（运动人体科学专业论文）不同运动形式对足底压力影响的实验研究.pdf

苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属 在年一月解密后适用本规定。 非涉密论文刚 论文作者签名： i 乞玺丝 日 期：丛2 兰亟：! 导师签名： 不同运动形式对足底压力影响的实验研究中文摘要 中文摘要中又捅姜 研究目的：通过跑台，功率自行车，纵跳三种运动形式至疲劳，对所得数据 进行分析，探讨、研究人体在疲劳过程中下肢肌肉的肌电图变化、足底压力、步 态等方面的变化特点，尤其在足底压力方面，对足底各区域压强峰值、达峰值压 强时间及冲量，足内、外翻情况进行深入研究，以此了解足底压力参数的分布规 律及其足健康的影响因素，探讨不同疲劳对足底压力产生的影响，为科学指导锻 炼、降低运动损伤可能性提供参考。 研究方法：在跑台，功率白行车，纵跳台上，对1 2 名受试者进行不同运动形 式至疲劳实验，在疲劳过程中记录并保存相关数据，疲劳后即刻穿上选择好的鞋 垫和运动鞋，受试者在跑台上选择自己最适宜的行走速度，收集1 0 s 的数据资料， 记录并保存数据；同步采集有左侧下肢肌：胫骨前肌( t a ) 、腓肠肌内侧头( g m ) 、 腓肠肌外侧头( g l ) 的s e m g 信号。 研究结果： ( 1 ) 三种疲劳状态下t a ，g m ，g l 的i e m g 值与疲劳前所得i e m g 值比较 有非常显著性差异( p 0 0 1 ) 。三种疲劳状态下t a ，g m ，g l 的i e m g 值两两之 间比较有显著性差异。三种疲劳状态下的t a ，g m ，g l 的m f 值与疲劳前所得的 m f 值比较有显著性差异( p 0 0 5 ，p 0 0 1 ) 。三种疲劳状态下t a ，g m ，g l 的 m f 值两两之间比较有显著性差异。 ( 2 ) 跑台、功率车、纵跳疲劳后左右足的足跟着地阶段、足支持阶段与疲劳 前走左右足的足跟之地阶段、足支持阶段有非常显著性差异( p 0 0 1 ) ，三种疲劳 状态下，足跟着地阶段明显变短而足支持阶段明显延长。 ( 3 ) 压强峰值：纵跳疲劳后，左足的t 2 一t 5 ，m 1 ，m 2 ，m 3 ，h m ，h l 和右 足的m 1 ，m 2 ，m 3 ，h m ，h l 各区域的压强峰值与跑台、功率车疲劳后的区域压 强峰值有显著性差异( p 0 0 5 ，p 0 0 1 ) 。 压强峰值出现时间：三种疲劳状态下，左右足的t 2 一t 5 ，m 1 ，m 2 ，m 3 ，m f 各区域的压强峰值出现时间两两之间比较有显著性差异( p o 0 5 ，p 0 0 1 ) 。 冲量：三种疲劳状态下，左右足的t 2 一t 5 ，m 2 ，m 3 ，m 4 ，h l 各区域的冲量 值两两之间比较有显著性差异( p 0 0 5 ，p 0 0 1 ) 。 中文摘要不同运动形式对足底压力影响的实验研究 研究结论： ( 1 ) 跑台、功率车、纵跳运动至疲劳后，下肢肌的i e m g 的值比正常步态的 i e m g 值均有上升，上升的幅度不一样，且之间有一定的差异性。 ( 2 ) 跑台、功率车、纵跳运动至疲劳后，下肢肌的m f 的值比f 常步态的 m f 值均有下降，下降的幅度不一样，且之间有一定的差异性。 ( 3 ) 三种疲劳后，对步态分期各阶段有一定的影响，足跟着地阶段明显变短 而足支持阶段明显延长，与正常走比较有一定的差异性。 ( 4 ) 三种疲劳状态下，对足底的压强峰值，压强峰值出现的时间及冲量产生 不同的影响，并有一定的差异性，说明不同形式的疲劳，对足的影响不同。 关键词：足底压力、肌疲劳、表面肌电图 作者：范育飞 指导老师：王国祥 t h ei n f l u e n c eo fd i v e r s em o v e m e n to np l a n t a rp r e s s u r e a b s t r a c t p u r p o s e ：t h i sp a p e rs t u d i e si ns e m gp l a n t a rp r e s s u r ea n dg a i tc h a r a c t e r i s t i c so f h u m a nl o w e rl i m bm u s c l e si nt h e f a t i g u ep r o c e s s ，t h r o u g ht h r e ed i f f e r e n tk i n d so f e x e r c i s e 一j o g g i n g ，b i c y c l ea n dj u m p w er e s e a r c ht h ed i s t r i b u t i o no fp l a n t a rp r e s s u r e p a r a m e t e r sa n df o o th e a l t hi