太极拳野马分鬃与北欧式健走步态的SEMG对比分析

毕耕超 张彦龙 王春霞

(牡丹江师范学院 黑龙江牡丹江 157011)

步态是人类行走和进行其他运动的最基本的活动特征，也是使人体产生位移的一种复杂的随意运动［1］。太极拳是一种下肢运动相对复杂的运动，其步态包括向前移动、向后移动和侧向移动，其中向前移动的代表动作为野马分鬃［2］。北欧式健走（越野行走）源于冰雪运动，只需一副手杖，就能随时随地进行锻炼，现已成为世界上发展最快的大众健身项目之一。太极拳和北欧式健走都是普及性较广的群众体育运动，都有利于促进大众体育的推广以及增强体质和增进健康［3］。查阅国内外文献，探究太极拳步态特征的研究较多，而研究北欧式健步走的相关研究较少，并且通过运动生物力学的方法对二者运动特征差异的研究更少。利用表面肌电技术对下肢肌肉特征进行信号分析，一般采用线性分析中的时域和频域分析，当然非线性的分析方法也值得探究［4］。

我国有关北欧式健走的相关研究相对较少。张超［5］曾对北欧式健走和正常走的右侧肌肉进行过相关研究，发现北欧式健走步态下肢表面肌电信号与正常的行走步态下肢面肌电信号无显著变化（P＞0.05）。关于太极拳的研究相对较多，有关肌电的研究较多。但是，研究主要集中在太极拳本身、专业太极拳和初学者的动作和步态差异性比较以及太极拳的下肢肌肉活动等［6］，而对于太极拳和其他运动的横向对比的研究相对较少。该研究主要通过表面肌电技术对比两种步态的差异，对不同项目的下肢肌肉活动规律进行探究。

Vaughan 等［7］在Dynamics of Human Gait 一书中详细论证了正常步态周期，下肢28块肌肉不同时相的激活模式，结合多项研究，对腿部的16 块主要肌肉进行因子分析，发现通过3～4 个主要因子就可以初步解释人的步态周期过程中的步态肌肉特征，其中胫骨前肌和小腿三头肌为主要因子。

该研究主要通过对野马分鬃和北欧式健走步态的下肢主要肌肉（胫骨前肌、腓肠肌内外侧）的肌电信号做时域和频域的信号分析，通过时域和频域的相关数据和数值（IEMG、RMS、共激活比、共收缩指数、MPF 和MF等）来比较两种步态的差异。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

实验研究共招募测试者16 人，测试者身体状况良好，在测试期间无下肢关节疼痛和损伤，经招募自愿参加此次实验。测试者基本情况如表1所示。

表1 测试者基本信息（±s）

表1 测试者基本信息（±s）

1.2 研究方法

1.2.1 实验设备

该文采用瑞典Qualisys 公司生产的室内/室外型动作捕捉及分析系统，以及美国DELSYS公司的Trignolab版16通道表面肌电Trigno®无线生物反馈系统。

1.2.2 实验前期准备

（1）动作捕捉数据采集前的准备

该实验在牡丹江师范学院体育与健康科学学院运动生物力学实验室进行。根据Qualisys PAF package的模型给测试者贴Marker 点，从上至下Maker 点的位置包括左右髂前上棘、左右髂后上棘、左右大腿的Cluster板、左右膝关节外上髁和内上髁、左右小腿的Cluster板、左右踝关节的外髁和内髁、足跟、左右脚的第一、二、五跖骨［8］。

（2）Delsys肌电采集前的准备

用医用酒精湿巾擦拭皮肤表面，同时要求传感器的尖头与肌纤维方向一致，并采用医用胶带固定传感器的位置，从上至下的贴传感器的肌肉包括右腿腓肠肌内侧、腓肠肌外侧、胫骨前肌。

