，否则为0 分[5，8]。

肌电测试:在100 m2左右的房间，首先让受试者踢一固定球，连续踢球3 次，使用次数≥2 次的踢球脚确定为优势脚[9]；其次使用意大利BTS-FREEEMG 1000 表面肌电测试系统，采用表面电极双极导联法，暴露受试者优势腿待检测肌群部位皮肤，测试前用75%浓度的酒精对电极安放位置的皮肤去脂处理，放置电极片贴于肌腹部分的最隆起处，与肌肉纵轴方向一致，测试部位为优势腿的股直肌(Rectus Femoris，RF)、股二头肌(Biceps Femoris，BF)、胫骨前肌(Tibialis Anterior，TA)和腓肠肌外侧头(Lateral Gastrocnemius，LG)[10]。每个动作测试2 次，取平均值。

1.2.3 评价指标

(1)iEMG 值是一定时间内计入参与活动的运动单位放电总量，反映运动时参与肌肉收缩的肌纤维数目和每个运动单位的放电大小[11]。N -iEMG 是对iEMG 值进行标准化，用于肌肉之间活动的比较[12]。本研究使用意大利BTS 表面肌电仪器自带SMART Analyzer 软件，对原始肌电信号进行全波整流、滤波(带通滤波20～350 Hz)和平滑(RMS，100 ms)处理iEMG，分析连续进行3 次重复动作的最大积分肌电值(Max-iEMG)，并求其平均值为每一名被试的iEMG。MVC(Maximal Voluntary Contraction)是对SEMG 标准化常采用的方法，以每名被试“走”的Max -iEMG 作为移动性动作iEMG 的标准化指标也是等效的[13]，本研究采用后者对SEMG 进行标准化。(2)NCCI 是对肌肉共收缩指数的标准化，中枢神经系统通过调整主动肌和拮抗肌活动时序与强弱，从而适应外周环境变化时产生的动作需求，反映动作的协调程度[14]，其计算公式[15]:

选取RF、BF 为膝关节的拮抗肌和主动肌，TA、LG 为踝关节的拮抗肌和主动肌[14，16]。

1.3 数据统计

使用SPSS 20.0 对实验数据进行统计分析，计量数据均采用“”表示。采用ANOVA 分析不同年龄移动性动作发展水平的差异，计算年龄组(4 岁组、5 岁组和6 岁组)×不同肌肉(RF、BF、TA 和LG)对标准化iEMG 的影响，年龄组(4 岁组、5 岁组和6 岁组)×动作类型(跑、单脚跳和蹦跳)对NCCI 的影响，并用Post Hoc Test LSD 分析。

2 结果分析

2.1 4～6 岁幼儿移动性动作发展水平测试结果

从图1 可知，跑4 岁组与6 岁组存在非常显著性差异(F=0.35，P ﹤0.01)。蹦跳动作5 岁组与6 岁组(F=0.48，P﹤0.05)存在显著性差异、4 岁组与6 岁组存在非常显著性差异(F=0.38，P ﹤0.01)。单脚跳动作4 岁组与5 岁组(F=0.59)、5 岁组与6 岁组(F=0.54)存在显著性差异(P ﹤0.05)，4 岁组与6 岁组存在非常显著性差异(F=0.31，P ﹤0.01)。4 岁组、5 岁组和6 岁组跑的平均分依次为2.97、3.47、3.87，蹦跳的依次为1.82、2.08、2.35，单脚跳的依次为2.43、2.88、3.25，3 个动作相对于各标准总分，得分率为86%、69%和57%。

图1 4～6 岁幼儿不同年龄不同移动性动作得分情况Figure 1 Scores of children at different ages in different locomotions

2.2 4～6 岁幼儿移动性动作中不同肌肉iEMG(%走)测试结果

走以优势腿的后蹬、摆动和着地缓冲阶段为一个周期；跑以优势腿的后蹬、折叠前摆、下压准备着地和着地缓冲为一个周期；蹦跳和单脚跳以优势腿的着地缓冲、蹬伸、腾空和落地为一个周期。这4 个动作均以腓肠肌开始发力作为采集SEMG 的开始，以着地缓冲为一个动作周期结束。