n f l u e n c ef a c t o r ，a n dt h e nd i s c u s s e st h ee f f e c to fd i f f e r e n t k i n d so ff a t i g u eo np l a n t a rp r e s s u r e t h ec o n c l u s i o n sw i l lp r o v i d er e f e r e n c ef o rg u i d i n g e x e r c i s ea n dr e d u c i n gi n j u r yr a t eo f s p o r t s m e t h o d ：t h ee x p e r i m e n tc o l l e g es e l e c t e d12m e nr a n d o m l yf r o ms p o r t sh u m a n s c i e n c eo fs o o c h o w u n i v e r s i t y , a l lo ft h e ma r ea s k e dt ot h r e ek i n do fe x e r c i s e ，a n dt h e v c a nn o ts t o pt h em o v e m e n tu n t i lt h e ya r e f a t i g u e b e f o r ea n da f t e rt h ee x e r c i s e ，w ew i l l t e s ts u b j e c t s p l a n t a rp r e s s u r e ，r e l e v a n td a t aa r er e c o r d e d w ea l s or e c o r dt h es e m g d a t a o f t a ，g ma n dg l r e s u l t ： 1 ) t h ei e m gc h a n g e ds i g n i f i c a n t l ya f t e rf a t i g u ei na l lk i n d so fm o v e m e n t ( p o o 1 ) ， a n di e m gi sd i f f e r e n tf r o mt h eo t h e r si nd i f f e r e n tk i n do ff a t i g u ei nt a ，g ma n dg l t h em fc h a n g e ds i g n i f i c a n t l ya f t e rf a t i g u ei na l lk i n d so fm o v e m e n t ( p 0 0 1 ，p 0 0 5 ) ， a n dm fi sd i f f e r e n tf r o mt h eo t h e r si nd i f f e r e n tk i n do f f a t i g u ei nt a ，g ma n dg l 2 ) h e e ls t r i k ep h a s es h o r t e n e da n df o o ts u p p o r tp h a s ep r o l o n g e da f t e rf a t i g u ea f t e r a l lk i n d so fm o v e m e n t ( p 0 0 1 ) 3 ) p e a kp r e s s u r e ：t 2 一t 5 ，m 1 ，m 2 ，m 3 ，h m ，h lo f t h el e f tf o o ta f t e r j u m pf a t i g u ei s d i f f e r e n tw i t hj o g g i n gf a t i g u ea n db i c y c l ef a t i g u e ，s oa st om 1 ，m 2 ，m 3 ，h mo f r i g h t f o o t ( p o 0 5 ) t i m eo fp e a kp r e s s u r e ：t 2 一t 5 ，m 1 ，m 2 ，m 3 ，m fi nb o t hf e e ti sd i f f e r e n t 丘0 mt h e o t h e r si nd i f f e r e n tk i n do ff a t i g u e ( p 0 0 5 ) i m p u l s e ：t 2 t 5 ，m 2 ，m 3 ，m 4a n dh li nb o t hf e e ti sd i f f e r e n tf r o mt h eo t h e r si n d i f f e r e n tk i n do ff a t i g u e ( p o 0 