摘 要： 目的:本文旨在综合国内外对于倒走的研究,总结倒走与正向行走的生物力学差异及倒走在健身和康复训练中的效益,并为后续如何实施倒走运动方案提供参考。方法:查阅近年来国内外有关倒走运动生物力学分析、倒走训练的干预研究的文献资料,对资料中的信息进行汇总归纳和整理。结果:倒走与正向行走对比,步长短,步频更快,步宽减少,膝关节和踝关节的活动幅度与正向行走存在差异,髋关节无差异;倒走中膝关节作用力,髌骨关节间作用力较小;下肢肌肉的激活时序和激活程度在单双支撑相都与一般行走存在显着差异,腘绳肌和腰背肌群的激活程度也显着增大。结论:倒走可提高平衡能力,作为老年人的日常健身项目;倒走显着激活了腰部肌群,对于腰部慢性损伤患者具有较好的锻炼效益;由于倒走运动具有较小的下肢关节受力,同时激活更多下肢肌肉,在下肢运动损伤康复阶段,可作为锻炼项目之一。
关键词： 倒走运动; 生物力学; 康复; 步态分析;
Abstract： Objective:This study summarized the biomechanical differences between backward walking and forward walking and the benefits of backward walking in fitness and rehabilitation training by integrating the domestic and foreign studies on reverse walking.So it could provide references for the application of backward walking in the future.Methods:It was a review study so we search the literatures about the biomechanics analysis and the intervention research of backward walking at home and abroad in recent years,.and summarize and sort out the information in the data.Results:Compared with forward walking,step length,frequency and width of backward walking were different.There were differences in the activity amplitude of knee joint and ankle joint,,but no difference in hip joint.In backward walking,the force of knee joint and patella joints was smaller than that of forward walking.The activation sequence and activation degree of lower limb muscles were significantly different from that of forward walking.The activation degrees of hamstring and lumbar dorsal muscles were significantly increased.Conclusion:Backward walking can effectively improve the balance ability,and can be used as a daily fitness program for the elderly.Backward walking significantly activated the lumbar muscle group,which had good benefits for patients with chronic lumbar pain.Since it has less stress on lower limb joints and more lower limb muscles are activated at the same time,it can be used as one of the exercise in the rehabilitation stage of lower limb sports injury.
Keyword： Backward walking; Biomechanics; Rehabilitation; Gait analysis;
步行是一般人类必备的行动能力,经由神经肌肉系统的控制,下肢各环节配合形成周期化的步行动作。一旦神经骨骼肌肉系统任一环节受到损害,人的行走步态就会发生相应的改变[1]。在日常生活中根据各种活动需求,下肢完成不同的动作,包括步行、跑、跳、侧滑等。一直以来都有研究进行不同动作的下肢动作模式和受力情况的分析,为下肢损伤的机制和康复手段提供理论基础[2]。如步行时膝关节受力仅略高于体重;而侧滑和前滑等动作的受力约为2倍体重;慢跑则为2.5倍体重;快跑则接近4倍体重;而跳则超过5倍以上的体重[3]。