从表2 可知，4～6 岁幼儿跑、蹦跳和单脚跳3 个动作中，在年龄×肌肉中均存在交互作用(F=3.67、2.97、3.74，P ﹤0.01)。进一步分析跑的动作中，RF(F=1.28)、TA(F=1.84)、BF(F=2.01)在4 岁组与6 岁组之间存在年龄的显著性差异(P ﹤0.05)。蹦跳动作中RF(F=0.56)、TA(F=1.32)在4 岁组与6 岁组之间存在年龄的显著性差异(P ﹤0.05)。单脚跳动作RF(F=4.20)、TA(F=3.62)、BF(F=3.20)在4 岁组与6 岁组之间存在年龄的非常显著性差异(P ﹤0.01)，RF、TA 在4 岁组与5 岁组、5 岁组与6 岁组之间均存在年龄的显著性差异(P ﹤0.05)。相同动作相同年龄的4 块肌肉之间，跑中LG 与TA、RF、BF 之间在4 岁组(F=12.19、20.01、5.67)、5 岁组(F=19.41、7.91、5.49)、6 岁组(F=12.04、2.09、3.86)均存在非常显著性差异(P ﹤0.01)，蹦跳中LG 与TA、RF、BF 之间在4 岁组(F=28.01、42.25、11.96)、5 岁组(F=0.05、5.36、9.48)、6 岁组(F=23.68、10.03、20.85)均存在非常显著性差异(P ﹤0.01)，单脚跳中LG 与TA、RF、BF 之间在4 岁组(F=18.59、7.11、5.65)、5岁组(F=27.56、14.30、9.19)、6 岁组(F=75.26、23.77、3.90)均存在非常显著性差异(P ﹤0.01)。跑中BF、TA 与RF 之间在6 岁组(F=0.17、0.32)为显著性差异(P ﹤0.05)。蹦跳中RF 与BF 之间在5 岁组(F=1.29)、RF 与BF 之间在6 岁组(F=1.42)均存在非常显著性差异(P ﹤0.01)，RF 与TA 之间在4 岁组(F=0.38)、6 岁组(F=0.88)存在显著性差异(P ﹤0.05)。单脚跳中RF 与BF、TA之间在4 岁组(F=2.71、2.30)、5 岁组(F=1.52、2.33)均存在非常显著性差异(P ﹤0.01)，TA 与RF 之间在6 岁组(F=0.32)存在显著性差异(P ﹤0.05)。RF 与TA 在3 个动作中没有表现出差异性的，从统计学意义上显示肌肉的iEMG(%走)RF ﹥TA。BF 与TA 之间在5 岁组(F=1.76)和6 岁组(F=2.07)的蹦跳动作中存在非常显著性差异(P ﹤0.01)。从描述性的统计结果可知，在移动性动作中iEMG(%走)值RF 最大，其次是TA，LG 最小。

表2 4～6 岁幼儿移动性动作中不同肌肉iEMG(%走)比值()Table 2 iEMGratio of the muscles (% walking) of children aged 4～6 in different locomotions ()

注:RF=股直肌,BF=股二头肌,TA=胫骨前肌,LG=腓肠肌(下同)。相同动作的同块肌肉:与6 岁组比,※为P ﹤0.05,※※为P ﹤0.01；与4 岁组比,#为P ﹤0.05,##为P ﹤0.01。相同年龄的不同肌肉:与LG 比,★为P ﹤0.05,★★为P ﹤0.01；与RF 比,＊为P ﹤0.05,＊＊为P ﹤0.01；与TA 比,＆为P ﹤0.05,＆＆为P ﹤0.01。

