异常步态很容易导致骨关节炎、脊柱侧弯或其他疾病，从而影响身心健康和社会功能[4-5]。对比正常步态，异常步态的足前部和后部的峰值压强和冲量表现出更高的趋势，不能充分利用足弓进行缓冲减震[2-3,6]。异常步态若不及时矫正，易诱发其他不良姿态[7]，从而改变肌肉的正常激活和收缩。
足底压力和表面肌电信号测试以其高精度、灵敏性和可靠性等的优点广泛用于特定动作和各种疾病造成的异常步态的生物力学分析[8-10]，可为动作评定和康复方案制定提供依据。然而，已有研究针对青年女性异常步态生物力学评定的详细证据还不够充分。
《国际功能、残疾和健康分类》 (International Classification of Functioning,Disability and Health,ICF)运用生物-心理-社会医学模式[11]，从身体结构与功能、活动和参与、环境因素、个人因素等领域评定和分析人类健康状况和功能状态[12]。利用ICF 可标准化人类运动功能评定，有效提升其信度和效度[13]。
本研究应用ICF 和生物力学手段评定和分析青年女性异常步态中的下肢肌肉活动和足底压力特征。
1 资料与方法
1.1 一般资料
2021 年9 月至2022 年5 月，于山东省烟台市招募60 例青年女性受试者，其中试验组30 例，为异常步态(“内八字”，步向角a ≤ -18°[5])；对照组30 例，均为正常脚型，且步态正常。试验组平均年龄(19.67±1.45)岁，身高(1.66±0.04) m，体质量(54.80±7.51) kg；对照组平均年龄(20.00±1.36) 岁，身高(1.65±0.05) m，体质量(52.67±7.09) kg。两组年龄(t=-0.700,P=0.512)、身高(t=1.167,P=0.250)和体质量(t=0.852,P=0.412)比较无显著性差异。
纳入标准：①18～25 岁[14]；②近3 个月无运动系统损伤；③汉族；④签署入组知情同意书，依从性好。
排除标准：①近3 个月内进行过相关康复训练；②意识障碍，精神病史；③近6 个月内进行过腿部、足部手术。
本研究经滨州医学院医学伦理委员会审批通过(No.2021-233)。
1.2 方法
运用ICF 对下肢运动功能进行编码。采用无线表面肌电测试仪(美国NORAXON 公司)，采集频率1 500 Hz，测试两组在自然行走过程中的下肢(股直肌、股二头肌、腓肠肌和胫骨前肌)表面肌电信号[15-16]；使用鞋垫式足底压力系统(美国TEK SCAN 公司)，采集频率40 Hz，测试自然行走过程中的足底压力特征[17-18]。表面肌电仪和鞋垫式足底压力系统使用Vicon 三维运动分析系统的数据转换盒同步器进行同步。
测试前进行热身运动5 min。剔除体毛后擦拭75%酒精，干燥后在股直肌、股二头肌、腓肠肌和胫骨前肌肌腹正中处粘贴一次性表面肌电片，连接和固定传感器。将无线足底压力鞋垫放置于同一品牌的运动鞋中，令受试者穿着配有足底压力鞋垫的运动鞋在10 m[19]的步态行道上连续走3 次，记录肌电信号积分肌电值(integral electromyography,iEMG)，足底各分区的触地面积、压力峰值、峰值压强和冲量。
依据F-Scan Research 数据分析软件分区定义，足底压力划分为第1 趾骨区，第2 趾骨区，第3 趾骨区，第4、5 趾骨区，第1 跖骨区，第2 跖骨区，第3 跖骨区，第4 跖骨区，第5 跖骨，中足区，足跟内侧区和足跟外侧区12个区域以及全足。
肌电信号采用Noraxon MR3 软件进行平滑过滤，整流和带通滤波(10～500 Hz)[20]，导出到Excel，数据做时间归一化处理，采用MatLab 2020 软件和Excel 2016软件进行数据计算。
异常步态人群步行时，足内旋，躯干随步行过度旋转，致使下肢肌肉功能和足底压力状态呈现出与正常步态人群不一样的特征，根据ICF 编码规则和指南[11]，本研究用下肢肌肉激活总量(用肌肉iEMG表示)和肌肉贡献率表示肌肉力量功能(b730)，将足底压力定义为b7701，并细化其子类目名称和编码，用于评定步态功能(b770)，限定值表示为0～4，从“没有问题(0%～4%)”到“完全问题(96%～100%)”共5 级[21]。步态测量和ICF功能匹配条目见表1。
表1 下肢运动功能评估指标、涉及的功能以及ICF编码
1.3 统计学分析
采用SPSS 22.0 进行统计学分析。定量资料符合正态分布，以()表示，采用独立样本t检验；不符合正态分布，以M(QL,QU)来表示，采用非参数检验Wilcoxon秩和检验。显著性水平α=0.05。
2 结果
2.1 肌电信号
2.1.1 iEMG
试验组在行走过程中胫骨前肌和腓肠肌的iEMG明显高于对照组(P<0.01)，股直肌iEMG 显著低于对照组(P<0.001)。见表2。
表2 两组下肢肌肉iEMG比较 单位：μV·s
2.1.2 肌肉贡献率
试验组股直肌肌肉贡献率低于对照组(P<0.05)，胫骨前肌高于对照组(P<0.05)；限定值，胫骨前肌和股直肌为b73042.2，腓肠肌和股二头肌为b73042.1。见表3。
