不同负荷情况下足底压力及肌电特征分析

张秀丽，都志豪，吴 健，张 军，杨文光，张 伟

(1.郑州大学 体育学院(校本部)体医融合发展研究中心,河南 郑州 453000；2.西安交通大学 体育中心，陕西 西安 710049；3.西安交通大学 第一附属医院，陕西 西安 710061；4.空军军医大学 空军卫勤训练基地体育教研室，陕西 西安 710032)

0 引言

足具有支撑体重、减缓冲击、分散压力、产生动力和调节平衡等功能，是人体行走、奔跑和跳跃动作的基础[1-4]。足底压力的变化反映了人体丰富的生理结构和机体功能信息，可作为下肢运动科学性的诊断依据[5-7]。文献[8]通过测量外八步态群体的足底压力发现： 外八步态的足底压力参数均与正常步态存在不同程度的差异。长时间负荷运动会对足弓脚踝等部位的状态产生重要影响，是诱发足部损伤甚至骨折的重要原因[9-12]。足底压力变化还可以诱发糖尿病足溃疡等一系列足部健康问题[13]，文献[14]进一步探讨了老年糖尿病患者与正常老年人足底压力的特征及差异性，为老年糖尿病患者的足部产品设计提供了数据参考。此外，足部压力测试对鉴别扁平足、足底筋膜炎和高弓足等足部疾病效果显著[15-17]。因此，对人体负荷行走状态下的足底压力变化及关节应对情况进行研究，可以为疾病的诊断和治疗提供重要参考[18]。

文献[19]对等速不同负荷状态下跑台上的双支撑和摆动相时间特征进行了试验，试验结果表明：当受试者负荷分别为体质量的20%、30%、40%和50%时，双支撑时间与负荷值大小呈正向相关，摆动相时间与负荷大小呈现出负相关。文献[20]以40 m平地走代替等速跑台运动，并增加60%体质量负荷对照组别，进一步证实了负荷增加引起双支撑时间显著增大，且步幅随着负荷增加而下降，下肢关节角度随之变化。

在临床医学和对人体运动的研究中[21]，通过肌电变化、关节运动、肌肉牵拉、骨骼受力以及生理生化指标探究人体机能，已经成为一种科学有效的手段，并广泛应用于各类人群和各类运动中。如文献[22]基于脑卒中患者肩部出现的不同程度的运动功能障碍,设计了上肢康复运动的肌肉电信号采集系统。文献[23]设计并制作了一套完整的基于腿部多部位肌肉表面肌电信号评估腿部肌肉疲劳状态的智能识别系统[23]。此外，肌电信号对关节损伤恢复及运动锻炼也有重要的指导作用[24]。

基于上述研究，本文进一步从足底压力和肌肉电信号两个方面进行了综合研究，同步记录了行走和奔跑过程中腿部肌肉电信号和足底压力，并对不同负荷状态下足底压力和肌肉电信号的变化趋势进行了总结。

1 对象和方法

1.1 试验仪器及受试者

测试仪器：noraxon公司的表面肌电测量仪、配套产品三维测力台、Vicon Nexus运动捕捉系统；一次性肌电片40个；胶带1卷；背包1个；测量尺1个；5 kg哑铃片4个；绷带1卷；酒精棉球1包；15 cm软质台阶盒2个。

受试对象：6名20～22岁身体健康的郑州大学和西安交通大学男性二级运动员，无行走和跑跳等运动功能障碍，且测试前24 h内睡眠良好，无饮酒，无剧烈运动。所有受试对象完全理解试验意图，自愿参与本次试验。受试者基本情况如表1所示。

表1 受试者基本情况表

1.2 试验方法

受试者进行与试验相关的热身活动。用酒精棉球擦拭肌电信号测量部位：腓肠肌(外侧肌腹隆起处)和胫骨前肌(胫骨上肌腹隆起最高点)。在右腿检测位置贴上肌电片，并用绷带加固防止测试中脱落或干扰仪器的测量。打开仪器，通电测试，肌电图反应正确，仪器可以使用。

使用红外线标定丁字尺对运动捕捉系统的摄像头进行标定。在受试者下半身各个特征部位贴上反光球。在标定完成后，站在摄像头适当位置观察是否有严重的缺点漏点情况。受试者A站在跑步机上，进行跑步的动作。观察电脑软件上肌电图、足底压力图和运动捕捉是否同步工作。

受试者A站在跑步台上，并将跑步机速度设为3 km/h(行走状态)。当足底压力和肌电图达到平稳状态时，点击记录按钮开始记录。记录几个完整周期之后，停止记录并保存数据。将跑步机速度设为5 km/h(跑步状态)。重复上述步骤，记录跑步状态下的足底压力和肌电图。受试者A负荷质量分别为5 kg、10 kg和15 kg，重复以上步骤，得到受试者A在负荷质量5 kg、10 kg、15 kg时在走、跑、上下台阶4种步态下足底压力、肌电图系统的数据。

受试者B～F 重复受试者A的所有试验步骤并记录相应数据。

1.3 数据的收集

由于表面肌电信号幅度小、信噪比低，易受周围环境磁场、电流磁场以及其他噪音干扰，试验时最大程度降低50 Hz工频干扰和试验仪器内部电子噪声的影响，同时保证仪器可靠接地，所有试验参与人员关闭手机、手表和平板电脑等电子设备。

