異常步態(tài)很容易導致骨關節(jié)炎、脊柱側彎或其他疾病，從而影響身心健康和社會功能[4-5]。對比正常步態(tài)，異常步態(tài)的足前部和后部的峰值壓強和沖量表現(xiàn)出更高的趨勢，不能充分利用足弓進行緩沖減震[2-3,6]。異常步態(tài)若不及時矯正，易誘發(fā)其他不良姿態(tài)[7]，從而改變肌肉的正常激活和收縮。
足底壓力和表面肌電信號測試以其高精度、靈敏性和可靠性等的優(yōu)點廣泛用于特定動作和各種疾病造成的異常步態(tài)的生物力學分析[8-10]，可為動作評定和康復方案制定提供依據(jù)。然而，已有研究針對青年女性異常步態(tài)生物力學評定的詳細證據(jù)還不夠充分。
《國際功能、殘疾和健康分類》 (International Classification of Functioning,Disability and Health,ICF)運用生物-心理-社會醫(yī)學模式[11]，從身體結構與功能、活動和參與、環(huán)境因素、個人因素等領域評定和分析人類健康狀況和功能狀態(tài)[12]。利用ICF 可標準化人類運動功能評定，有效提升其信度和效度[13]。
本研究應用ICF 和生物力學手段評定和分析青年女性異常步態(tài)中的下肢肌肉活動和足底壓力特征。
1 資料與方法
1.1 一般資料
2021 年9 月至2022 年5 月，于山東省煙臺市招募60 例青年女性受試者，其中試驗組30 例，為異常步態(tài)(“內八字”，步向角a ≤ -18°[5])；對照組30 例，均為正常腳型，且步態(tài)正常。試驗組平均年齡(19.67±1.45)歲，身高(1.66±0.04) m，體質量(54.80±7.51) kg；對照組平均年齡(20.00±1.36) 歲，身高(1.65±0.05) m，體質量(52.67±7.09) kg。兩組年齡(t=-0.700,P=0.512)、身高(t=1.167,P=0.250)和體質量(t=0.852,P=0.412)比較無顯著性差異。
納入標準：①18～25 歲[14]；②近3 個月無運動系統(tǒng)損傷；③漢族；④簽署入組知情同意書，依從性好。
排除標準：①近3 個月內進行過相關康復訓練；②意識障礙，精神病史；③近6 個月內進行過腿部、足部手術。
本研究經(jīng)濱州醫(yī)學院醫(yī)學倫理委員會審批通過(No.2021-233)。
1.2 方法
運用ICF 對下肢運動功能進行編碼。采用無線表面肌電測試儀(美國NORAXON 公司)，采集頻率1 500 Hz，測試兩組在自然行走過程中的下肢(股直肌、股二頭肌、腓腸肌和脛骨前肌)表面肌電信號[15-16]；使用鞋墊式足底壓力系統(tǒng)(美國TEK SCAN 公司)，采集頻率40 Hz，測試自然行走過程中的足底壓力特征[17-18]。表面肌電儀和鞋墊式足底壓力系統(tǒng)使用Vicon 三維運動分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉換盒同步器進行同步。
測試前進行熱身運動5 min。剔除體毛后擦拭75%酒精，干燥后在股直肌、股二頭肌、腓腸肌和脛骨前肌肌腹正中處粘貼一次性表面肌電片，連接和固定傳感器。將無線足底壓力鞋墊放置于同一品牌的運動鞋中，令受試者穿著配有足底壓力鞋墊的運動鞋在10 m[19]的步態(tài)行道上連續(xù)走3 次，記錄肌電信號積分肌電值(integral electromyography,iEMG)，足底各分區(qū)的觸地面積、壓力峰值、峰值壓強和沖量。
依據(jù)F-Scan Research 數(shù)據(jù)分析軟件分區(qū)定義，足底壓力劃分為第1 趾骨區(qū)，第2 趾骨區(qū)，第3 趾骨區(qū)，第4、5 趾骨區(qū)，第1 跖骨區(qū)，第2 跖骨區(qū)，第3 跖骨區(qū)，第4 跖骨區(qū)，第5 跖骨，中足區(qū)，足跟內側區(qū)和足跟外側區(qū)12個區(qū)域以及全足。
