張庭然，羅 炯，王 翔，賴 彬，宋吉祥，吳召群

正著走與退著走生物力學(xué)機(jī)制研究

張庭然，羅 炯，王 翔，賴 彬，宋吉祥，吳召群

目的：揭示退著走的相關(guān)生物力學(xué)機(jī)制，為推廣退著走健身模式提供重要的生物力學(xué)依據(jù)。方法：通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、肌電等手段同步測(cè)試相關(guān)生物力學(xué)參數(shù)，并運(yùn)用逆動(dòng)力學(xué)計(jì)算獲得步行中髖、膝、踝關(guān)節(jié)力矩和關(guān)節(jié)功。結(jié)果：與正著走相比，退著走受試者受走向的影響較大，因此退著走在步速、步頻、跨步長(zhǎng)等方面顯著變短，單步時(shí)間、雙支撐時(shí)間、第1雙支撐時(shí)間則顯著變長(zhǎng)，而2種走模式下的相關(guān)關(guān)節(jié)角位移表現(xiàn)驚人的相似性；正著走時(shí)，踝關(guān)節(jié)力矩模式與時(shí)相反轉(zhuǎn)后退著走亦表現(xiàn)驚人的相似，而膝、髖2關(guān)節(jié)卻沒(méi)有如此雷同；2種走模式下的踝、膝、髖關(guān)節(jié)功率差異明顯，并推斷退著走的主要推動(dòng)力及震蕩吸收來(lái)自踝關(guān)節(jié)，膝、髖2關(guān)節(jié)幾乎不能產(chǎn)生推動(dòng)功率；正著走時(shí)，受監(jiān)測(cè)的大腿肌肉中，除股直肌肌電活動(dòng)低于退著走外，股二頭肌、股內(nèi)肌及股外肌活動(dòng)顯著高于退著走；4塊小腿肌中，退著走時(shí)，腓腸肌內(nèi)側(cè)、腓腸肌外側(cè)、脛骨前肌及比目魚肌的肌電活動(dòng)均顯著高于正著走，進(jìn)一步左證退著走的動(dòng)力源來(lái)自踝關(guān)節(jié)，而正著走，其動(dòng)力源主要由髖與膝關(guān)節(jié)承擔(dān)。結(jié)論：退著走練習(xí)可修改神經(jīng)機(jī)制而有助于運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)，這對(duì)受損的肌肉骨骼功能再教育是有益的；退著走髕骨-股骨關(guān)節(jié)承受來(lái)自地面的反應(yīng)力要低，因此，退著走對(duì)下肢過(guò)度使用受傷的病人康復(fù)是有益的。

正著走；退著走；生物力學(xué)

退著走（Backward Walking，簡(jiǎn)稱BW）又稱背向行走，它是一種建立在正著走（Forward Walking，簡(jiǎn)稱FW）基礎(chǔ)上的人類的一種本能。退著走最早應(yīng)用于腦出血后遺癥患者不對(duì)稱步態(tài)的康復(fù)矯正訓(xùn)練，并取得了較好的效果。近些年，日本學(xué)者將其作為一種健身方式引入健康的中老年人群中，因其健身效果顯著而受到追捧。如今，退著走這種健身方式已引起國(guó)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并報(bào)道了一些相關(guān)成果，退著走有助于增強(qiáng)人體平衡、增強(qiáng)心血管系統(tǒng)功能、使健身者擁有更加強(qiáng)壯的肌肉骨骼系統(tǒng)[1-4]。YANG等[5]研究表明，腦卒中后患者不對(duì)稱的步態(tài)模式能夠通過(guò)退著走療法得到改善；HACKNEY等[6]研究證實(shí)，退著走對(duì)改善帕金森氏癥患者的功能靈活性、步態(tài)表現(xiàn)、平衡能力效果顯著；有學(xué)者[7]從動(dòng)作控制觀點(diǎn)出發(fā)，將退著走作為正著走的逆運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)2種走模式下，髖、踝關(guān)節(jié)角運(yùn)動(dòng)規(guī)律非常相似但時(shí)相反轉(zhuǎn)；THORSTENSSON[8]研究認(rèn)為，退著走與正著走肌肉活動(dòng)模式（EMG）相關(guān)性較差；GRASSO等[7]通過(guò)肌電發(fā)現(xiàn)2種走方式的差別是推進(jìn)源不同，正著走的推動(dòng)力是靠踝關(guān)節(jié)跖屈肌產(chǎn)生，而退著走的推動(dòng)力主要靠髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)伸肌提供。國(guó)內(nèi)僅查到1篇關(guān)于退著走的研究報(bào)道，即趙煥彬[9]對(duì)老人退著走的足底壓力進(jìn)行的測(cè)定，認(rèn)為，退著走較正著走可以使足底各部位壓力分布均勻，并能鍛煉平衡控制能力及肌肉調(diào)節(jié)能力。

綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究，目前還無(wú)人能對(duì)有關(guān)2種走模式的生物力學(xué)機(jī)制進(jìn)行全面分析，一些研究偏向于運(yùn)動(dòng)學(xué)模式比較，一些研究注重動(dòng)力學(xué)、足底壓力的探索，更多的生理學(xué)領(lǐng)域?qū)＜覍⒆⒁饬杏谙轮∪旱募‰娞卣?，并結(jié)合神經(jīng)控制論相關(guān)理論進(jìn)行探討，極少有學(xué)者將3種研究方法結(jié)合起來(lái)進(jìn)行綜合分析。本研究將運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、肌電三者同步對(duì)2種走模式進(jìn)行綜合比較，目的是揭示退著走的相關(guān)生物力學(xué)機(jī)制，并揭示其動(dòng)力源，為今后在我國(guó)推廣這種健身模式提供重要的生物力學(xué)依據(jù)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

來(lái)自西南大學(xué)16名男生自愿參與本次試驗(yàn)，受試者年齡（22.34±1.46）歲，身高（174.42±5.36）cm，體重（68.21±4.95）kg。試驗(yàn)前，所有受試者均無(wú)退著走的行走習(xí)慣，亦未接受有關(guān)退著走任何形式的訓(xùn)練。