5 ) i i i c o n c l u s i o n s ： 1 ) t h ei e m gc h a n g e ds i g n i f i c a n t l y a f t e rf a t i g u ei na l lk i n d so fm o v e m e n t ( p 0 o 1 ) ，a n di e m gi sd i f f e r e n tf r o mt h eo t h e r si nd i f f e r e n tk i n do ff a t i g u e 2 ) t h em fr e d u c e ds i g n i f i c a n t l ya f t e rf a t i g u ei na l lk i n d so fm o v e m e n t ，a n dm f i s d i f f e r e n tf r o mt h eo t h e r si nd i f f e r e n tk i n do ff a t i g u e 3 ) h e e ls t r i k ep h a s es h o r t e n e da n df o o ts u p p o r tp h a s ep r o l o n g e da f t e rf a t i g u ea f t e r a 1 1k i n d so fm o v e m e n t 4 ) c o m p a r e w i t ht h eo t h e r s ，t h ec h a n g eo fp e a kp r e s s u r e ，t i m eo fp e a kp r e s s u r ea n d i m p u l s ei sd i f f e r e n ti nd i v e r s ef a t i g u e w et h i n kt h a td i v e r s ef a t i g u em a k ea d i f f e r e n t e 仟e c to nf e e t k e yw o r d s ：p l a n t a rp r e s s u r e ，f a t i g u e ，s e m g w r i t t e n b y ：f a ny u f e i s u p e r v i s e db y ：w a n gg u o x i a n g 目录 l 引言l 1 1 选题依据l 1 2 文献综述2 1 2 1 运动性疲劳2 1 2 2 表面肌电2 1 2 3 足底压力7 2 研究对象和方法1 3 2 1 研究对象一13 2 2 研究方法一13 2 2 1 运动形式1 3 2 2 2 实验步骤1 3 2 2 3 足底压力测试1 5 2 2 4 表面肌电图的测试1 7 2 2 5 数据处理分析18 3 研究结果1 9 3 1 跑台递增负荷运动气体代谢指标及心率的变化1 9 3 2 功率白行车递增负荷运动气体代谢指标及心率的变化1 9 3 3 纵跳高度的变化2 0 3 4 不同运动形式疲劳后的下肢肌i e m g 、m f 值的变化21 3 4 1 不同运动形式疲劳后的下肢肌i e m g 值的变化2 1 3 4 2 不同运动形式疲劳后的下肢肌m f 值得变化2 1 3 4 3 步态分期2 2 3 4 4 足底各区域压强峰值及出现时间的对比分析2 3 3 4 5 足底各区域冲量对比分析2 9 4 分析与讨论3 2 4 1 不同疲劳状态下下肢肌肉的i e m g 的变化3 2 4 2 不同疲劳状态下下肢肌肉的m f 的变化3 2 4 3 步态分期3 3 4 4 足底各区域压强峰值及压强峰值出现的时问3 4 4 5 足底各区域的冲量变化关系3 5 5 结论3 7 6 参考文献3 8 7 攻读硕士学位期间发表的论文4 2 8 致谢4 3 不同运动形式对足底压力影响的实验研究1 引言 1 引言 1 1 选题依据 人体的足底压力分布反映了有关足的结构功能及整个身体姿势控制等情况。 足底压力分析的研究手段已经应用于很多领域，如运动生物力学、矫形外科、康 复医学、制鞋业等。足底压力分析不仅能让我们对f 常人的步态有更为深人的理 解，还能为竞技体育、大众健身提供分析参考，病态足的足底压力分析提供f 常 的基线标准。 足底压力是足底和支撑面之间的压力分布，地面反力是运动过程中人体所受 到的地面反作用力，它是足底压力和剪切力共同作用的结果。有文献记载的最早 的足底压力测量是由b e e l y 于1 8 8 2 年完成的，足底压力的测量可以为研究足部的 结构、功能和动作控制提供大量有用的信息，同时可以利用这些信息对足部的疾 病作出合理的解释。在运动领域可以利用这些信息为运动员制造个性化的运动鞋 和运动鞋垫提供参考。 足底压力分析是步态分析的重要组成部分，随着足底压力测量技术不断发展 和完善，步态分析在矫形外科和康复医学领域中的应用也日渐广泛，目前已成为 临床医师指导康复训练及评价临床疗效的重要手段。