表3 两组下肢肌肉贡献率比较 单位：%
2.2 足底压力特征
2.2.1 接触面积
试验组在第2～5 跖骨区、足跟外侧区和全足区域的地面接触面积明显大于对照组(P<0.01)，限定值为b77011.1。见表4。
表4 两组间足底接触面积比较 单位：cm2
2.2.2 压力峰值
试验组第1 跖骨区、中足区和足跟外侧区的压力峰值明显高于对照组(P<0.01)。见表5。
表5 两组间足底压力峰值比较 单位：N
2.2.3 峰值压强试验组第1～5 跖骨区和足跟外侧区的峰值压强高于对照组(P<0.05)。见表6。
表6 两组间足底峰值压强比较 单位：kPa
2.2.4 冲量
试验组第1 跖骨区、第4 跖骨区和足跟外侧区的冲量高于对照组(P<0.01)，在足跟内侧区明显低于对照组(P<0.01)。见表7。
表7 两组间足底冲量比较 单位：N·s
3 讨论
本研究旨在基于ICF 下肢运动功能分析异常步态生物力学特征，以期为“内八字”脚型矫正、康复和鞋设计的改进等提供证据。研究发现，在自然行走过程中，女青年异常步态的胫骨前肌放电量高于正常步态者，股直肌肌肉放电量低于正常步态，提示异常步态者的股直肌收缩力较弱，胫骨前肌肌肉收缩力较强；跖骨区和足跟外侧区的接触面积、压力峰值、峰值压强和冲量较高，足跟内侧区域的冲量较低。
步行功能是最基本也是最重要的功能，异常步态常伴随着的异常的运动控制，比如下肢相关肌肉的异常激活和收缩。肌肉贡献率、收缩和弹性组织的结构和功能的改变与姿势和衰老有关[22]。在自然行走过程中，异常步态者的胫骨前肌和腓肠肌的iEMG 明显高于正常步态者，而股直肌的iEMG则低于正常步态者，在四块肌肉中胫骨前肌和股直肌肌肉占据主导地位。原因在于异常步态者屈曲膝关节和背伸踝关节的幅度大于正常步态者，这可能导致异常步态者的胫骨前肌和腓肠肌的放电总量较高。究其原因，腓肠肌和股二头肌主动收缩触发神经肌肉系统控制，股直肌被动配合协调两块肌肉放松和收缩，产生膝关节屈伸[23-24]，致使股直肌的放电总量低于对照组。肌肉贡献率可分析动作中起主要作用的肌群[25-26]，与正常步态相比，异常步态者的胫骨前肌和股直肌主导性更强。异常步态易引起膝关节疼痛，跌倒风险增加[27-28]，严重者发展为膝关节炎[4]。虽然异常步态会引起膝关节内收力矩减小，但是同时增加膝关节屈曲角度，而增加膝关节屈曲角度对膝关节炎的康复有着不良影响[29]。异常步态者的胫骨前肌、股直肌和腓肠肌激活异于正常步态者。膝关节肌群激活不协调，内力分布不均，高应力区或高应力点的软骨可能会出现裂缝、溃疡、脱落，甚至导致膝周肌群肌肉力量减退、关节不稳、骨刺形成[30]。
下肢姿态异常导致行走动态失衡，可引起足底压力分布的变化[31-32]。正常步态，足底压力分布主要集中在足前掌和足跟区域[33-34]；而异常步态，足底压力分布发生改变。异常步态儿童的第1 跖骨区、第3、4跖骨区和足跟内侧区域的峰值压强大于正常步态儿童[2]。但儿童时期发育还不完全，足底压力的分布特征仍会随着年龄的增长而发生变化[33]，如大学生的足底压力有后移趋势，在足后部区域的冲量高于正常步态，在足前部的冲量低于正常步态[6]。也有研究发现前足外侧区和足中外侧区的负荷更高[35-39]。足底冲量反映的是地面反作用力在时间上的积累，可以衡量疲劳程度和预测损伤风险[36-37]。本研究中，相比于正常步态青年女性，异常步态者跖骨区和足跟外侧区的接触面积、压力峰值、峰值压强和冲量相对较大，提示在长时间的行走后，跖骨区和足跟区更容易疲劳，疼痛感更高，足底压力分布不均，易引起重心异常移位，支撑时通过身体姿势倾斜以维持稳定，最终易导致膝关节外翻[38]。无论膝关节内翻还是外翻，半月板受到的压应力均会增加，当高压应力持续时间过长时，就会对关节软骨有损伤，而膝关节炎一个主要的致病因素为关节软骨长期处于高压状态[39]。Astephen等[40]在5～11年的随访研究中发现，足底压力分布的改变向上传导会导致膝关节内部应力失衡改变，长期的异常促使膝关节炎的发生和进展。
ICF 可用于评定和分析人类下肢运动功能尤其是步态过程中的肌肉活动和足底压力状态，基于该架构分析和评定异常步态，可提高步态功能障碍者康复的针对性和时效，提升其步态功能[12,41-42]。本研究中，对照组为健康人群正常步态，在ICF 的功能评定中属于0 级没有问题，异常步态ICF 编码b7304 和b770 对应的限定值在1～2 级，有轻度到中度问题，若其长期足底压力异常分布和肌肉异常激活，不仅会对膝关节产生巨大的不良影响，对下肢其他关节亦有负面影响，因此需要矫正和针对性的康复训练。
综上所述，对比正常步态，青年女性在自然行走过程中，“内八字”步态者肌肉活动异常以胫骨前肌和股直肌为主，足跟外侧区的接触面积较大，峰值压力、压强和冲量较高，足跟内侧区域的冲量较低。
利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。