1.2 研究方法

運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、肌電同步測(cè)試方法（見(jiàn)圖1）。（1）運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)測(cè)試。采用1臺(tái)JVC9 800高速攝像機(jī)，拍攝頻率為100幀/s，攝像機(jī)固定正對(duì)三維測(cè)力臺(tái)，距離測(cè)力臺(tái)約5 m，機(jī)高0.75 m。用于拍攝受試者從踏上測(cè)力臺(tái)至蹬離測(cè)力臺(tái)的整個(gè)過(guò)程。采用北京體育大學(xué)研發(fā)的視訊圖像解析系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行解析以獲取相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。

圖1 正著走與退著走實(shí)驗(yàn)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)圖Figure1 The experimental field about forward and backward walking

（2）動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)試。國(guó)產(chǎn)JP6 060多維測(cè)力平臺(tái)用于監(jiān)測(cè)受試者踏上測(cè)力臺(tái)過(guò)程中腳對(duì)地面的三維力變化情況。測(cè)力臺(tái)采用埋入式安裝，其表面與跑道基本保持在同一水平面上，數(shù)據(jù)采樣頻率為800 Hz。

（3）肌電（EMG）參數(shù)測(cè)試。國(guó)產(chǎn)JE-TB0 810八通道無(wú)線表面肌電儀系于受試者腰帶上，用于監(jiān)測(cè)正著走與退著走過(guò)程中下肢主要肌群的肌電變化。受試者統(tǒng)一測(cè)右腿，監(jiān)測(cè)股直肌、股二頭肌、股內(nèi)肌、股外肌、脛骨前肌、內(nèi)側(cè)腓腸肌、外側(cè)腓腸肌和比目魚肌8塊肌肉。

（4）無(wú)線同步起動(dòng)裝置。同步裝置是由連接多維測(cè)力平臺(tái)的觸發(fā)模塊的無(wú)線同步器和無(wú)線連接表面肌電儀的無(wú)線同步器以及發(fā)光的二極管組成。主試者觸發(fā)同步遙控器，多維測(cè)力臺(tái)和表面肌電儀同時(shí)啟動(dòng)采集數(shù)據(jù)，二極管發(fā)光使攝像機(jī)與多維測(cè)力臺(tái)和表面肌電儀同步。

1.3 試驗(yàn)程序

試驗(yàn)前，每位受試者在裝有測(cè)力臺(tái)的實(shí)驗(yàn)室跑道上進(jìn)行正著走與退著走試走，目的是為了更好地適應(yīng)試驗(yàn)環(huán)境、熟悉試驗(yàn)流程、體驗(yàn)2種走模式。正式試驗(yàn)時(shí)，每名受試者在跑道（10 m長(zhǎng)）上赤腳完成正著走10次，退著走20次，每走5次受試者休息2 min。休息期間，試驗(yàn)操作人員把表面肌電儀器存貯數(shù)據(jù)導(dǎo)出。試驗(yàn)過(guò)程中，要求受試者“無(wú)視”測(cè)力臺(tái)存在，并以自己平時(shí)最舒服的走法完成試驗(yàn)。

1.4 時(shí)相階段劃分與髖、膝、踝定義

本文將受試者踏上多維測(cè)力臺(tái)之前的右腳蹬離跑道瞬刻視為起始點(diǎn)，進(jìn)入擺動(dòng)階段，然后右腳踏上測(cè)力臺(tái)，直至其蹬離測(cè)力臺(tái)瞬刻為結(jié)束點(diǎn)，視之為一個(gè)完整的單步過(guò)程。整個(gè)單步過(guò)程右腿的活動(dòng)分為擺動(dòng)期和支撐期，支撐期內(nèi)有第1雙支撐期、單支撐期、第2雙支撐期。雙支撐期是指左右雙腳未完全離開(kāi)地面的時(shí)段，單支撐期是指只有右腿單獨(dú)與地面接觸的時(shí)段。擺動(dòng)期是指左腿為支撐腿，右腿為擺動(dòng)腿且右腿完全離開(kāi)地面。第1雙支撐期是指右腿由擺動(dòng)腿過(guò)渡為支撐腿、左腿由支撐腿過(guò)度向擺動(dòng)腿，且左右腳均未完全離開(kāi)地面的時(shí)段；單支撐期是指右腿為支撐腿，左腿為擺動(dòng)腿，且左腳完全離開(kāi)地面的時(shí)段；第2雙支撐期是指右腿由支撐腿過(guò)渡擺動(dòng)腿，左腿由擺動(dòng)腿過(guò)渡為支撐腿且左右腳均未完全離開(kāi)地面的時(shí)段（見(jiàn)圖2）。

圖2 完整單步相對(duì)階段劃分圖Figure2 The time and phase division for a completed single step

髖、膝、踝角計(jì)算如下：髖角定義為髖、膝關(guān)節(jié)中心連線與人體垂直軸之間的夾角；膝角定義為膝、踝關(guān)節(jié)中心連線與人體垂直軸之間的夾角；踝角定義為踝關(guān)節(jié)中心與跖趾關(guān)節(jié)連線與水平軸之間的夾角。

1.5 數(shù)據(jù)獲取

1.5.1 有效試驗(yàn)選擇 運(yùn)用運(yùn)動(dòng)圖像解析軟件對(duì)所有受試者完成的圖像進(jìn)行采集，通過(guò)慢放進(jìn)行選擇。有效行走標(biāo)準(zhǔn)為：（1）右腳完全踏在多維測(cè)力平臺(tái)上；（2）正著走時(shí)遵循腳跟著地而腳趾離地者；（3）退著走符合腳趾著地而腳跟離地者。有1人的試驗(yàn)數(shù)完全不符合有效數(shù)據(jù)納入標(biāo)準(zhǔn)而被剔除，余下15名受試者中，每人選正著走與退著走各2次有效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.5.2 采樣數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理 因本次同步試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)學(xué)采樣100幀/s、測(cè)力臺(tái)采樣頻率為800幀/s、肌電采樣為1 000幀/s，而每位受試者正著走與退著走的速度不同，故單步時(shí)間亦不同。為了探討正著走與退著走的本質(zhì)規(guī)律，必須對(duì)3類參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。采用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化處理方法[10-12]，選擇受試者有效踏上測(cè)力臺(tái)的一個(gè)單步為標(biāo)準(zhǔn)，將該單步按0～100%進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)受試者不同走模式下一個(gè)完整單步參數(shù)，隨后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加、求和及配對(duì)檢驗(yàn)。