肌電信號采用Noraxon MR3 軟件進行平滑過濾，整流和帶通濾波(10～500 Hz)[20]，導出到Excel，數(shù)據(jù)做時間歸一化處理，采用MatLab 2020 軟件和Excel 2016軟件進行數(shù)據(jù)計算。
異常步態(tài)人群步行時，足內旋，軀干隨步行過度旋轉，致使下肢肌肉功能和足底壓力狀態(tài)呈現(xiàn)出與正常步態(tài)人群不一樣的特征，根據(jù)ICF 編碼規(guī)則和指南[11]，本研究用下肢肌肉激活總量(用肌肉iEMG表示)和肌肉貢獻率表示肌肉力量功能(b730)，將足底壓力定義為b7701，并細化其子類目名稱和編碼，用于評定步態(tài)功能(b770)，限定值表示為0～4，從“沒有問題(0%～4%)”到“完全問題(96%～100%)”共5 級[21]。步態(tài)測量和ICF功能匹配條目見表1。
表1 下肢運動功能評估指標、涉及的功能以及ICF編碼
1.3 統(tǒng)計學分析
采用SPSS 22.0 進行統(tǒng)計學分析。定量資料符合正態(tài)分布，以()表示，采用獨立樣本t檢驗；不符合正態(tài)分布，以M(QL,QU)來表示，采用非參數(shù)檢驗Wilcoxon秩和檢驗。顯著性水平α=0.05。
2 結果
2.1 肌電信號
2.1.1 iEMG
試驗組在行走過程中脛骨前肌和腓腸肌的iEMG明顯高于對照組(P<0.01)，股直肌iEMG 顯著低于對照組(P<0.001)。見表2。
表2 兩組下肢肌肉iEMG比較 單位：μV·s
2.1.2 肌肉貢獻率
試驗組股直肌肌肉貢獻率低于對照組(P<0.05)，脛骨前肌高于對照組(P<0.05)；限定值，脛骨前肌和股直肌為b73042.2，腓腸肌和股二頭肌為b73042.1。見表3。
表3 兩組下肢肌肉貢獻率比較 單位：%
2.2 足底壓力特征
2.2.1 接觸面積
試驗組在第2～5 跖骨區(qū)、足跟外側區(qū)和全足區(qū)域的地面接觸面積明顯大于對照組(P<0.01)，限定值為b77011.1。見表4。
表4 兩組間足底接觸面積比較 單位：cm2
2.2.2 壓力峰值
試驗組第1 跖骨區(qū)、中足區(qū)和足跟外側區(qū)的壓力峰值明顯高于對照組(P<0.01)。見表5。
表5 兩組間足底壓力峰值比較 單位：N
2.2.3 峰值壓強試驗組第1～5 跖骨區(qū)和足跟外側區(qū)的峰值壓強高于對照組(P<0.05)。見表6。
表6 兩組間足底峰值壓強比較 單位：kPa
2.2.4 沖量
試驗組第1 跖骨區(qū)、第4 跖骨區(qū)和足跟外側區(qū)的沖量高于對照組(P<0.01)，在足跟內側區(qū)明顯低于對照組(P<0.01)。見表7。
表7 兩組間足底沖量比較 單位：N·s
3 討論
本研究旨在基于ICF 下肢運動功能分析異常步態(tài)生物力學特征，以期為“內八字”腳型矯正、康復和鞋設計的改進等提供證據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，在自然行走過程中，女青年異常步態(tài)的脛骨前肌放電量高于正常步態(tài)者，股直肌肌肉放電量低于正常步態(tài)，提示異常步態(tài)者的股直肌收縮力較弱，脛骨前肌肌肉收縮力較強；跖骨區(qū)和足跟外側區(qū)的接觸面積、壓力峰值、峰值壓強和沖量較高，足跟內側區(qū)域的沖量較低。