正向行走是最简单的基本动作,一般提到的步态分析即为正向行走的分析。但自20世纪80年代以来,背向行走(backward walking,倒走)开始进入到人们的视野。它是一种建立在正向行走基础上的人类的一种本能。倒走健身也越来越多成为当下的健身趋势,在健身和康复训练中得到应用,但目前对于倒走这种运动的分析研究并不太多。
本文综合目前为止国内外对于倒走的研究,总结倒走运动与正向行走对比的生物力学特征,旨在研究倒走在健身中的作用和在康复训练中能达到的效益。提供较完善的倒走运动的运动学动力学参数,为倒走运动的适用人群、适用的运动损伤及其在康复中的适用阶段提供合理建议,并为后续如何实施合理的倒走运动方案的研究提供参数和研究思路。
1 、倒走在康复和健身中的应用
1.1 、倒走在康复中的应用
在临床上,倒走作为一种锻炼手段被应用于各种损伤和疾病的康复治疗,很多研究也证实了这种倒走训练所能达到的康复效益。倒走可以提高下肢的平衡能力和肌肉力量,且倒走训练提供了神经肌肉系统和心血管功能的双重训练[4]。
倒走训练可以用于偏瘫患者,来提高他们的运动控制能力以实现更佳的步态表现;Thomas也提到可以避免中风患者下肢的协同作用产生,可增进下肢的选择性动作的产生[5]。YANG等对25名Brunnstorm分级为3～4级的中风患者以常规步态训练完成后再进行3次/周,30min/次,共进行3周的倒走练习,对比发现,进行倒走练习的患者步速明显提高、步幅明显增大,中风病人不对称的步态也可以通过倒走训练进行纠正[6]。Hackney对帕金森患者进行为期2个月的倒走训练,证实这种运动显着改善帕金森氏症患者的功能灵活性、步态表现、平衡能力[7]。
倒走训练不仅用于偏瘫等神经病损的病人,也同样多用于下肢骨关节损伤的康复期[8]。相对于正向行走,髌骨关节的应力大大减小,对下肢疲劳性损伤的患者非常有益。有学者对单侧前交叉韧带断裂术后3～6个月内的病人利用运动平板进行倒走训练,前交叉韧带重建术后患者的位置觉和运动觉都得到了提高。训练中适度提高平板倾斜角度能够增强治疗的效果。倒走训练也一样用于髌骨关节综合征和膝关节骨性关节炎病人的日常训练中。
1.2 、倒走在健身中的应用
倒走训练由于排除了视觉刺激对于平衡的调控,本体感觉对于平衡的控制发挥更多的作用,因此倒走训练可以显着提高平衡能力已经得到广泛认同。Campbell等学者对233名老年妇女分组进行为期6个月的包含了倒走、侧向运动、转身、跨越障碍的锻炼,结果证实,实验组的平衡能力得到显着提高,成功地预防了老年人摔倒[9]。我国有学者对30名女性老年人(实验组)进行为期4个月的倒走训练,结果发现,相对于一般行走训练的对照组,他们在正常行走时的抬脚高度有明显增加,实验组的左、右脚单支撑时间较对照组更长,抬膝高度、摆动角速度都有显着性提高,表示背向行走对膝关节产生良好的影响,对提高正向行走能力以及运动控制、防止跌摔有积极的意义[10]。
综上所述,近10年来,倒走被越来越多地利用到健身和康复领域,相对于一般步行锻炼,它可以更显着地提高平衡能力,同时,它并不是单纯是行走的逆过程,它会激活与步行不同的肌肉神经环节,达到不同的锻炼效果。在下肢环节损伤后,它也可以用于康复训练中,膝关节损伤术后倒走可以促进组织的康复,而对于慢性膝骨关节疼痛,倒走训练也可以缓解疼痛,改善下肢环节的运动功能。
2、 倒走的生物力学分析
2.1、 倒走的运动学分析
一个完整的步态包括两个连续的步伐,一个步伐又可以划分为两个时相:单支撑相和双支撑相。与行走一样,倒走也是一个周期性运动。日本学者对17名男性和10名女性的自然正向和逆向行走的基本步态参数进行了分析,指出在健康成年人在倒走步态中,都显着减小了步行的步宽、步频和行走速度,且在倒走中双支撑时相比例明显增加[11]。Grasso以7名健康的成年人为受试者测量正常行走与背向行走,发现背向行走的跨步长为1.16m明显小于正常行走的1.24m;步行速度正向行走为1.01m/s,背向行走为0.94m/s,所以完成一个步态周期背向行走为1.36s,正向行走为1.42s[12];但与前研究相反的单支撑相和双支撑相比例正向和逆向行走并没有太大差别。从年龄角度上来说,不论是年轻人还是老年人,在背向行走时,皆有步速变慢、步长变短和双脚支撑期时间加长与摆动期时间减少的情况发生,但老年人更为明显[13]。学者建议将倒走作为老年人健身手段时,应考虑不同年龄步态的特点和差异,方能达到最佳效果。
从下肢各关节的运动学数据来看,在倒走和正常行走中,髋关节的运动学数据几乎表现为完全相反,即倒走的髋关节角度即为时间轴倒置的正向行走,但膝关节和踝关节运动学表现出差异[14,15]。Van研究了青年人在倒走和正常步走,一样证实了运动过程中运动学指标主要在膝、踝关节存在差异[16]。Minhyeon Lee对26名青年男性和5名女性的正向和逆向行走的步态进行分析,发现下肢髋膝踝在整个步态中的关节活动的角度范围都减小,且在特殊时刻点(着地、离地)的踝膝关节角度都显着不同,所以倒走并不仅是时间轴颠倒的正向行走[17]。
2.2、 倒走的动力学分析