通过对不同状态下的足底压 力参数进行对比研究，可揭示足底压力分布特征和模式，分析患足病情衍变过程， 对运动系统疾病的病因分析、诊断及疗效评定等具有重要意义。 足是人体的重要组成部分，正常人的足底压力分布有一定的规律及模式，足 部畸形和功能异常将破坏足底压力的正常分布。人体的足底压力分布反映了有关 足的结构功能及整个身体姿势控制等情况。测试分析足底压力，可以获得生理、 病理学参数和机能参数。目前国内外对疲劳对足底压力影响研究较少，有的也是 停留在单一的疲劳形式下。所以本实验通过不同的疲劳形式，结合表面肌电图， 对普通大学生足底压力进行测量与步态分析，探索足底压力参数的分布规律，探 讨不同运动形式对大学生的足健康影响因素，探讨不同的运动形式疲劳后对足底 压力分布是否具有一定的差异性，为以后进一步研究足底压力提供一定的参考。 本研究旨在对1 2 名受试对象进行跑台，功率车，纵跳运动至疲劳，对所得数 据进行分析，探讨、研究人体在疲劳过程中肌肉的肌电图变化、足底压力、步态 1 引言不同运动形式对足底压力影响的实验研究 等三方面的变化特点及其相关生理学意义，尤其在足底压力方面上，对足底各区 域压强峰值、达峰值压强时间及冲量，足内、外翻情况进行深入研究探讨，以此 了解足底压力参数的分布规律及其足健康的影响因素，探讨不同疲劳对足底压力 产生的影响，为科学指导锻炼、降低运动损伤可能性提供参考。以丰富当前运动 生理学和生物力学机能评定内容及其检测手段，为制鞋业提供参考，并尝试为运 动训练的监测和效果评价提供参考。 1 2 文献综述 1 2 1 运动性疲劳 运动性疲劳是体育运动领域一项重要的研究课题，白18 8 0 年，莫索( m o s s o ) 从手指肌力实验研究人体疲劳以来，至今已有一百二十多年的历史。直至1 9 8 2 年， 在美国波士顿举行的以运动性疲劳为专题的第5 届国际运动生物化学会议上，对 运动性疲劳的概念有了统一的认识：“身体机能的生理过程不能持续在特定水平和 或整体不能维持预定的运动强度。” 从此，研究者对运动性疲劳概念的提法才较为明确，我国学者认为【l 】：运动性 疲劳，即人体运动到一定时候，运动能力及身体功能能力暂时下降的现象 运用运动生物力学方法测定运动性疲劳研究并不多。早期有学者指出，人体 的运动学指标在疲劳时，变化是最为显著的，原因在于运动生物力学的研究重点 考虑的是人体系统的“外特性”，因此，疲劳出现后运动生物力学的改变是运动性 疲劳最为直接的表象。关于利用运动生物力学方法测定运动性疲劳的研究，陆阿 吲2 3 等在1 9 9 8 年曾研究连续纵跳过程中的疲劳问题，指出纵跳高度是评价运动性 疲劳的有效指标；1 0 s 内纵跳纵向最大力值、冲量值反映运动能力较为有效，可作 为快速判断下肢肌肉疲劳的生物力学指标。 1 2 2 表面肌电 表面肌电( s u r f a c ee l e c t r o m y o g r a p h y ，s e m g ) 信号是从肌肉表面引导和记录 到的肌肉活动时神经肌肉系统生物电变化的一维时间序列信号，可以反映电极所 触及的多个运动单位生物电活动在时问和空间上的总和，具有一定的肌肉代表性， 适合于局部肌肉功能评价，且其检测具有非损伤性【3 】。在很多方面均有重要的实用 价值。 1 2 2 1s e m g 信号的形成和采集 肌电信号发源于作为中枢神经一部分的脊髓中的运动神经元。当中枢神经系 不同运动形式对足底压力影响的实验研究1 引言 统的兴奋传至脊髓运动神经元时，膜内、外的电位差迅速减小直至消失，进而出 现两侧电位极性的倒转，由静息时膜内为负膜外为正，变成膜内为j 下膜外为负， 但又很快恢复到受刺激前的静息状态。膜电位的这种迅速而短暂波动，称为动作 电位。在神经纤维上传导的动作电位，习惯上称为神经冲动。神经冲动经神经肌 肉接头传至肌膜，引起肌细胞兴奋，继而触发横桥运动，引起肌肉收缩。利用适 当的方法收集到的肌肉的动作电位称为肌电信号，利用表面电极所收集到的肌电 信号叫做表面肌电信掣4 1 。 表面肌电信号采集的影响因素主要是所使用的仪器和电极。一般实用的肌电 图仪有德国b i o v i s i o n 公司出品的1 6 通道多导运动生物电纪录分析系统；芬兰产 m e g a 表面肌电仪，有2 通道m e 3 0 0 0 p 2 型、4 通道m e 3 0 0 0 p 4 型、8 通道m e 3 0 0 0 p 8 型和2 0 0 4 年新推出的m e 6 0 0 0 1 6 通道的表面肌电测试系统；美国产4 、8 、1 2 、1 6 通道m y o s y s t e m l 4 0 0 表面肌电测试系统和n o r a o nt e l e m y o 表面肌电遥测系统， t e l e m y o 遥测系统可提供1 0 个无线电波，将肌电信号通过无线电波传送至l o o m 以外的接受器，因此可在不影响运动员运动的情况下记录运动员完成运动时的真 实肌电信号。 