2.3 4～6 岁幼儿移动性动作中肌肉标准化共收缩指数(NCCI)测试结果

从表3 可知，RB(RF/BF) -NCCI、TG(TA/LG) -NCCI在年龄× 动作类型均有交互作用(F=2.15，2.46，P ﹤0.01)。进一步分析相同动作上在一个周期内，RB 在4 岁组与5 岁组、4 岁组与6 岁组的跑(F=0.44、1.14)、单脚跳(F=1.47、2.35)和蹦跳(F=0.33、0.50)中均有非常显著性差异(P ﹤0.01)，5 岁组与6 岁组(F=1.54)的跑存在非常显著性差异(P ﹤0.01)。结合图2，在一个周期内，最大RB:跑是6 岁组(4.84) ﹥5 岁组(3.76) ﹥4 岁组(2.59)；蹦跳是6岁组(2.40) ﹥5 岁组(2.35) ﹥4 岁组(1.97)；单脚跳是6 岁组(6.06) ﹥5 岁组(4.84) ﹥4 岁组(2.69)。TG 在4 岁组与6 岁组幼儿的跑(F=0.44)、蹦跳(F=1.54)和单脚跳(F=1.93)中均有非常显著性差异(P ﹤0.01)，4 岁组与5 岁组在单脚跳(F=1.67)和跑(F=0.17)，以及跑5 岁组与6 岁组(F=1.71)中均有非常显著性差异(P ﹤0.01)。结合图2，在一个周期内，最大TG:跑是6 岁组(10.31) ﹥5 岁组(6.83) ﹥4 岁组(5.27)；蹦跳是6 岁组(4.82) ﹥5 岁组(3.76)﹥4 岁组(2.59)；单脚跳是6 岁组(9.39) ﹥5 岁组(8.29) ﹥4 岁组(8.03)。相同年龄组不同动作之间，4～6 岁幼儿的跑和蹦跳的RB 中存在非常显著性差异(F=0.49、0.06、0.42，P ﹤0.01)，4～6 岁幼儿TG 在跑和蹦跳之间(F=0.32、0.27、0.46，P ﹤0.01)、单脚跳和蹦跳之间(F=0.43、0.52、0.44)存在非常显著性差异(P ﹤0.01)。根据统计分析结果，在一个周期内，RB-NCCI 峰值和TG-NCCI 峰值存在6 岁组﹥5 岁组﹥4 岁组。动作之间RB-NCCI 峰值和TGNCCI 峰值存在跑﹥单脚跳﹥蹦跳。

表3 4～6 岁幼儿移动性动作在一个周期内各肌肉NCCI 比值()Table 3 NCCI ratio of the muscles of children aged 4～6 in a cycle of locomotions ()

注:RB=股直肌/股二头肌,TG=胫骨前肌/腓肠肌。不同年龄相同动作:与5 岁组比,#为P ﹤0.05,##为P ﹤0.01；与6 岁组比,※为P ﹤0.05,※※为P ﹤0.01；相同年龄组不同动作,与蹦跳比,＆为P ﹤0.05,＆＆为P ﹤0.01；与跑比,★为P ﹤0.05,★★为P ﹤0.01。

图2 4～6 岁幼儿各移动性动作一个动作周期各肌肉NCCIFigure 2 NCCI values of the muscles of children aged 4～6 in a cycle of each locomotion

3 讨论

3.1 4～6 岁幼儿移动性动作发展水平的特征

随着4～6 岁幼儿年龄增加，移动性动作发展水平总体呈上升趋势，但年龄之间动作发展水平的区分并非一致:单脚跳最明显，其次是蹦跳和跑。从测量工具的效度分析，选取单脚跳作为幼儿移动性技能测评动作比跑和蹦跳更佳，进一步说明动作发展测评工具TGMD -3、BOT 等均采用单脚跳作为幼儿动作技能测评的原因。在动作发展水平上，Aye等[16]发现学龄前儿童的移动性动作发展达到全国均值，本研究幼儿跑和单脚跳的动作发展水平(86%、57%)略低于国外的平均水平(89%、68%)[16]，对于中外幼儿动作发展水平差异性的研究，可为我国幼儿动作发展里程碑的建立奠定理论基础，并有助于提高我国幼儿移动性动作技能水平。