在得到表面肌电图记录和足底压力之后，利用软件自带的数据处理功能得到积分肌电IEMG和均方根振幅RMS。

2 结果和分析

2.1 不同步态和不同负荷质量足底压力分析

2.1.1 行走状态下的足底压力

行走状态不同负荷下，各个受试者的足底压力峰值见表2。

表2 行走状态不同负荷质量下各个受试者足底压力数值 N

由表2可知：行走状态下随着负荷质量的不断增加，地面对足底的反作用力呈现明显增加的趋势。并且增大相同的负荷质量时，足底压力之间的差值也有增大的趋势。这表明在该负荷质量范围内，人体的行走系统可能主要通过增加垂直于地面的足底压力，以抵抗负荷质量对行走带来的影响并补偿因负荷质量而产生的额外能量消耗。

2.1.2 跑步状态下的足底压力

跑步状态不同负荷质量下，各个受试者的足底压力峰值如表3所示。

表3 跑步状态不同负荷质量下各个受试者足底压力峰值 N

由表3可知：跑步状态下随着负荷质量增加，地面对足底的反作用力有增大的趋势。但是随着负荷质量的不断增大，足底压力的增加呈现明显减小的趋势。

图1是某位受试者在负荷0 kg、5 kg、10 kg和15 kg跑步情况下，右脚的足底压力变化图。由图1可知：随着负荷质量增加，脚与地面的作用时间逐渐增加。由于双脚与地面接触时间增加，导致跑步过程中的腾空时间变短，足底压力也随之减小。

(a) 跑步(负荷0 kg)

此外，本文还对跑步过程中不同负荷质量下足底压力平均值数据进行了计算，如表4所示。由表4可知：随着负荷质量增加(负荷质量较大时)，足底压力峰值虽然变化不大，但是由于腿支撑时间随着负荷质量的增加出现显著性增加，以及腿部摆动的时间随着负荷质量的增加出现显著性降低，从而使跑步期间足底压力平均值增大，以补偿负荷质量带来的能量损耗[17]。

表4 跑步过程中不同负荷质量下足底压力平均值 N

2.2 不同步态和负重肌肉有效放电值(root mean square,RMS)分析

人体行走、奔跑和跳跃等动作是大小肌肉群、骨骼、肌腱等通过复杂的协同配合完成的，行走状态下踝、膝、髋等各关节角度、受力情况均不相同，牵拉骨骼相应肌肉的肌电状态、活跃强度和疲劳程度等也各不相同。

2.2.1 行走状态下胫骨前肌和腓肠肌RMS变化趋势分析

行走过程中，各个受试者胫骨前肌与腓肠肌在不同负荷质量下RMS平均值，分别如表5和表6所示。

表5 行走过程中胫骨前肌RMS平均值 μV

表6 行走过程中腓肠肌RMS平均值 μV

由表5和表6可知：行走状态下随着负荷质量增加，胫骨前肌RMS有增大的趋势，但变化不太明显。而腓肠肌RMS呈现显著增大的趋势。

2.2.2 跑步状态下胫骨前肌和腓肠肌RMS变化趋势分析

跑步过程中，每个受试者胫骨前肌与腓肠肌RMS平均值分别如表7和表8所示。

表7 跑步过程中胫骨前肌RMS平均值 μV

表8 跑步过程中腓肠肌RMS平均值 μV

由表7和表8可知：跑步状态下随着负荷质量增加，胫骨前肌RMS显著减小，腓肠肌RMS显著增大。

2.2.3 胫骨前肌和腓肠肌收缩时间分析

随机选择其中一个受试者，胫骨前肌和腓肠肌电信号的变化如图2所示。由图2可知：胫骨前肌和腓肠肌分别在行走周期的不同时段产生作用。腓肠肌在人体运动中分为活动状态和静息状态，如行走时，活动状态发生在足跟离地至足趾离地的蹬离期，此时人体重心前移向上，而后步态周期进入摆动期时，腓肠肌转换为静息状态。与此相对，整体步态周期中的胫骨前肌几乎持续保持活动状态，通过足部动作特征和肌电信号，可以看到其状态经历了支撑初期的高度活跃(保持足背伸使足跟先着地)，支撑中末期的逐渐减弱(以胫后肌群为主，胫骨前肌发挥协同作用，保持足在内、外方向上稳定)，摆动期的再次较小程度活跃(使足趾提离地面)。

(a) 足底压力随时间变化曲线

3 结论

(1)在行走状态下，足底压力随负荷质量增加而呈现增大的趋势。而跑步状态下，当负荷质量超过15 kg时，足底压力逐渐趋于一个极限值。

(2)在不同的运动形式下，同一肌肉的RMS随着负荷质量增大可能出现不同的变化趋势。如胫骨前肌RMS在行走过程中随负荷质量增加有少量增大的趋势，而在跑步过程中随负荷质量增大而显著降低。

(3)腓肠肌RMS在两种运动形式中随着负荷质量增大都呈现显著增大的趋势。

(4)在整个步态周期中，腓肠肌主要作用在足跟离地至足趾离地的蹬离期，而进入摆动期时，腓肠肌转换为静息状态。

(5)胫骨前肌发力主要发生在步态周期摆动相。