1.2.3 实验数据采集

设置QTM的数据采集频率为100Hz，DELSYS无线表面肌电的频率为2000Hz。开始采集前，测试者在实验室熟悉场地和动作。一切准备就绪后开始采集，包括1 组：野马分鬃动作采集，测试者以起势动作做准备，以前进脚脚跟离地为起始，以前进脚变为支撑脚脚尖离地为终，动作流畅无失误为一次有效；2组：测好测力台的位置进行双手持健走杖行走，每位测试者共采集3次取平均值［9］。

1.2.4 实验数据处理和统计学分析

（1）肌电信号处理

从QTM 软件导出有肌电模拟信号。应用MAT‐LAB R2019a 导入模拟数据，对原始肌电信号进行4 阶20～500Hz的带通滤波和50Hz的低通滤波，之后进行整流、最大值归一化获得处理后的数据。

（2）肌电数据处理

获得时域和频域的数据。应用Originlab2018软件和SPSS 25 软件进行独立样本t检验处理（置信区间百分比均定在95%），数据均以平均值和标准差（-X± S）的形式表示。

1.2.5 概念公式解析

该研究中计算了腓肠肌的共激活比，公式为（腓肠肌内侧RMS/腓肠肌外侧RMS）；腓肠肌的共收缩指数，公式为(EMGL+EMGM)× EMGL/EMGM。EMGM代表激活程度较高的肌肉，EMGL代表激活程度较低的肌肉。IEMG，RMS，MPF和MF。

2 研究结果

2.1 野马分鬃和北欧式健走的肌电信号时域特征结果比较

由表2 可知，北欧健步走的腓肠肌内侧积分肌电值和均方根值显著高于太极拳野马分鬃（P＜0.01）。野马分鬃的胫骨前肌积分肌电值（P＜0.05），均方根值（P＜0.01）均是显著高于北欧式健走，腓肠肌外侧的分肌电值和均方根值没有显著性差异。

表2 两种步态的时间序列的三块肌肉的IEMG和RMS的对比（±s）

表2 两种步态的时间序列的三块肌肉的IEMG和RMS的对比（±s）

两组项目相比，**表示P<0.01，*表示P<0.05。

2.2 野马分鬃和北欧式健走的RMS包络线比较

图1 展示了两位测试者在进行野马分鬃和北欧式健走一个步态周期的均方根，随着时间序列的推移腓肠肌内外侧和胫骨前肌的RMS包络线的变化。

图1 北欧式健走（左）和野马分鬃（右）三块肌肉的RMS包络线图

2.3 野马分鬃和北欧式健走下肢腓肠肌的共激活比和共激活指数比较表

从表3 可以得知，北欧式健走和野马分鬃的腓肠肌的共激活比和共收缩指数。两个步态的共激活比，北欧式健走显著大于野马分鬃（P＜0.01），腓肠肌内侧和外侧共收缩指数（P>0.05）差异不显著，腓肠肌外侧和胫骨前肌共收缩指数北欧健步走显著高于拳野马分鬃（P＜0.05）。

表3 两种步态腓肠肌的共激活比和踝关节的共收缩指数（±s）

表3 两种步态腓肠肌的共激活比和踝关节的共收缩指数（±s）

两组项目相比，**表示P<0.01，*表示P<0.05。

2.4 野马分鬃和北欧式健走的肌电信号频域特征比较

从表4 可以看出，一个周期内北欧式健走和野马分鬃步态下肢3 块肌肉的平均功率频率和中位频率值。两种步态的腓肠肌内侧的平均功率频率北欧健步走显著高于太极拳野马分鬃（P＜0.01），胫骨前肌的平均功率频率野马分鬃显著高于北欧式健走（P＜0.01）。两种步态的3 块肌肉的中位频率值均没有显著性差异。