1.5.3 肌電數(shù)據(jù)的處理 原始肌電信號(hào)經(jīng)全波整流后，用低通濾波器進(jìn)行平滑處理，從而獲得2種走模式下，每位受試者8塊肌肉肌電平滑后的原始數(shù)據(jù)值，分別對(duì)15位受試者的有效肌電值按不同肌肉在不同走模式下進(jìn)行疊加，再對(duì)疊加后數(shù)據(jù)進(jìn)行第2次平滑，以獲取每塊肌肉的肌電圖線性包絡(luò)圖。

采用傳統(tǒng)方法[12]確定肌電爆發(fā)和結(jié)束的時(shí)相以及各肌肉放電相對(duì)百分比，以便獲得更多的有關(guān)肌肉活動(dòng)的信息。以股直肌為例，先測(cè)得受試者股直肌的最大等長(zhǎng)收縮時(shí)的肌電值，經(jīng)平滑后以其最大值的20%定為股直肌肌肉爆發(fā)肌電時(shí)的閾值（即基線），據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)確定隨后的正著走、退著走過(guò)程中，獲得股直肌肌電爆發(fā)時(shí)刻、放電持續(xù)時(shí)間及肌電結(jié)束時(shí)間。

1.5.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 本文利用spss13.0進(jìn)行描述性分析、配對(duì)T檢驗(yàn)、相關(guān)分析等，統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著水平定為P=0.05。

2 結(jié) 果

2.1 重復(fù)測(cè)量結(jié)果

將入選的15名受試者正著走和退著走的各2次數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)性檢驗(yàn)，采用相關(guān)系數(shù)及變異度進(jìn)行評(píng)價(jià)，其相關(guān)系數(shù)均大于0.78，變異系數(shù)在5%以內(nèi)，且均達(dá)到顯著水平，可以認(rèn)為，下文用于分析的正著走與退著走各項(xiàng)參數(shù)均具有較好的可信度。

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)試結(jié)果

2.2.1 步幅特征 與正著走相比，退著走的單支撐時(shí)間及擺動(dòng)時(shí)長(zhǎng)沒(méi)有顯著差異（Pgt;0.05）；退著走的步速（Plt;0.05）、步頻（Plt;0.05）呈顯著下降，跨步長(zhǎng)變短，單步時(shí)間（Plt;0.05）、雙支撐時(shí)間（Plt;0.05）、第1雙支撐時(shí)間（Plt;0.05）顯著延長(zhǎng)（見(jiàn)表1）。

2.2.2 角度變化特征 與正著走相比，退著走擺前踝關(guān)節(jié)最大跖曲角無(wú)差異（Pgt;0.05），而支撐中踝最大背屈角明顯增加（Plt;0.05），擺動(dòng)中最大跖曲角顯著變小（Plt;0.05），整個(gè)單步過(guò)程中，踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍顯著變?。≒lt;0.05）。與正著走相比，退著走擺前最大屈膝角、擺動(dòng)中最大屈膝角及整個(gè)單步膝角變化范圍都顯著變小（Plt;0.05）；退著走腳跟蹬離時(shí)屈髖角無(wú)明顯差異（Pgt;0.05），但支撐期最大伸髖明顯小（Plt;0.05），整個(gè)單步期，髖的變化范圍明顯小（見(jiàn)表1）。

2.2.3 時(shí)空特征 由于正著走模式是腳跟著地腳趾離地，而退著走是腳趾著地腳跟離地，若將退著走按時(shí)間反轉(zhuǎn)后觀察，那么2種走的著地模式就完全相同了。為了進(jìn)一步看清2種模式的差異，本研究特將退著走時(shí)踝、膝、髖角位移及3關(guān)節(jié)力矩參數(shù)進(jìn)行時(shí)相反轉(zhuǎn)，再與正著走在同一坐標(biāo)系中作圖進(jìn)行比較，而關(guān)節(jié)功率、三維力及肌電參數(shù)等圖像制作沒(méi)有進(jìn)行時(shí)相反轉(zhuǎn)。

表1 正向走與退著走時(shí)空特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表（M±SD）Table1 The statistical table of spatial and temporal parameters about forward and backward running（M±SD）

（1）從單步整體看，時(shí)間反轉(zhuǎn)后的退著走與正著走相比，踝、膝、髖3關(guān)節(jié)角位移隨時(shí)間變化特征非常相似，只是單步周期內(nèi)少數(shù)關(guān)鍵點(diǎn)存有顯著不同（見(jiàn)圖3至圖5）。

（2）踝關(guān)節(jié)的角位移變化特征：正著走擺動(dòng)前期與退著蹬離后期踝背伸幾乎無(wú)差異；在正著走與退著走重疊的支撐區(qū)，正著走有最大跖曲，而退著走有最大背伸；正著走蹬伸期與退著走前擺期間踝關(guān)節(jié)最大跖曲沒(méi)有明顯差異；正著走踝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍明顯大于退著走；退著走踝關(guān)節(jié)除了在著地處有短暫背伸外，整個(gè)支撐階段大部分時(shí)段處于跖屈狀況（見(jiàn)圖3）。

（3）膝角變化特征：正著走擺動(dòng)期與退著走的蹬伸期，膝角變化狀態(tài)相同，但正著走的最大伸膝顯著高于退著走；正著走與退著走重疊的支撐區(qū)域，正著走著地時(shí)膝的屈曲狀況明顯大于退著走著地時(shí)屈膝狀況，整個(gè)公共區(qū)域正著走擁有比退著走更大的屈膝狀況；正著走蹬伸階段的最大屈膝顯著大于退著走前擺動(dòng)階段屈膝狀況；正著走膝關(guān)節(jié)動(dòng)作范圍明顯大于退著走膝關(guān)節(jié)范圍（見(jiàn)圖4）。