表面电极通常用1 c m 以内表面有导电膏的金属片( 银、铜等) 作引导电极， 直接固定在被测肌肌腹处的表面上，通过电极皮肤界面来感受皮肤上的电流。安 放电极前，对该处皮肤去毛，用细砂纸打磨，去脂酒精棉球擦拭，使皮肤阻抗处 于一定的范围内。之后将电极贴在肌肉收缩时肌腹的几何中心，电极方向顺着肌 纤维的纵轴方向，间隔2 0 3 o c m ，作双极导出。在此基础还需在被采集肌肉附近 的骨性标志处增加一个参考电极。它同其它生物电信号一样，因为本身信号幅度 较小，信噪比不高，其中最大的噪声来源是5 0 h z 的工频干扰，另外还有周围环境 中电磁场辐射的干扰和检测仪器内部电子噪声的干扰【5 。 1 2 2 2s e m g 信号的分析方法 早期七、八十年代对肌电图( e m g ) 的研究方法主要是通过直观的观察或用 尺测量波的振幅，可以直接评定肌肉是否参与活动，肌肉活动的时间长短，肌电 活动的强度，以及肌肉的协调模式。随着现代科学技术的发展，对肌电图的测量 法已采用电子计算机技术的自动分析方法。 对s e m g 信号的分析主要集中在时域和频域两个方面 6 】。近年来，随着人们对 神经肌肉系统非线性性质认识的深入，有人开始尝试采用非线形数学方法分析肌 电信掣7 】，从而使该领域研究步入一个崭新阶段。 1 引言不同运动形式对足底压力影响的实验研究 在时域分析方面，主要包括积分肌电值( i n t e g r a le l e c t r o m y o g r a p h i c ，i e m g ) 和均方根值( r o o tm e a ns q u a r e ，r m s ) 。i e m g 是指一定时间内肌肉中参与活动的 运动单位放电总量，即在时间不变的前提下其值的大小在一定程度上反映了参加 工作的运动单位的数量多少和每个运动单位的放电大小。r m s 是放电有效值，其 大小决定于肌电幅值的变化，一般认为与运动单位募集和兴奋节律的同步化有关。 在频域分析方面，主要的分析方法是对s e m g 信号进行快速傅立叶转换( f a s t f o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ，f f t ) ，获得s e m g 信号的频谱或功率谱，它们可反映s e m g 信号在不同频率分量的变化，故能较好地在频率维度上反映s e m g 的变化。为定 量刻画s e m g 频谱或功率谱的特征，研究人员常用以下两项指标，即平均功率频 率( m e a np o w e rf r e q u e n c y ，m p f ) 和中位频率( m e d i a nf r e q u e n c y ，m f ) 。m p f 表 示的是过功率谱曲线重心的频率；m f 是指骨骼肌收缩过程中肌纤维放电频率的中 间值。 1 2 2 3s e m g 信号分析的应用研究现状 由于s e m g 信号变化与肌肉活动状态及功能状态之间存在较好的关联，且 s e m g 信号的获取与分析具有实时性、客观性、敏感性及灵活性等特点，故s e m g 信号分析常被用于人的肌肉工作相关性研究，如肌肉工作技能协调性和合理性分 析、步态分析、肌肉活动状态及疲劳状态分析，其中，肌肉活动状态及疲劳状态 分析是目前研究较多的问题，它们同体力负荷的心理主观评价一道共同构成体力 负荷能力的整体评价指标体系。 ( 1 ) 不同活动状态下肌肉力一电关系研究 肌肉活动状态特指肌肉收缩对抗或克服阻力时的生理工作强度，与负荷重量 或负荷功率的大小有关，是肌肉功能评价的一个重要方面，也是进一步探讨肌肉 功能状态的一个先决条件。近年来，应用s e m g 及其分析技术研究不同活动和功 能状态下的肌肉功能变化，已成为康复医学、运动医学和人机工程学领域肌肉功 能评价的一种重要手段。有关的研究一致表明，各种肌肉负荷形式下肌肉收缩力 或输出功率的变化与s e m g 信号的振幅间存在着良好的线性关系，但它们与s e m g 频域分析指标如m p f ，m f 之间的关系尚未彻底明确。 ( 2 ) 肌肉功能状态与s e m g 信号时频域特征之关系的研究 无论是动态，还是静态运动，一般情况下伴随运动肌疲劳的发生和发展，表 面肌电信号的傅立叶频谱曲线可以发生不同程度的左移现象，并且导致反映频谱 4 不同运动形式对足底压力影响的实验研究1 引言 曲线特征的m p f 和m f 产生相应的f 降【8j 。就目前而言，在频谱左移现象发生的 确定性方面，似乎是静态运动优于动态运动，原因之一可能与动态运动中表面肌 电引导电极与被检肌肉肌纤维之问的空问位置关系始终处于相对变化之中有关； 而在频谱左移程度或m p f 、m f 下降幅度方面似乎与被检肌肉以及疲劳程度等不 同有关。此外，诸如被试皮下脂肪厚度、表皮温度以及引导电极间距和直径的大 小等也可明显影响测定结果。 除肌肉疲劳外，某些肌源性因素的作用也可能与疲劳时观察到的e m g 频谱左 移有关，其中肌肉组织厚度的变化就是人们感兴趣的因素之一。