分析儿童背书包行走步行停止的下肢肌肉活动

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    身体负重可影响身体质量中心相对于支撑面的位置及神经肌肉系统的功能,是影响姿势控制能力的重要因素。书包是儿童最为常见的负重工具,被形象的称为“儿童的职业负荷”,对学龄儿童的生活质量造成负面效应(可能与儿童腰背痛、颈肩部肌肉酸痛等有关)。
   
    国内、外关于儿童书包重量的调查发现,绝大多数儿童的书包重量超过自身体重(bodyweight,BW)的10%,有的超过15%BW.中国香港、欧洲及部分亚洲国家学生书包的平均重量甚至超过自身体重的20%.相关研究认为,儿童背较重的书包时会改变身体姿势及步态,影响肌肉活动,但研究中受试者均处于相对姿势稳定状态(静止站立或匀速步行),而日常生活中儿童背书包往返学校的途中有可能受到突发事件的干扰(如交通红绿灯或突然出现的障碍物等),此时需要儿童根据环境变化迅速做出反应,并借助步行停止(或急停)等策略来避免突发事件带来的伤害(碰撞、跌倒等)。因此,研究儿童背书包完成步行停止(急停)时的下肢肌肉活动,对了解动态姿势控制能力,预防意外伤害和避免跌倒等有重要意义。本研究选取9~11周岁男童,以空书包(0%BW)和15%BW书包为负重方式,以急停和有计划步行停止为终止方式,利用Noraxon表面肌电测试系统采集双侧下肢胫骨前肌、腓肠肌、股直肌和股二头肌的表面肌电信号,对儿童背书包行走步行停止时的下肢肌肉活动进行分析,进而探讨书包重量和不同的步行停止方式对身体动态姿势稳定的影响。
   
    对象与方法
   
    研究对象
   
    根据北京大学儿童青少年卫生研究所制定的的《中国学生超重、肥胖BMI筛查标准》,选取郑州市某小学20名9~11周岁健康男性儿童参与本实验。实验前由受试者家长签订知情同意书,在实验的整个过程中,家长全程陪伴,两名急诊医生进行医务监督。
   
    研究方法
   
    书包重量通过问卷调查对部分小学生的书包重量和主观感受进行初步了解。随机选取郑州市部分小学24男、23女,共47名小学生,对其书包进行称重,约65%的学生的书包重量在10%BW到15%BW之间,约25%的学生的书包重量超过15%BW.目前,国内、外关于儿童背书包的最适重量尚无定论,因而,本研究中将每位受试者所要背的书包重量确定为:自身体重的0%(空书包)、15%.
   
    步行停止方式根据Tirosh的步行停止理论,步行停止按照停止方式可分为有计划步行停止和急停。有计划步行停止是指行进开始前告知受试者停在指定位置;急停是指受试者以行进中突然出现的终止信号为指令而停止步行。本研究模拟学生上、下学时可能遇到突发状况(汽车鸣笛,红绿灯等)而做出的急停动作,比较与有计划步行停止的差异,以及书包重量的影响。
   
    实验操作
   
    受试者分别背不同重量的双肩书包,分别为空书包和体重的15%(记作0%BW和15%BW),以舒适速度在10.0m×1.8m步行通道(图1)上按要求分别完成有计划步行停止和急停测试,整个测试中步行时两眼目视正前方。成功完成一次测试的标准为:行进过程中头和躯干无随意运动,双足按要求分别停在两块测力台上并保持静止姿势至少3s,表面肌电成功记录并保存数据。有计划步行停止测试:要求受试者行进至步行通道的指定位置(测力台区域)停下,并保持该姿势至少3s.急停测试:行进过程中,要求受试者看到信号刺激灯(固定于受试者行进方向的正前方、步行通道末端,高度与双眼平齐)变亮时立即停下,并保持该姿势至少3s.信号灯由固定于测力台前的触发开关或手动开关控制使其随机变亮。所有受试者在每种条件下重复测试3次,取均值。
   