表4 两种步态的频域的三块肌肉的MPF和MF的对比（±s）

表4 两种步态的频域的三块肌肉的MPF和MF的对比（±s）

两组项目相比，**表示P<0.01。

3 研究分析

3.1 两种步态的时域信号特征积分肌电值和均方根值的比较

积分肌电值（IEMG）是指在某一段时间内肌肉中参与活动的运动单位放电总量，通常其幅值随疲劳程度的加深而增加。均方根值（RMS）可以反映随着时间序列的推移运动单位的募集程度［11］。从表3 可以看出，在北欧式健走运动过程中，腓肠肌内侧的两个值均大于野马分鬃。腓肠肌的主要作用是支配踝关节的跖屈［12］。腓肠肌内侧的IEMG和RMS较大的原因可能在于健步走时踝关节的屈曲较大造成了腓肠肌内侧的放电总量增加。胫骨前肌的主要作用是使足部背伸和内外翻［13］。野马分鬃的胫骨前肌的IEMG和RMS较北欧式健走大可能是因为在野马分鬃的腾空期，脚尖是背伸的，并且在支撑期野马分鬃有一个落地向身体扭转的动作，所以足部的背伸和外翻要靠胫骨前肌完成。

3.2 两种步态的时域信号均方根值包络线的比较

RMS 包络线是应用窗函数和MATLAB 的Envelope函数的上包络线依据最大值归一化之后的均方根值绘图功能获得的，图片中均采用单位为50ms的窗口进行绘制。RMS包络线可以反映运动单位数量的募集程度和放电频率的同步化程度［11］。从图1 可以看到，胫骨前肌和小腿三头肌分别为主动肌和拮抗肌，由于腓肠肌和胫骨前肌对于踝关节的控制作用，依据RMS 包络线也能够推测出在北欧式健走的腾空期胫骨前肌的肌纤维募集程度较高，在支撑期随着脚跟着地和脚尖离地脚背逐渐背伸，腓肠肌的募集程度逐渐增多。野马分鬃的步态相对复杂，主要在于支撑期脚踝有勾脚尖和外翻的动作，在最后脚尖蹬离地面时，3 块肌肉相互协同，增大了肌肉募集程度，所以曲线会出现最后的尖状峰值。

3.3 两种步态的腓肠肌内外侧共激活比和共收缩指数的比较

腓肠肌内外侧的协同性是维持踝关节屈曲的重要保证。从两种步态的腓肠肌内外侧的共激活比可以看出，北欧式健走的激活比为1.867∶1，大于1∶1，甚至接近2∶1，可能是在整个步态中腓肠肌内侧在屈踝中的作用更大。结合RMS 包络线可以看出，腓肠肌内侧首先激活进行收缩发挥作用，而野马分鬃的激活比为0.841∶1，可能是为了维持整个动作中关节的稳定性。而两种步态的腓肠肌外侧和胫骨前肌的共收缩指数差异显著，北欧式健走的共收缩指数更高。

3.4 两种步态的频域信号平均频率和中位频率的比较

关于肌电信号的频域分析方，首先要通过FFT 获得SEMG 信号的功率谱密度（PSD）［14］。功率谱图能够反映SEMG 信号在不同频率范围内的强度，平均功率频率（MPF）和中位频率（MF）就是常见的指标，代表了肌电信号频谱的重心频率，能够反映肌肉的生物力学特性，但是FFT目前存在局限性。

从研究结果可以看出，两种步态单个周期内的腓肠肌内侧和胫骨前肌的MPF 具有统计学差异，但是两个频域的数值没有时间分辨率，所以不能定位时间，只能够从肌肉产生肌电信号的频域区间进行分析。北欧式健走的腓肠肌内侧的MPF 大于野马分鬃，而野马分鬃的胫骨前肌的MPF大于北欧式健走。

4 结语

（1）北欧式健走腓肠肌内侧的IEMG 和RMS 均大于野马分鬃，原因可能是北欧式健走的踝关节的屈曲较大，造成了腓肠肌内侧的放电总量增加。野马分鬃的胫骨前肌的IEMG 和RMS 较北欧式健走，可能是因为野马分鬃有足部的背伸和外翻要靠胫骨前肌完成。

（2）北欧式健走的腓肠肌内侧首先激活进行收缩发挥作用；野马分鬃小腿肌肉更多的是为了维持整个动作中关节的稳定性。

（3）两种步态的差异性主要在于步态中踝关节的屈伸、外翻和内翻的程度。