我国学者王瑞元、 杨静宜、熊开宇等曾探讨了负荷模式、肌肉收缩形式等对s e m g 时频特征的影响， 发现不同负荷至疲劳条件下，i e m g 与m p f 具有不同的反模式【9 。此外，杨静宜 等研究发现离心收缩条件下的股四头肌i e m g 值明显小于向心收缩 1 0 1 。 ( 3 ) 运动性肌肉疲劳与s e m g 信号的关系的研究 运动性肌肉疲劳( e x e r c i s e i n d u c e dm u s c l ef a t i g u e ) 特指运动引起肌肉产生最 大随意收缩力量或者输出功率暂时性下降的生理现象。运动性肌肉疲劳的发生机 理相当复杂，涉及中枢运动驱动( c e n t r a lm o t o rd r i v e ，c m d ) 、神经肌肉接头兴奋 收缩偶联( e x c i t a t i o n - c o n t r a c t i o n c o u p l i n g ，e c ) 和肌肉能量代谢等多种生理过程 1 l - 1 2 】， s e m g 因其信号特征的形成与变化与以上疲劳相关的生理过程之间存在着不同程 度的因果关系，因而成为生理学探讨运动性肌肉疲劳生理机制的重要研究领域。 由于表面肌电图反应的是数个肌肉运动单位在同一时问内的电位变化，一般不作 单个运动单位电位( m u p ) 分析，所以在进行肌肉疲劳研究时，多选用i e m g 、 r m s 、m f 、相位变化、功率谱分析等指标及派生的这些指标问的比值。还有一个 指标e m g 被很多学者采用，即以最大自主收缩( m v c ) 的e m g 作基数，实验 中测得的其他动作的e m g 与此相比的百分值作为实验数据【l3 1 。下面是疲劳时几个 主要肌电指标的变化： q i e m g 和r m s ：i e m g 的变化在不同运动形式及不同运动强度时有所不同， 如高强，尹吟青于1 9 8 5 年报导疲劳时i e m g 的变化是由收缩水平决定的，在低于 最大随意收缩( m v c ) 水平时，i e m g 常随工作持续时间的延长呈线性增长，而 在m v c 水平时则i e m g 不变或下降 1 4 】；王瑞元等于1 9 9 1 年发现在做极限负荷斜 蹲时i e m g 随完成起蹲次数的增多而增大【l5 】；j s p e t r o f s k y 系统地研究了在自 行车测功计上运动时股四头肌的e m g f l 0 】，发现在2 0 。4 0 v 0 2 m a x 负荷下，r m s 1 引言不同运动形式对足底压力影响的实验研究 随时间的变化不明显。而在6 0 一1 0 0 v 0 2 m a x 负荷下，随时间的延长逐渐加大。 研究者还发现，练习太极拳的老年人运动时肌电振幅比练习拳击的青年运动员的 肌电振幅高得多，放电的同步化无疑是很重要的原因【l 酬。 m p f 和m f ：无论是动态还是静态运动，一般情况下，随着运动肌疲劳的 发生和发展，表面肌电信号的f f t 曲线可以发生不同程度的左移现象，并且导致 反映频谱曲线特征的m p f 和m f 产生相应的下降【1 7 】。此外，另有研究发现，麦克 阿特尔患者在剧烈运动至疲劳时同样发生s e m g 频谱左移的现象，这与w i l e s 等的 发现相一致，因而认为频谱的左移与h + 或乳酸浓度的增加无关。 ( 4 ) 影响运动性疲劳e m g 特征的因素 肌肉运动包含着神经肌肉系统一系列复杂的生物电活动，运动强度、运动方 式、运动性质( 静力性、动力性) 、肌肉的收缩方式( 离心、向心收缩) 、所选肌 肉、受试者的自身特点、提取特征量所用的计算方法等都会影响到运动单位的募 集和放电的同步化程度，从而出现不同的肌电反应。采集肌电信号的仪器设备、 电极安放位置及间距、采集的时间等众多因素都会影响实验结果。所以，在众多 的运动性疲劳e m g 特征的研究中，许多结论不完全一致【l 引。 在等张动力性工作的研究中t e s c h 等比较了股外侧肌和股直肌分别在离心收 缩和向心收缩时的肌电变化，发现i e m g 在向心收缩时高于离心收缩【l9 1 。k r o o n 等 2 0 】分别以5 0 和4 0 m v c 为负荷进行等长收缩、离心收缩和向心收缩至力竭， 比较屈肘肌的e m g 改变，发现三种性质工作m p f 随时间下降，e m g 、r m s 随时 间增加，但离心收缩r m s 和m p f 的改变率比其它两种工作为高( p 0 0 1 ) 。 在运动强度与疲劳方面，c h w a l b i n s k a m o n e t a 等【2 l 】研究发现，在递增负荷运 动中，股直肌和比目鱼肌e m g 的r m s 在低、中负荷时轻度升高，而在乳酸阈值 负荷时突然显著增高，r m s 与血乳酸值显著相关。w e s t 等【2 2 峙艮道，以3 0 、5 0 和7 5 m v c 进行等长握力训练时，疲劳e m g 的i e m g 呈非线性增加，幅度与强 度呈正相关。