步行功能是最基本也是最重要的功能，異常步態(tài)常伴隨著的異常的運動控制，比如下肢相關肌肉的異常激活和收縮。肌肉貢獻率、收縮和彈性組織的結構和功能的改變與姿勢和衰老有關[22]。在自然行走過程中，異常步態(tài)者的脛骨前肌和腓腸肌的iEMG 明顯高于正常步態(tài)者，而股直肌的iEMG則低于正常步態(tài)者，在四塊肌肉中脛骨前肌和股直肌肌肉占據(jù)主導地位。原因在于異常步態(tài)者屈曲膝關節(jié)和背伸踝關節(jié)的幅度大于正常步態(tài)者，這可能導致異常步態(tài)者的脛骨前肌和腓腸肌的放電總量較高。究其原因，腓腸肌和股二頭肌主動收縮觸發(fā)神經(jīng)肌肉系統(tǒng)控制，股直肌被動配合協(xié)調兩塊肌肉放松和收縮，產(chǎn)生膝關節(jié)屈伸[23-24]，致使股直肌的放電總量低于對照組。肌肉貢獻率可分析動作中起主要作用的肌群[25-26]，與正常步態(tài)相比，異常步態(tài)者的脛骨前肌和股直肌主導性更強。異常步態(tài)易引起膝關節(jié)疼痛，跌倒風險增加[27-28]，嚴重者發(fā)展為膝關節(jié)炎[4]。雖然異常步態(tài)會引起膝關節(jié)內收力矩減小，但是同時增加膝關節(jié)屈曲角度，而增加膝關節(jié)屈曲角度對膝關節(jié)炎的康復有著不良影響[29]。異常步態(tài)者的脛骨前肌、股直肌和腓腸肌激活異于正常步態(tài)者。膝關節(jié)肌群激活不協(xié)調，內力分布不均，高應力區(qū)或高應力點的軟骨可能會出現(xiàn)裂縫、潰瘍、脫落，甚至導致膝周肌群肌肉力量減退、關節(jié)不穩(wěn)、骨刺形成[30]。
下肢姿態(tài)異常導致行走動態(tài)失衡，可引起足底壓力分布的變化[31-32]。正常步態(tài)，足底壓力分布主要集中在足前掌和足跟區(qū)域[33-34]；而異常步態(tài)，足底壓力分布發(fā)生改變。異常步態(tài)兒童的第1 跖骨區(qū)、第3、4跖骨區(qū)和足跟內側區(qū)域的峰值壓強大于正常步態(tài)兒童[2]。但兒童時期發(fā)育還不完全，足底壓力的分布特征仍會隨著年齡的增長而發(fā)生變化[33]，如大學生的足底壓力有后移趨勢，在足后部區(qū)域的沖量高于正常步態(tài)，在足前部的沖量低于正常步態(tài)[6]。也有研究發(fā)現(xiàn)前足外側區(qū)和足中外側區(qū)的負荷更高[35-39]。足底沖量反映的是地面反作用力在時間上的積累，可以衡量疲勞程度和預測損傷風險[36-37]。本研究中，相比于正常步態(tài)青年女性，異常步態(tài)者跖骨區(qū)和足跟外側區(qū)的接觸面積、壓力峰值、峰值壓強和沖量相對較大，提示在長時間的行走后，跖骨區(qū)和足跟區(qū)更容易疲勞，疼痛感更高，足底壓力分布不均，易引起重心異常移位，支撐時通過身體姿勢傾斜以維持穩(wěn)定，最終易導致膝關節(jié)外翻[38]。無論膝關節(jié)內翻還是外翻，半月板受到的壓應力均會增加，當高壓應力持續(xù)時間過長時，就會對關節(jié)軟骨有損傷，而膝關節(jié)炎一個主要的致病因素為關節(jié)軟骨長期處于高壓狀態(tài)[39]。Astephen等[40]在5～11年的隨訪研究中發(fā)現(xiàn)，足底壓力分布的改變向上傳導會導致膝關節(jié)內部應力失衡改變，長期的異常促使膝關節(jié)炎的發(fā)生和進展。
ICF 可用于評定和分析人類下肢運動功能尤其是步態(tài)過程中的肌肉活動和足底壓力狀態(tài)，基于該架構分析和評定異常步態(tài)，可提高步態(tài)功能障礙者康復的針對性和時效，提升其步態(tài)功能[12,41-42]。本研究中，對照組為健康人群正常步態(tài)，在ICF 的功能評定中屬于0 級沒有問題，異常步態(tài)ICF 編碼b7304 和b770 對應的限定值在1～2 級，有輕度到中度問題，若其長期足底壓力異常分布和肌肉異常激活，不僅會對膝關節(jié)產(chǎn)生巨大的不良影響，對下肢其他關節(jié)亦有負面影響，因此需要矯正和針對性的康復訓練。
綜上所述，對比正常步態(tài)，青年女性在自然行走過程中，“內八字”步態(tài)者肌肉活動異常以脛骨前肌和股直肌為主，足跟外側區(qū)的接觸面積較大，峰值壓力、壓強和沖量較高，足跟內側區(qū)域的沖量較低。
利益沖突聲明：所有作者聲明不存在利益沖突。