    研究指标
   
    采集受试儿童步行停止时双侧下肢胫骨前肌(TA)、腓肠肌(内侧头)(Gas)、股直肌(RF)和股二头肌(BF)的表面肌电信号。利用Noraxon表面肌电仪自带的MRXPMaster软件进行全波整流、平滑及低通滤波(3Hz)分析,指标包括:肌肉募集起始时间、肌肉兴奋时程、积分肌电和最大振幅。根据Bishop等的方法,截取静息状态下30ms44体育科学2013年(第33卷)第8期内的肌电信号,计算平均振幅与标准差(SD),当肌电振幅大于平均振幅以上2个标准差,并持续至少10ms时,认为肌肉开始兴奋。
   
    统计学分析
   
    运用双因素方差分析(Two-WayANOVA)比较书包重量和步行停止方式对下肢肌肉活动各指标的影响,以t检验比较两种步行停止方式、两种书包重量各自的差异,所有参数结果以平均数±标准差的形式表示,显着性标准为P<0.05,统计工作采用SPSS17.0软件进行。
   
    结果
   
    书包重量和步行停止方式对胫骨前肌等行走相关肌群肌肉募集起始时间(MRO)、兴奋时程、积分肌电(iEMG)和最大振幅值的影响(表2~表5)。双因素方差分析表明,书包重量和停止方式对制动腿和尾随腿相关肌群的兴奋时程、积分肌电的影响及其交互作用均有明显统计学意义(表6、表7);书包重量、停止方式及其交互作用对制动腿胫骨前肌、腓肠肌、股二头肌最大振幅影响显着,对尾随腿股直肌、股二头肌最大振幅影响显着(表8)。
   
    本研究急停和有计划步行停止时不同书包重量下制动腿和尾随腿最大振幅的急停时,制动腿胫骨前肌、股直肌开始动员的时间随书包重量增加而提前,腓肠肌动员时间延后,尾随腿胫骨前肌和腓肠肌开始动员的时间提前,股直肌和股二头肌开始动员的时间均延后(表2)。急停时制动腿肌肉兴奋时程随书包重量增加而增大,负重15%BW时腓肠肌和股直肌兴奋时程显着大于0%BW时的时间(P<0.05),尾随腿腓肠肌和股直肌兴奋时程在背15%BW书包时均显着小于0%BW(P<0.05),而股二头肌兴奋时程则显着增大(P<0.05)(表3)。制动腿急停时胫骨前肌的iEMG大于有计划步行停止,15%BW时具有显着性差异(P<0.05),尾随腿肌肉的iEMG在急停和有计划步行停止之间没有明显差异(表4)。制动腿各肌肉的最大振幅在急停时大于有计划步行停止时,15%BW时这种差异更显着(P<0.05)(表5)。
   
    讨论
   
    下肢肌肉活动情况是研究步行停止时身体动态姿势稳定的重要参数。步行停止时下肢肌肉活动主要表现为3种形式:保持不变、活动增加和活动减小。通常使用表面肌电来研究肌肉活动情况。
   
    Hase等对急停的生物力学特点进行了研究,要求8名受试者(4男、4女)以舒适速度步行,当感觉到腓浅神经受到电刺激时立即停止步行,结果认为急停时采用了3种方式:
   
    1)在摆动腿足跟触地以减小向前的动量之前摆动腿的伸肌协同作用就已经启动;2)推进期支撑腿的活动受到抑制以减小向前的冲击并保持支撑腿位于身体后面;3)如果前两种方式仍不足以使身体停下,身体会通过增大跖屈抬高足跟使整个身体重心上升而将部分动能转换为势能。同时,Schwesig等认为,跖屈肌的活动是引起快速制动时期步态减速的主要原因。本研究以9~11周岁儿童为研究对象,以空书包(0%BW)和15%BW书包为负重方式,以急停和有计划步行停止为终止方式,对儿童背书包行走步行停止时的下肢肌肉活动进行分析,进而探讨书包重量和不同的步行停止方式对身体动态姿势稳定的影响。
   