a m e n t 等 2 3 】在递增负荷的跑台实验中发现，比目鱼肌和腓肠肌在较 低负荷运动至力竭时，中心频率没有变化，而以较高负荷运动至力竭时中心频率 降低。但s h i n o h a r a 等研究了踏车递增负荷运动中股四头肌的肌电信号，发现肌电 信号平均振幅( m a ) 的改变与运动负荷无关。 在时域分析方面，研究结果不一致。l i n s s e n 的研究中疲劳态肌电振幅在肌病 患者较大，而l i n s s e n 【2 4 】另一项以先天性肌病患者作为研究对象的实验中，i 型纤 6 不同运动形式对足底压力影响的实验研究1 引言 维占1 0 0 的患者与i 型纤维占8 0 的患者及对照组相比，肌电振幅增加较少。 ( 5 ) 运动性疲劳e m g 改变的机理 大多数研究证实，e m g 时域值在运动至疲劳过程中的总趋势是上升，反映了 参加工作的运动单位的数量。而i e m g f 是反映参加工作的运动单位的动作电位 的总和，其值的高低反映参加工作的运动单位的多少。另外，i e m g 持续不断上升 可能是由于肌肉能量代谢失衡和局部酸性代谢产物的增加使肌纤维的内环境发生 不断改变，从而导致某些运动肌纤维收缩力量下降，为了维持原来的肌张力，募 集新的运动单位丌始放电。也可能是由于运动单位本身性质决定肌肉产生疲劳， 使肌肉组织机能活动下降。 大多数研究结果显示，从初始态到疲劳态，e m g 功率谱向低频转移，低频比 重增加，高频比重减少，特征量m p f 、f c 、m f 减少。至于疲劳态肌电频率降低 的机理，可有如下几种解释：在持续运动时，快运动单位很快疲劳而募集更多 的未疲劳的慢运动单位参加工作。疲劳时为了维持肌肉应达到的张力而加强运 动单位兴奋的同步化。肌肉疲劳时肌内压升高，使血流受阻，引起肌腹兴奋， 传导速度降低。肌肉收缩时血流受阻，使肌肉乳酸堆积，导致运动单位传导速 度降低，m p f 和m f 也随之下降。 1 2 3 足底压力 1 2 3 1 足的解剖生理结构 足是由2 6 块骨，3 3 个关节和1 2 6 根韧带、肌肉和神经如同网状一样分层构成 一个复杂的结构( 见图一) 。 f 趾骨； l 跖骨 藏黪镎熊麓壤獯溱 怒整赣黪黪罐隧 图一足的解剖结构 蔷熏_ | 崔跗 l 引言不同运动形式对足底压力影响的实验研究 它的基本功能是支撑人体重量、缓冲、吸收冲击力，产生向前的推动力，以 及帮助调节、维持人体的平衡。除了这些，最重要的功能是作为一个“全能”的 骨连接，将从股部至小腿的肌肉组织产生的力转化为有效的位移，从而完成各种 动作技术。而位移并不是全部，因为有些动作还要求跳跃、转身、加速和减速， 这些动作存在的危险因素会引起足部异常或过度负荷，最终导致损伤。这些因素 可以是内因( 解剖结构或生物力学因素) ，也可能是外因( 运动鞋、运动场地、训 练方法) 。 足部骨骼形成了两个足弓：横弓和纵弓。横弓在休息位时出现，而当足部承 重并且跖骨头接触时消失。纵弓( 见图二) 起自足跟，止于跖骨头，并由足底跟 舟韧带( 弹力韧带) 和足底筋膜在内部支持，足底筋膜起自足跟部，止于组织的 近侧趾骨，形似弓弦。当足趾在足尖部背屈时，足底筋膜通过一种绞绕机制被拉 紧( 见图三) 。对纵弓的外部支持是来自足底的动力性悬韧带，这一悬韧带由胫骨 前肌、胫骨后肌和腓骨长肌的肌腱组成。 上 菠常髭( 跫吩蠡兰常3 上 图二正常足弓和扁平足弓 绻一。滟，弋。：，。戮赫 爹警 遵刘夕。、滏划 不同运动形式对足底压力影响的实验研究1 引言 在评定足部损伤时，还必须考虑其他受力情况，前部和后部的剪切力，内侧 和外侧的剪切力，以及扭转力，内侧和外侧的剪切力向前部和内测传导，当经过 足后部和外侧部最后传至足尖部时剪切力可达到体重的2 0 【25 1 。扭转力在足跟内 部产生，当足方平时转换位外部扭转力，最后在足尖部消失，这些力在跑步过程 中可以增加到5 0 或者更多。c a v a n a g h 2 6 】测定了径赛运动员奔跑时跖骨下面的压 力，发现在不同速度、不同个体甚至左右脚之间的受力情况有显著性差异。 1 2 1 3 2 足底压力研究的起源与发展 足底压力是足底和支撑面之问的一对作用力与反作用力。脚部受力的大小和 方向、脚底皮肤触觉信息的反馈，对人体运动及平衡控制产生巨大的影响。1 8 8 2 年，b e e l y 2 7 率先对足底压力进行了较科学的研究。2 0 世纪5 0 年代真正系统地进 行足底压力分析并用于运动生物力学，近二、三十年得到迅速发展。1 9 9 7 年第1 6 届国际生物力学大会，有关步态研究的论文已占论文总数的1 3 。近年来，在步态 与姿态( g a i tp o s t u r e ) 、人类工程学( e r g o n o m i c s ) 、临床生物力学( c l i n i c a l b i o m e c h a n i c s ) 、生物力学杂志( j o u r n a lo fb i o m e c h a n i c s ) 等国际学术刊物发表了 大量步态研究的论文，这些论文大多涉及足底压力及分布的测量分析。 