（4）髖角變化特征：正著走擺動(dòng)期與退著走蹬伸期髖角變化趨勢(shì)一致，但正著走伸髖更為明顯；2種公共的重疊區(qū)表明，正著走腿著地時(shí)比退著走有更大的屈髖狀況；正著走蹬伸后期伸髖效果明顯不如退著走的擺動(dòng)前期；正著走髖的活動(dòng)范圍顯著高于退著走；退著走髖整個(gè)支撐階段大部分時(shí)期處于屈曲狀況，而在整個(gè)擺動(dòng)期，髖處于伸展?fàn)顩r（見(jiàn)圖5）。

2.3 動(dòng)力學(xué)測(cè)試結(jié)果

3號(hào)受試者宋同學(xué)（運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練專業(yè)）正著走與退著走地面對(duì)人體三維反作用力隨時(shí)間變化規(guī)律見(jiàn)圖6、圖7，具有如下特點(diǎn)。

（1）2種走模式的垂直力曲線存有明顯差異，集中體現(xiàn)在著地緩沖（加載反應(yīng)）及支撐蹬伸階段。正著走與退著走都展示出馬鞍線，然而正著走的2個(gè)峰值差異不是很大，而退著走2個(gè)峰值存有顯著差異。進(jìn)一步比較發(fā)現(xiàn)，正著走的第1個(gè)峰值比退著走的第1峰值要顯著偏低，而正著走的第2峰值比退著走要顯著偏高。

（2）X軸方向代表前后受力，正著走著地緩沖階段產(chǎn)生阻力顯著小于同階段的退著走；正著走著地蹬伸階段產(chǎn)生的動(dòng)力顯著高于同階段的退著走；正著走著地支撐蹬伸階段產(chǎn)生的動(dòng)力明顯高于其緩沖階段產(chǎn)生的阻力。因此，正著走單步加速作用明顯，而退著走著地支撐緩沖階段產(chǎn)生的阻力明顯大于其蹬伸階段產(chǎn)生的動(dòng)力，故其減速作用明顯。

（3）從Y軸方向可以看出2種走模式著地支撐過(guò)程人體的穩(wěn)定性，正著走人體處于單支撐過(guò)程中左右晃動(dòng)較小，而退著走晃動(dòng)明顯偏大，這充分說(shuō)明正著走單步過(guò)程比退著走穩(wěn)定。

圖3 踝關(guān)節(jié)角隨時(shí)間變化曲線Figure3 The changing curves along with time of ankle joint angle

圖4 膝關(guān)節(jié)角隨時(shí)間變化曲線Figure4 The changing curves along with time of knee joint angle

圖5 髖關(guān)節(jié)角隨時(shí)間變化曲線Figure5 The changing curves along with time of hip joint angle

圖6 正著走三維圖隨時(shí)間變化曲線Figure6 The three dimensional force characteristics along with time of forward running

圖7 退著走三維圖隨時(shí)間變化曲線Figure7 The three dimensional force characteristics along with time of backward running

2.4 肌電測(cè)試結(jié)果

2.4.1 股直肌肌電特征 股直?。≧F）的主要功能是屈髖-伸膝。（1）2種走模式下，股直肌肌電存有較大差異，退著走時(shí)，股直肌幾乎在整個(gè)支撐階段處于激活狀況，而正著走只在第2雙支撐段處于激活狀況；（2）退著走的擺動(dòng)前期，肌電活動(dòng)由強(qiáng)變?nèi)酰S即停止活動(dòng)，直到擺動(dòng)期結(jié)束，而正著走在擺動(dòng)前期與退著走相似，隨即停止活動(dòng)約10%個(gè)步態(tài)后，又迅速爆發(fā)肌電，并在擺動(dòng)結(jié)束時(shí)達(dá)到較高激活狀況；（3）就2種模式下所測(cè)的4塊大腿?。ü芍奔　⒐啥^肌、股外肌、股內(nèi)?。┒?，股直肌是唯一1塊退著走模式下激活放電量高于正著走的肌肉，特別在單支撐期、第2雙支撐期，無(wú)論是平均肌電、最大肌電，退著走都高于正著走（除第1雙支撐差異不明顯外）；（4）從肌肉激活的時(shí)值看，退著走肌肉激活時(shí)值明顯長(zhǎng)于正著走（74.5%±3.6%對(duì)61.8%±2.8%，Plt;0.05）（見(jiàn)圖8a、表2）。

2.4.2 股二頭肌肌電特征 股二頭?。℉AM）的主要作用是屈膝和伸髖。（1）退著走的擺動(dòng)前期，股二頭肌就被激活，而在擺動(dòng)腿著地前約6%個(gè)步態(tài)時(shí)幾乎停止肌電活動(dòng)，正著走在擺動(dòng)前約12%個(gè)步態(tài)周期內(nèi)并沒(méi)激活，隨即迅速爆發(fā)肌電直到擺動(dòng)腿著地；（2）退著走在整個(gè)支撐階段，股二頭肌一直處于非激活狀況，而正著走在支撐階段的第1雙支撐期保持較高的肌肉激活狀況；（3）從單步支撐過(guò)程該肌放電總量來(lái)看，正著走明顯高于退著走，且肌肉活動(dòng)時(shí)值正著走也明顯長(zhǎng)于退著走（47.5%±7.2%對(duì)31.3%±4.6%，Plt;0.05）（見(jiàn)圖8b、表2）。