    急停和有计划步行停止维持身体姿势稳定的肌肉活动特点本研究结果显示,急停时制动腿的股二头肌最先被动员,在足跟触地后就已经开始动员参与制动,其次是胫骨前肌。根据本研究实验设计的要求,外界刺激信号发生时,制动腿处于摆动相前期,股二头肌活动能屈膝伸髋,使制动腿在制动前期(摆动相时期)减速,一方面,有助于减小向前的动量或冲量;另一方面,有助于减小足跟触地时地面的冲击;足跟触地后,快速制动期结束并进入推进期,股直肌和腓肠肌开始被动员,股直肌的伸膝作用使下肢伸直保持直立状态,腓肠肌使踝关节跖屈增加有助于减小向前的推进力同时还可使身体质量中心适度升高而将部分动能转化为势能或将部分向前方向的动量转移到垂直方向。尾随腿在制动腿足跟触地后(快速制动期结束)进入摆动相,腓肠肌最先动员,其次是股直肌,紧接着是股二头肌,胫骨前肌最晚被动员。尾随腿在摆动相最先动员腓肠肌使踝关节跖屈增加,这有利于改变足落地顺序使前脚掌先落地(正常步行时足跟先落地然后过渡到全脚掌着地),这种方式有利于抑制向前方向动量的增加同时减小推动期的推进力;动员股直肌使膝关节伸直,如果不要求尾随腿再向前迈步则有助于形成支撑保持该侧肢体位于身体后,由于本研究要求尾随腿必须停于制动腿侧,此时动员股二头肌屈膝有利于向前迈步,而胫骨前肌的最后动员则能及时阻止身体继续向前推进。有计划步行停止时,制动腿最先动员胫骨前肌然后动员股二头肌,表明踝关节调节机制在有计划步行停止时起主要作用。这可能是有计划步行停止时,在抵达指定位置前,步行者已经根据环境条件改变而提前减小了步行速度、调整了步频和步长,充足的反应时间以及充分的准备使步行者仅依赖踝关节调节机制就能顺利完成步行停止。
   
    急停和有计划步行停止是步行停止的两种形式,以制动腿足跟触地时刻为参考标准,急停时胫骨前肌、腓肠肌、股直肌和股二头肌的动员时间较有计划步行停止时肌肉动员时间更早,最大振幅以及iEMG更大,但兴奋持续的时间稍短。这可从急停和有计划步行停止时的神经肌肉反应形式来解释:急停多发生于突发情况时,对于终止信号刺激出现的时间、地点以及停止位置的环境等不可预知,属于反馈反应,大脑在接收了刺激信息后才发出指令做出相应反应,如肌肉开始活动等;有计划步行停止多出现在既定任务中,属于前馈反应,步行者只需依照大脑中枢的指令停在指定终止位置即可,肌肉可提前兴奋参与到制动过程中。对步行停止的预判能影响下肢肌肉的活动,而且这种影响甚至在足跟触地之前就已经出现,如Bishop等发现,有计划步行停止时,腓肠肌在足跟触地前就已经动员,而正常步行时则在足跟触地后才开始动员。
   
    无论是急停,还是有计划步行停止,制动腿的肌肉活动均明显大于尾随腿。这主要是因为制动腿在急停和有计划步行停止中起主要作用,而尾随腿仅起辅助作用,研究指出,步行停止第二步的主要作用是用来维持身体侧向姿势稳定。
   
    有学者对成年人步行停止时下肢肌肉活动和作用进行了研究,如Tirosh等选取12名年轻男性和12名老年男性分别以3种速度步行完成步行停止测试,通过胫骨前肌、腓肠肌、股二头肌、股外侧肌和臀中肌的表面肌电变化分析年龄和步行速度对步行停止时肌肉募集的影响。结果发现,制动腿肌肉反应显着快于尾随腿,且随着步行速度增大,摆动腿参与步行停止的肌肉数目减少;老年人支撑腿肌肉反应慢于年轻人,摆动腿肌肉动员减少,腓肠肌和臀中肌兴奋程度减小。
   
    Crenna等在分析步行停止的动作模式时指出:支撑腿肌肉活动依循由远端到近端的顺序,股后肌群为主要肌群(比目鱼肌和腘绳肌);摆动腿肌肉遵循由近端到远端的顺序,伸肌群起主要作用(股四头肌和比目鱼肌)。而本研究结果发现,急停和有计划步行停止时,儿童均主要依赖制动腿完成步行停止,而急停时,肌肉动员顺序由上到下(依次为股二头肌、胫骨前肌、腓肠肌或股直肌),依赖踝关节策略、髋关节策略来维持姿势稳定和身体平衡;有计划步行停止时,肌肉动员顺序由下到上(依次为胫骨前肌、腓肠肌、股47牛进平:儿童背书包步行停止时下肢肌肉活动的生物力学分析二头肌和股直肌),主要借助踝关节策略维持姿势稳定和身体平衡。
   