3.2 4～6 岁幼儿移动性动作中不同肌肉iEMG 的特征

本研究发现不同肌肉iEMG(%走)在跑、蹦跳和单脚跳动作中年龄之间存在差异，其中单脚跳的差异性最为显著，单脚跳中RF 和BF-iEMG(%走)6 岁组﹥5 岁组﹥4 岁组。从人类动作的发展历程看，大多数幼儿随着年龄增加开始学习单脚跳时，跑已进入动作技能相对成熟阶段，蹦跳作为一种有节奏的两步式技能，是比较复杂的一项，当幼儿单脚跳达到第三阶段时，才开始出现蹦跳的动作技能[17]，因此跑和蹦跳对于幼儿来说，前者动作技能成熟较早，后者成熟较晚，从而出现动作发展水平的“地板效应”和“天花板效应”，这种效应通过iEMG 呈现出来没有表现出年龄的差异性。Shiavi[3]在研究4～11 岁儿童运动时也证明随着年龄增加，RF、BF 的iEMG 强度变化的基本一致性，因此RF -iEMG(%走)和BF-iEMG(%走)在单脚跳动作中均表现出6 岁组﹥4 岁组的区分度，从内在机制上验证了单脚跳作为移动性技能测评的有效性。

在一项关于3 种初始姿势:正常姿势，高姿势(重心比正常姿势高20 cm)和低姿势(重心比正常姿势低20 cm)对11名男性垂直纵跳成绩影响的研究发现，3 种姿势调整时iEMG变化最显著的是RF，甚至通过调整RF 的肌电刺激，便可使被试接近或达到最大跳跃高度[18]。说明RF 对下肢移动性动作的完成起到关键性作用。从关节解剖的结构分析，RF作为双关节肌，会使髋关节屈曲和膝关节伸展，有支持和纠正上身姿势方面的双重作用[14]。李林等[19]通过对花滑运动员3 周跳的动作分析认为起跳过程中发力肌肉除了RF，其次是TA，LG 起到支撑协同的作用，说明在幼儿下肢的移动性动作中，RF 和TA 表现出相对成熟的肌肉用力特点。

3.3 4～6 岁幼儿移动性动作中肌肉标准化共收缩的特征

为量化4～6 岁幼儿跑、蹦跳和单脚跳一个周期动作协调程度，采用共收缩指数进行描述[20]。Knarr 等[15]对9 名健康成年人行走时股外侧肌和半膜肌的CCI 和NCCI 比较时发现，NCCI 可以更好地反映膝关节生理性负荷特征，同时NCCI 可进行个体之间SEMG 直接比较[14]。在整个步态周期中，来自下肢肌肉的肌电信号在正常幼儿步行过程中通常一致，但一个步态周期内各个阶段主动肌和拮抗肌不断变化[21-22]，本研究选取了最大NCCI 作为研究共收缩特征的指标。

人体完成动作时，拮抗肌与主动肌同步收缩[23]，幼儿通过RF 和BF 共收缩活动，调节膝关节和踝关节的稳定性[14]，TA 和LG 在运动中相互对抗，引起踝关节矢状面运动[24]。本研究发现，在跑、蹦跳和单脚跳的一个周期内，RB -NCCI峰值和TG-NCCI 峰值随年龄增加而增大，这是因为幼儿随着年龄增加，运动经验累积，神经控制姿势能力和核心功能的提高，动作技能逐渐成熟，RB-NCCI 峰值和TG-NCCI 峰值反映的膝关节和踝关节周围肌群的协调程度也在提高，下肢3 关节之间更加协调。动作之间，RB-NCCI 峰值和TGNCCI 峰值的差异性与动作技能的复杂程度呈现一致性，说明iEMG 从肌肉的机制上与动作复杂程度外在表现的一致。