2.4.3 股外肌肌電特征 股外?。╒L）是股四頭肌的一部分，主要功能為純粹伸膝。（1）該肌在2種走模式下的擺動(dòng)期肌電特征幾乎一致，都是在擺動(dòng)前期被激活，隨即停止放電直到擺動(dòng)結(jié)束，擺動(dòng)期肌電均值無(wú)差異，但正著走時(shí)的肌電最大值要高于退著走（肌電最大值是（301±20）μv對(duì)（236±29）μv，Plt;0.05）；（2）退著走的第1雙支撐及單支撐期，VL幾乎處于非激活狀況（占約32%個(gè)步態(tài)），直到第2雙支撐前期才開(kāi)始激活，正著走整個(gè)支撐階段，VL都處于活動(dòng)狀態(tài)，特別在單支撐期及第2雙支撐期內(nèi)均保持相當(dāng)高的激活水平；（3）從單步過(guò)程該肌放電量看，正著走高于退著走；（4）從肌肉激活的時(shí)值看，正著走明顯長(zhǎng)于退著走（73.5%±4.9%對(duì)52.5%±3.5%，Plt;0.05）（見(jiàn)圖8c、表2）。

2.4.4 股內(nèi)肌肌電特征 2種走模式下，股內(nèi)肌的肌電特征與股外肌的表現(xiàn)非常相似。（1）2種走情況下，擺動(dòng)的早期階段，股內(nèi)肌肌電活動(dòng)規(guī)律相似，但活躍度差異明顯，無(wú)論是肌電均值還是最大值，正著走都明顯高于退著走；（2）退著走的第1雙支撐期，股內(nèi)肌基本上不活動(dòng)，而正著走在進(jìn)入支撐階段約8%個(gè)步態(tài)期后迅速爆發(fā)肌電，直至整個(gè)支撐期結(jié)束；（3）從各支撐階段股內(nèi)肌放電量看，在第2雙支撐期差異不明顯（（254±34）μv對(duì)（235±22）μv，Pgt;0.05），主要差異體現(xiàn)在第1雙支撐及單支撐期，正著走顯著高于退著走（（108±21）μv對(duì)（51±8）μv，Plt;0.05；（289±41）μv 對(duì)（210±23）μv，Plt;0.05）；（4）從肌肉激活的時(shí)值看，正著走激活時(shí)間明顯長(zhǎng)于退著走（69.5%±6.3%對(duì)55.8%±4.6%，Plt;0.05）（見(jiàn)圖8d、表2）。

2.4.5 腓腸?。▋?nèi)、外）側(cè)肌電特征 腓腸肌在近固定情況下有屈踝、屈小腿之功能，而在遠(yuǎn)固定的情況下，可對(duì)踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)進(jìn)行加固，防止人體前傾，維持人體直立姿態(tài)之能力。（1）無(wú)論是正著走還是退著走，腓腸肌內(nèi)、外側(cè)肌電活動(dòng)規(guī)律趨于一致，但就活躍度而言，腓外側(cè)肌激活程度顯著高于內(nèi)側(cè)?。唬?）退著走時(shí)，腓腸肌外側(cè)肌電活動(dòng)是所測(cè)8塊肌肉中肌電活動(dòng)最強(qiáng)的一塊；（3）退著走模式下的擺動(dòng)期，腓腸肌內(nèi)、外側(cè)幾乎都不活動(dòng)，而正著走模式下，腓腸肌內(nèi)、外側(cè)在擺動(dòng)初期均出現(xiàn)少許的激活時(shí)值；（4）正著走的整個(gè)支撐階段，腓腸肌內(nèi)、外側(cè)表現(xiàn)相同的特征，都在第1雙支撐及單支撐期處于活動(dòng)狀態(tài)，隨即失活約8%個(gè)步態(tài)周期，在進(jìn)入第2雙支撐后期又突然爆發(fā)肌電，而退著走的整個(gè)支撐階段，腓腸肌內(nèi)、外側(cè)都一直處于活動(dòng)狀況，且在第2雙支撐期，其激活達(dá)到頂峰；（5）在整個(gè)單步周期中，無(wú)論是內(nèi)側(cè)還是外側(cè)均表現(xiàn)出退著走模式下肌電活動(dòng)顯著高于正著走；（6）從放電時(shí)值看，腓腸肌外側(cè)在2種走模式下差異不明顯（52.4%±6.3%對(duì)51.8%±5.5%，Pgt;0.05），而腓腸肌內(nèi)側(cè)在正著走情況下放電時(shí)值略長(zhǎng)（68.3%±5.7%對(duì)54.0%±4.2%，Plt;0.05）（見(jiàn)圖8e、圖8f、表3）。

2.4.6 脛骨前肌肌電特征 （1）正著走時(shí)，整個(gè)擺動(dòng)階段，脛骨前肌的肌電活動(dòng)都非?；钴S，在第1雙支撐及單支撐期，脛骨前肌幾乎失去活動(dòng)，而在第2雙支撐期肌電活動(dòng)又達(dá)到頂峰；（2）退著走時(shí)，除了擺動(dòng)前期脛骨前肌不活動(dòng)外（占10%個(gè)步態(tài)），在余下90%個(gè)步態(tài)周期內(nèi)，脛骨前肌一直處于較強(qiáng)的激活狀況；（3）退著走的第1雙支撐及單支撐期，脛骨前肌的肌電活動(dòng)大大高于正著走，而在第2雙支撐期，正著走的肌電活動(dòng)明顯高于退著走；（4）在整個(gè)單步周期中，退著走模式下肌電活動(dòng)顯著高于正著走；（5）退著走時(shí)，脛骨前肌的肌肉激活時(shí)值顯著高于正著走（92.5%±6.1%對(duì)55.2%±6.8%，P＜0.05）（見(jiàn)圖8g、表3）。

2.4.7 比目魚肌肌電特征 （1）正著走時(shí)，除了擺動(dòng)初期，該肌有微弱的短暫活動(dòng)外（占約8%個(gè)步態(tài)周期），整個(gè)擺動(dòng)階段，比目魚肌并不活動(dòng)，比目魚肌的肌肉激活主要體現(xiàn)在第1雙支撐和單支撐期，而到了第2雙支撐期，該肌又幾乎停止活動(dòng)；（2）在整個(gè)單步周期中，退著走模式下肌電活動(dòng)顯著高于正著走；（3）退著走時(shí)，整個(gè)步態(tài)周期內(nèi)，比目魚肌一直處于激活狀態(tài)，特別在整個(gè)支撐期，該肌活動(dòng)強(qiáng)度非常高，并在第2雙支撐期，肌電活動(dòng)達(dá)到頂峰；（4）退著走時(shí)，比目魚肌的激活時(shí)值顯著高于正著走（95.2%±6.9%對(duì)57.6%±7.5%，Plt;0.05）（見(jiàn)圖8 h、表3）。