    书包重量对急停和有计划步行停止时身体动态姿势稳定的影响步行停止受多种因素影响,Tirosh等的研究认为,步行速度会影响步行停止。通常支撑腿的肌肉反应先于摆动腿,股二头肌最先活动,然后是胫骨前肌或股外侧肌,最后是臀中肌和腓肠肌,摆动腿则是股外侧肌最先活动,然后是臀中肌和胫骨前肌。随步行速度增加,肌肉募集起始时间缩短,摆动腿参与活动的肌肉数目在足跟触地前即显着减小。背书包额外增加了身体负荷,对步行停止的机制策略会产生影响。本研究发现,随书包重量增加,肌肉募集顺序未发生明显变化,但肌肉开始动员所需的时间和兴奋持续的时间均延长,积分肌电以及最大振幅均有不同程度的增加。研究发现,背书包尤其是背较重的书包,机体更容易疲劳。疲劳时神经肌肉反应时延长,有研究指出,股内侧肌和腓肠肌的反应时在运动后即刻显着增加。疲劳时肌肉电活动表现为肌肉募集起始时间滞后以及积分肌电增大等。另外,步行停止时要求向前的动量为零,背书包后,同一步行速度下向前的动量增加(M=m×v,M表示动量,m表示质量,v表示步行速度),为有效完成步行停止任务,要求快速增大制动力以对抗向前方向动量,这将迫使机体在短时间内迅速动员更多肌肉参与活动。
   
    踝关节背屈是步行停止时的主要策略之一。Bishop等发现,终止信号出现在足跟触地时刻时,增加腓肠肌活动能减弱下肢向前推进的效果,增加胫骨前肌和臀中肌的活动可限制踝跖屈及保持下肢处于伸直状态。踝关节背屈能减小身体质量中心需要向前推进的位移,与躯干屈曲结合能维持身体质量中心位于足支撑面以满足身体平衡的需要,而增加负荷后,踝关节背屈肌负荷增加。另有研究发现,踝关节背屈是负重条件下维持身体平衡预防跌倒的有效策略之一。负重后,踝关节背屈肌(如胫骨前肌)的活动发生改变(有计划步行终止时,制动腿胫骨前肌的兴奋时程由零负重时的1.22ms延长到1.24ms,积分肌电从12.52μV*s增加到12.58μV*s,急停时则分别从1.20ms增加到1.21ms和13.29μV*s到15.24μV*s)。除了踝关节策略外,髋关节策略同样是步行停止时调整身体姿势的方式。伸髋肌群活动能产生伸肌力矩保证支撑腿位于身体后侧,有利于维持身体重心位于双足支撑面避免步行停止时发生跌倒。
   
    Hase等指出,步行停止时动员腓肠肌、股外侧肌和臀中肌能分别使踝关节、膝关节和髋关节伸展,若其中任何肌肉动员出现问题则可能会因为不能产生足够的伸肌力矩使身体重心保持在双足支撑面内。另有研究指出,股二头肌活动有助于髋关节伸展保持支撑腿位于身体之后。本研究结果显示,随着书包重量增加,股二头肌兴奋时程延长,但积分肌电和最大振幅均有减小的趋势,这可能是背书包后使得肌肉趋于等长收缩或离心收缩所致,因肌肉等长收缩或离心收缩均可使肌肉积分肌电和最大振幅减小。引起这种变化的另一个原因可能是,随书包重量增加,步行停止时股二头肌参与活动的时间延长,所起的作用减小,髋关节策略逐渐被其它的姿势策略(踝关节策略、膝关节策略等)所取代。
   
    结论:
   
    急停和有计划步行停止的肌肉活动特点有差异,且因书包重量影响,从而改变维持动态姿势稳定的策略。有计划步行停止时主要依赖踝关节策略;急停时除踝关节策略外,髋关节策略和膝关节策略可能在维持姿势稳定时起重要作用,当书包重量为15%BW时,下肢肌肉需要募集更多的运动单位来维持身体姿势稳定。背书包后所引起的这些改变与儿童身体健康有密切关系,因此,日常生活中应注意避免儿童背过重的书包。
   
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