目前，足底压力测量技术主要应用于三个研究领域：步态分析、临床足疾诊 疗和运动鞋设计。随着科技的进步，足底压力测量仪器发展非常迅猛，仪器的精 密程度越来越高，为以后的实验和研究提供便利，研究结果将更加准确，对足底 压力将有更深刻的理解，为预防和治疗运动损伤提供一定的参考。 1 2 3 3 足底压力的研究现状 ( 1 ) 国外研究现状 发达国家对足底压力分析研究较早，为研究足部的结构、功能和体态控制提 供大量有用的信息，还可利用这些信息对一些足部疾病作出合理解释。m a r y j o s e p h i n e ，h e s s e r t 等 2 8 】用足底压力测试鞋垫，测试了9 名年青人和6 名老年人， 结果表明，足底压强参数在年青人和老年人之间明显不同，老年人在足的内侧区 平均压强与压力比外侧小，说明老年人在行走时，支持体重在足的外侧区域。n i g g 和b a h l s e n 等对1 4 人在力台上和高速摄影进行测试，发现跑速影响外部冲击力的 峰值，但鞋中垫的硬度并不影响外部垂直冲击力的大小和载荷率。但却会影响外 力对足内部结构的作用，柔软的鞋中垫会减小韧带力而增大关节力。m o n i k a h o r v a t h 2 9 】等对1 1 名偏瘫病人的步态进行了动力学和运动学分析，发现偏瘫一侧足 9 1 引言不同运动形式对足底压力影响的实验研究 的支撑时间短，用非偏瘫侧弥补偏瘫侧肢体的运动幅度，导致两侧肢体的髋、膝、 踝的不正常运动。m o r a g 3 0 】等收集了5 5 个健康人行走时的足底峰值压力和功能数 据，建立了一个能观察到足底压力的升高，发现病学因子的预测足底峰值压力的 模型。g r o s s 和b u n c h 等对l o 名跑步者的研究发现，当速度增大时，足底各部分 的平均峰值应力也显著增大，测量到第二、三跖骨前端和大脚趾底部应力最大， 并解释了跑步者经常发生跖骨疲劳性骨折的原因。s t e b b i n s 3 l 】等人测量1 2 名正常 儿童的足印图，结果显示应力较压力可能是更合适的测量值。b r y a n t 等研究了3 0 个正常人足负重位x 线片和足底1 0 个区域平均峰值压力的关系，认为足底的动态 峰值压力分布与静态x 线片测量的参数无关。 ( 2 ) 国内研究现状 2 0 世纪8 0 年代，对足底压力的研究开始在国内受到重视，至今在国内也取得 了不少成果。1 9 9 4 年，汤荣光使用m u s g r a v e 平板系统测量3 0 名正常中国人赤足 站立、行走和奔跑时的足底7 个区域的压力，发现除第2 跖骨头外，男女性的足 底压力和双侧足的峰值压力无明显差异。吴剑，李建设3 2 1 通过录像解析系统和 f s c a n 足底压力分布解析系统对青年女性穿高跟鞋行走时的步态运动学和动力学 测量和分析，结果表明，穿跟高6 5 c m 以上的高跟鞋行走时，足底第一跖趾关节 最大受力值分别是穿球鞋和中跟鞋或松糕鞋行走时该点最大受力值的4 倍和2 倍。 2 0 0 2 年毛宾尧等使用f s c a n 步态分析仪测量5 3 例正常人行走、站立时足底7 个 区域的压力，建立了一套数据库；还进行了重心分析，验证了人体的重心运动轴 线与足内侧纵弓相吻合的运动规则。2 0 0 4 年袁刚等使用自行研制的测量仪，对1 5 8 例正常人的足底压力进行了检测，发现中国人足底压力与文献报道的其他种族不 完全相同，年龄、身高、体重与足底峰值压力呈弱相关。张春林等【3 3 】在对有训练 与无训练者正常跑步过程中左右足平衡能力的评价中指出，经过训练青年人左右 足最大受力以及所受的最大压力基本平衡。王志彬【3 4 】等对足弓垫减轻足跟损伤后 疼痛的机理进行了研究，发现足弓垫可以改变足底压力分布，使足底压力的5 7 1 集中在足弓垫下，有利于增加足弓的支撑力，缓解跖腱膜的牵引力，减轻足跟的 负重，从而减轻足跟疼痛。 ( 3 ) 足底压力测量技术 足底压力测量技术是运用压力测量仪器对人体在静止或者运动过程中足底压 力的力学、几何学以及时间参数进行分析研究，揭示不同的足底压力分布特征和 1 0 不同运动形式对足底压力影响的实验研究 1 引言 模式。根据足底压力测定的发展过程及使用技术可将其分为脚印法( p e d o g r a p h y ) 、 足底压力扫描器( s o l eb a r o g r a p h ) 、测力板( f o r c ep l a t e ) 、测力台( f o r c ep l a t f o r m ) 、 测力鞋垫系统( i n s o l es y s t e m ) 。目前，应用最为广泛的就是后三种。 测力台( f o r c ep l a t f o r m ) 测力台的使用比较早，由压电式传感器和面板组成。测量