3 分析與討論

（1）從運(yùn)動(dòng)學(xué)觀點(diǎn)看。與正著走相比，退著走的步速、步頻下降，跨步長(zhǎng)變短，單步時(shí)間、雙支撐時(shí)間、第1雙支撐時(shí)間顯著延長(zhǎng)；支撐過(guò)程中，踝最大背屈角明顯增加，擺動(dòng)中最大跖曲角變小，整個(gè)單步過(guò)程中，踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍顯著變小；前擺開(kāi)始最大屈膝角、擺動(dòng)中最大屈膝角及整個(gè)單步膝角變化范圍都顯著變??；支撐期最大伸髖角明顯縮小，腳跟蹬離時(shí)屈髖角及整個(gè)單步周期髖的變化范圍明顯縮?。?種走模式下，只有單支撐時(shí)間、擺動(dòng)時(shí)長(zhǎng)及擺前踝關(guān)節(jié)最大跖曲角沒(méi)有明顯差異。

圖8 單步周期內(nèi)股直肌、肌二頭肌、股外肌、股內(nèi)甩、腓腸肌內(nèi)外側(cè)、脛骨前肌及比目魚肌共8塊肉肌電隨時(shí)間變化特征Figure8 The EMG characteristics along with time of single step cycle about the rectus femoris，biceps flexor cruris，vastus lateralis，vastus medialis，gastrocnemius medial，lateral gastrocnemius，tibialis anterior muscle and soleus muscle

2種走模式相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的巨大差異，主要是因?yàn)橥酥邥r(shí)，受試者看不到前進(jìn)的方向（盲區(qū)），故在正常的自然步態(tài)下，退著走步速、步幅等出現(xiàn)明顯的下降，本研究所獲得的上述差異特征與先前相關(guān)研究成果基本類似[13-14]，但在某些方面卻有所不同。有學(xué)者認(rèn)為[15]，退著走在腳趾觸地時(shí)，踝關(guān)節(jié)處于背伸狀態(tài)，而在隨后的整個(gè)支撐階段，踝關(guān)節(jié)一直跖屈，膝關(guān)節(jié)在整個(gè)支撐階段一直處于伸展?fàn)顟B(tài)，在擺動(dòng)期一直處于屈曲狀態(tài)，髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)恰好相反，在整個(gè)支撐階段處于屈曲狀態(tài)，而在擺動(dòng)期處于伸展?fàn)顟B(tài)。本研究發(fā)現(xiàn)，除了髖關(guān)節(jié)特征與該學(xué)者研究一致外，膝關(guān)節(jié)在整個(gè)支撐階段只在擺動(dòng)的大多數(shù)時(shí)間內(nèi)屈，踝關(guān)節(jié)在腳趾觸地后背伸，而在隨后的大部分支撐期跖屈。

從步態(tài)結(jié)構(gòu)看，正著走與退著走的踝關(guān)節(jié)動(dòng)作模式幾乎完全相反，退著走蹬離時(shí)以跟骨為杠桿支點(diǎn)，在支撐階段結(jié)束時(shí)通過(guò)背屈機(jī)制進(jìn)行調(diào)解，而正著走是以腳趾跖骨關(guān)節(jié)為支點(diǎn)，通過(guò)跖屈機(jī)制進(jìn)行調(diào)解。與正著走相比，退著走的髖關(guān)節(jié)動(dòng)作模式變化不像踝關(guān)節(jié)那么突出，但還是存有一些細(xì)微的差異，如從腳趾碰地到最大緩沖結(jié)束，髖除有少許伸展外，整個(gè)退著走期間，髖關(guān)節(jié)后伸能力明顯不如正著走。令人驚奇的是，本研究將退著走髖、膝、踝關(guān)節(jié)角位移的時(shí)間軸反轉(zhuǎn)后，再與正著走在同一坐標(biāo)系里畫圖比較，由于時(shí)間反轉(zhuǎn)后著地的模式相同（即都變成了腳跟著地、腳趾離地），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2種走模式下髖、膝、踝關(guān)節(jié)角位移隨時(shí)間變化非常相似。THORSTENSSON讓受試者以相同的速度進(jìn)行正著走與退著走比較時(shí)發(fā)現(xiàn)，2種走存在類似的模式與變化范圍，因此推測(cè)，不同的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模式并沒(méi)有引起端點(diǎn)動(dòng)作的改變，并大膽推測(cè)人類行走時(shí)，大腿是作為一個(gè)單元（協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)）被控制。本研究受試者正著走與退著走速度不同，單步時(shí)長(zhǎng)不同，但所有受試者都按一個(gè)單步標(biāo)準(zhǔn)化后，結(jié)果獲得2種走模式下，正著走與反向后的退學(xué)走髖、膝、踝關(guān)節(jié)角位移的相似性，這進(jìn)一步左證了THORSTENSSON的猜測(cè)，也符合HALBERTSMA的末端控制學(xué)說(shuō)[16]。

表2 表面肌電測(cè)試參數(shù)特征統(tǒng)計(jì)表（一）/μvTable2 The statistic table of surface EMG parameters（No.1）/μv

表3 表面肌電測(cè)試參數(shù)特征統(tǒng)計(jì)表（二）/μvTable3 The statistic table of surface EMG parameters（No.2）/μv

（3）從動(dòng)力學(xué)及肌電活動(dòng)觀點(diǎn)看。正著走與退著走的垂直力曲線模式有所不同，在著地加載期，垂直力迅速增加以支持身體體重。在支撐中期，膝關(guān)節(jié)屈曲，測(cè)力板快速卸載，垂直力迅速下降至低于體重。本研究獲得垂直力的2個(gè)峰在正著走時(shí)大致對(duì)稱，這與先前研究類似[14]。退著走著地時(shí)體重引起的加載使第1峰值總是大于腳跟離地造成的第2峰值，即退著走期間，垂直力（GRF）第2峰值小于第1個(gè)峰值，這可能是因?yàn)橥酥邥r(shí)，人體有后仰意識(shí)從而引起膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)上揚(yáng)，這種動(dòng)作對(duì)增加向后的驅(qū)動(dòng)力是有益的，然而正著走垂直力曲線呈現(xiàn)的平臺(tái)段在退著走的前擺階段并末明顯看到。

退著走時(shí)，踝關(guān)節(jié)在著地緩沖加載響應(yīng)期，它的主要功能是減速及吸收震蕩。本研究肌電測(cè)試顯示，腓腸肌內(nèi)、外側(cè)和比目魚肌在這個(gè)階段非?；钴S，這些肌肉被激活（離心-向心收縮，即SSC收縮），便于踝關(guān)節(jié)減速并吸收功率。在支撐中期，踝關(guān)節(jié)跖屈以使軀干向后運(yùn)動(dòng)，此時(shí)應(yīng)是產(chǎn)生退著走期間最大功率階段。正如格拉索等[8]的研究，退著走期間主要推力是由膝、髖關(guān)節(jié)伸肌提供。然而，本研究并不支持這種觀點(diǎn)，認(rèn)為退著走期間，踝關(guān)節(jié)產(chǎn)生比膝和髖關(guān)節(jié)更多的功率，其理由是本研究所測(cè)支撐腿8塊肌肉中（大、小腿各4塊），大腿的4塊肌肉（股直肌、股二頭肌、股內(nèi)肌及股外?。┰谡邥r(shí)，除了股直肌肌電活動(dòng)量低于退著走外，其余3塊肌肉活動(dòng)量均高于退著走；而所測(cè)4塊小腿肌中（腓腸肌內(nèi)側(cè)、腓腸肌外側(cè)、脛骨前肌及比目魚肌），退著走時(shí)，4塊小腿肌肌電活動(dòng)均顯著高于正著走。

膝關(guān)節(jié)處，退著走時(shí)，腳趾觸地初期，膝關(guān)節(jié)屈曲，從觸地后至支撐中期膝關(guān)節(jié)開(kāi)始伸展，支撐結(jié)束時(shí)膝關(guān)節(jié)輕度屈曲以降低身體重心，這種模式一方面有利于對(duì)側(cè)足觸地，另一方面為身體后退時(shí)增加推進(jìn)力作準(zhǔn)備。肌肉肌電活動(dòng)提供的信息也正好說(shuō)明這個(gè)事實(shí)，即退著走從腳趾觸地到支撐期結(jié)束（見(jiàn)圖8a），股直肌被激活并一直持續(xù)至第2雙支撐期末，膝關(guān)節(jié)處于伸展?fàn)顟B(tài)以確保身體重心不下降。

髖關(guān)節(jié)處，退著走整個(gè)步態(tài)周期中，該關(guān)節(jié)極少屈曲或伸展，在腳趾著地加載期，髖關(guān)節(jié)屈曲，此時(shí)有利于髖關(guān)節(jié)產(chǎn)生功率；在支撐末段（蹬伸結(jié)束時(shí)），髖的屈曲力矩轉(zhuǎn)化為伸力矩以確保退著走時(shí)軀干伸直（與地面垂直）；本研究所測(cè)得股二頭肌從擺動(dòng)前期被迅速激活，其目就是使擺動(dòng)期伸髖及防止擺動(dòng)期膝關(guān)節(jié)伸展?；谶@些關(guān)節(jié)功及肌肉肌電變化特征，本研究認(rèn)為，退著走時(shí)踝關(guān)節(jié)應(yīng)是產(chǎn)生推進(jìn)力和減小震蕩的重要關(guān)節(jié)，而正著走時(shí)，其推進(jìn)力應(yīng)主要由髖與膝承擔(dān)。

與正著走相比，退著走由于姿態(tài)不穩(wěn)定、缺乏前進(jìn)的視覺(jué)反饋使之更難且要求更高，因而退著走對(duì)訓(xùn)練人類大腦平衡功能非常有益。HACKNEY等[6]研究表明，由于帕金森病人的注意力方面不如正常人，因此，即使是一個(gè)簡(jiǎn)單向后行走動(dòng)作，其所表現(xiàn)出來(lái)的不對(duì)稱步態(tài)[17]是非常顯著的。本研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)節(jié)角模式在正向走和時(shí)間反向的退著走之間的類似性，是否可以被解釋為神經(jīng)機(jī)制修改所致，從而可以推證退著走練習(xí)可修改神經(jīng)機(jī)制而有助于運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)，這對(duì)受損的肌肉骨骼功能再教育是非常有益的。

從正常向前走改變?yōu)橄蚝笞邔?duì)絕大多數(shù)人而言是相當(dāng)容易的事情。然而，從控制的觀點(diǎn)，這卻提出了一個(gè)有趣的問(wèn)題，肌肉的活動(dòng)模式不得不發(fā)生變化以便產(chǎn)生大腿的反向運(yùn)動(dòng)及向后行走的驅(qū)動(dòng)力。本研究發(fā)現(xiàn)，大腿不僅運(yùn)動(dòng)方向反向，而且在相反方向上沿著幾乎相同的路徑運(yùn)動(dòng)，顯然，這種反向運(yùn)動(dòng)是通過(guò)修改正常動(dòng)作程序完成的，這些程序變化水平與下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。2種走模式下動(dòng)作方向的反向性，理應(yīng)引起肌肉活動(dòng)周期出現(xiàn)較大幅度的時(shí)相轉(zhuǎn)移，遺憾的是，本研究并沒(méi)有證明這一點(diǎn)。被測(cè)8塊肌肉中，在擺動(dòng)期只有4塊出現(xiàn)時(shí)相轉(zhuǎn)移，與正著走相比，退著走的脛骨前肌、腓內(nèi)側(cè)肌、腓外側(cè)肌分別延遲約7%、14%、8%個(gè)步態(tài)周期，而股二頭肌則提前約15%個(gè)步態(tài)周期；在支撐階段，出現(xiàn)時(shí)相轉(zhuǎn)移的肌肉也有4塊，轉(zhuǎn)移幅度相對(duì)較大，與正著走相比，退著走時(shí)的股直肌、脛骨前肌分別提前約25%、45%個(gè)步態(tài)，而股外肌、股內(nèi)肌則分別延遲約35%和28%個(gè)步態(tài)。盡管本研究這些數(shù)據(jù)與GRILLNER[15]預(yù)期值（50%時(shí)相轉(zhuǎn)移）相差較遠(yuǎn)，但與布福德等[18]及THORSTENSSON等[8]的研究有相近之處。眾多學(xué)者都一致認(rèn)為，2種走模式下，下肢相關(guān)肌肉激活模式的時(shí)相轉(zhuǎn)移應(yīng)在恒定的范圍內(nèi)，但由于各種原因目前對(duì)這個(gè)恒定范圍沒(méi)有形成共識(shí)，有關(guān)這方面研究有待于進(jìn)一步探討。

4 結(jié) 論

（1）正著走與時(shí)相反轉(zhuǎn)后退著走的髖、膝、踝關(guān)節(jié)角位移特性非常相似，但2種走模式下的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍表現(xiàn)為退著走顯著小于正著走；正常步態(tài)行走下，退著走在步速、步頻、跨步長(zhǎng)等方面顯著短于正著走，單步時(shí)間、雙支撐時(shí)間、第1雙支撐時(shí)間則顯著變長(zhǎng)；與正著走相比，退著走支撐過(guò)程中踝最大背屈角明顯增加，而擺動(dòng)中最大跖屈角、擺前最大屈膝角、擺動(dòng)中最大屈膝角、支撐期最大伸髖角及腳跟蹬離時(shí)屈髖角明顯縮小。

（2）肌電特征表明，正著走時(shí)，所測(cè)4塊大腿肌肉中，除股直肌肌電活動(dòng)低于退著走外，其余3塊肌肉（股二頭肌、股內(nèi)肌及股外肌活動(dòng)）顯著高于退著走；4塊小腿肌中，退著走時(shí)，腓腸肌內(nèi)側(cè)、腓腸肌外側(cè)、脛骨前肌及比目魚肌的肌電活動(dòng)均顯著高于正著走。肌肉肌電活動(dòng)表現(xiàn)形式進(jìn)一步肯定了退著走時(shí)，踝關(guān)節(jié)是主要驅(qū)動(dòng)源。

（3）試驗(yàn)中，并未觀察到2種走模式下的動(dòng)作反向性所引起的肌肉活動(dòng)周期大幅度時(shí)相轉(zhuǎn)移。在出現(xiàn)的少數(shù)肌肉時(shí)相轉(zhuǎn)移中，前擺階段有4塊——脛骨前肌、腓內(nèi)側(cè)肌、腓外側(cè)肌及股二頭肌，但轉(zhuǎn)移幅度在15%個(gè)步態(tài)周期內(nèi)；支撐階段，出現(xiàn)時(shí)相轉(zhuǎn)移的肌肉也有4塊——股直肌、脛骨前肌、股外肌、股內(nèi)肌，但轉(zhuǎn)移幅度均未能超出45%。

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Biomechanical Mechanism about Forward and Backward Walking

ZHANG Tingran，LUO Jiong，WANG Xiang，LAI Bin，SONG Jixiang，WU Zhaoqun
（School of PE，Southwest University，Chongqing 400715，China）

Objective：This study expects to reveal the relevant biomechanical mechanism of backward walking（BW）in order to provide the biomechanical basis for popularizing fitness model of BW.Methods：The kinematics，dynamics，EMG means have been used synchronously to obtain biomechanical parame?ters，and the hip，knee，ankle and foot joint torque and joint function were gained by inverse dynamics.Results：Compared with forward walking（FW），the subjects of BW have superior influence towards direction and show a decline significantly in speed and stride length of walking，and a increase significantly in single-step length，double support length and the first double support length.While the two related joint angular displacement show striking similarity during both model of walking.Ankle moment mode in FW and phase inversion BW also shows similarity surprisingly.However，knee，and hip joints moment mode are not so similar to ankle joint.Joint power of knee，ankle and hip have larger differences in both of walking and conclude the main driving force and shock absorption of BW coming from the ankle and knee，hip joint can produce hardly any push power.EMG data show.When the subjects were FW，EMG activity of rectus femoris was more inactive than the EMG activity when the subjects were BW.When the subjects were FW，EMG activity of biceps femoris，vastus medialis and vastus lateralis were more active than the EMG activity when the subjects were BW.When the subjects were FW，EMG activity of medial gastroc?nemius，lateral gastrocnemius，tibialis anterior and soleus were more actively than the EMG activity when the subjects were FW.EMG data further provide ev?idence for the power source of the ankle joint in BW.In FW，its power source is as mainly undertaken by the hip and knee joint.Conclusions：Practice of BW can modify the neural mechanisms and contribute to motor learning which is beneficial to the impaired musculoskeletal function re-education.Patella femoral joint endure lower reaction force from the ground during BW，therefore，BW is beneficial to the recover for injured patients overusing the lower extremity.

forward wolking；backward walking；biomechanics

G 804.6

A

1005-0000（2014）01-081-07

2013-09-12；

2013-12-23；錄用日期：2013-12-24

張庭然（1990-），男，山西晉中人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槿窠∩砗瓦\(yùn)動(dòng)技術(shù)診斷；通信作者：羅 炯（1966-），男，湖南邵陽(yáng)人，教授，研究方向?yàn)槿窠∩砗瓦\(yùn)動(dòng)技術(shù)診斷。

西南大學(xué)體育學(xué)院，重慶400715。