目前,对于倒走的动力学分析的研究并不多,但目前几乎所有的文献都表明倒走相对于正走,地面反作用力、关节间作用力、关节力矩都存在明显差别。Lee[18]等人利用三维捕捉和测力台对比了正向和逆向行走的差别,发现倒走时支撑时相的屈膝力矩和膝关节功率峰值都明显小于正走。我国学者对比了10m内的倒走和正走的动力学差异,发现在支撑相早期地面反作用力比正走更大,但支撑相晚期较正走时小,倒走在支撑相显着减轻膝关节内外侧负荷[19]。当然更多的研究表面倒走相对于正走大大减小了地面反作用力峰值,但这可能与倒走速度相对于正走更小有关,以后的研究可以结合相同步速下的正向行走和倒走的对比[20,21]。从各环节的蹬伸作用中,踝关节在蹬伸和缓冲过程在倒走运动中贡献更大,这与正向行走髋膝主要用来缓冲存在很大差异[22]。
从足底压力的角度来分析,Albensi[23]等在观察正走、倒走过程中个体体重对足跟压力的影响时发现,正走对足跟的压力大于倒走对足跟的压力,倒走也可减少对跟骨的冲击导致的损伤。国内一些学者也对倒走的足底压力分布状况做了研究,更有研究分析了糖尿病病人的正走和倒走的足底压力对比,结果发现倒走时较前行时足底压力区域分布更为均匀,前足掌压力减轻,缓解了前掌的疲劳损伤,能起到预防糖尿病足的作用[24]。
2.3 、倒走的肌电分析
表面肌电采集可以反映不同运动中的肌肉激活程度,也可以进行疲劳评价。Eisner[14]采集了健康成人正向和逆向行走中股外侧肌、股直肌、腘绳肌、胫骨前肌等下肢肌肉的肌电信号,发现相对于正向行走,倒走中腘绳肌的激活程度大大增加,而作为膝关节的主要屈曲肌群,腘绳肌的激活大大增加了膝关节的稳定性。Grasso[8]通过对比正向和逆向行走的下肢肌电,指出倒走和正向行走在肌电上几乎没有相关性,正走的推进力来源于跖屈肌群,而倒走的推进力主要来源于髋关节和膝关节的伸肌群。
Flynn0and[5]对6位健康男性进行背向跑步实验,测的肌群包括有股直肌、股内肌、股二头肌、腓肠肌以及胫骨前肌,结果显示股四头肌肌群,是背向跑步时主要等长及向心收缩肌群,并建议背向跑步可当作增强膝关节伸肌力量的方式。Grasso[19]对正向和逆向行走的下肢肌肉的肌电进行采集,显示背向行走的平均EMG活动量是比正常行走更活跃。Masumoto[17]对11名青年男性倒和正常步走时的腰背部肌群进行表面肌电分析,发现倒走时腰背部肌群放电量显着大于正常步走。Flynn[25]等也通过肌电采集证实倒走可以更大程度激活竖脊肌。因此有学者提出,倒走可以作为慢性腰背疼痛,腰椎间盘突出患者的锻炼方式。
3、 倒走的生物力学分析的研究展望
自20世纪80年代倒走这种运动方式开始出现,关于倒走的研究也开始兴起,20世纪90年代关于倒走的研究较为多见,但这几年关于倒走的研究并不多见,研究也多集中在倒走训练对于不同人群所达到的健康效益。但对于倒走这种运动一个完善的运动模式,下肢各环节在倒走运动中的受力状态并没有一个完善的研究。
目前的研究可以较明确提供以下信息:行走运动与正向行走具有不同的运动模式,从而引起骨骼—肌肉系统和神经系统的不同反应,相对于正向行走可以达到不同的健身效益;倒走训练有效提高平衡能力,增加行走中上肢的摆动幅度,增加左右两侧在行走中的均衡,可以作为老年人的日常健身项目,有效减小老年人日常活动中的跌倒风险;倒走显着激活了腰部肌群,对于腰部慢性损伤(腰肌劳损、腰椎间盘突出)患者具有较好的锻炼效益;由于倒走运动具有较小的下肢关节受力,同时激活更多下肢肌肉,在髋膝踝关节损伤或者下肢组织损伤康复阶段,根据负重程度,可以作为康复期的锻炼项目之一。
但在对近些年来相关文献的总结中,发现即使是同类研究的实验,也出现了很多混合性的结果,出现了不同甚至相反的研究结论。提示实验的严谨性需要得到提高,很多研究结论可能基于人群和步行速度的不严谨,在未来的研究中,可以结合不同速度下进行正向和逆向行走的对比。同时对倒走下肢各环节的受力进行更明确的分析,以为以后专业的倒走训练设备的设计提供理论基础。
参考文献
[1]许岳,高原.健身反向走练习对青年人下肢动作特征的影响[J].体育科学研究,2016,20(6):49-59.
[2]Peng Song.Study on the Joint Pressure of Forward and Backward Walking and Its Mechanism[C].PROCEEDINGS OF THE 2016 2ND WORKSHOPON ADVANCED RESEARCH AND TECHNOLOGYIN INDUSTRY APPLICATIONS.2016:330-333.
[3]瓮长水,王军,潘小燕,等.倒退步行平板训练对脑卒中患者下肢功能的影响[J].中华医学杂志,2006,80(37):2635-2638.
[4]Elmarie Terblanche.The metabolic transition speed between backward walking and running[J].European journal of applied physiology,2003,90(5):520-525.
[5]王新亭,任静,苏海龙,等.背向行走足底压力分布特征对平衡能力的影响[J].医用生物力学,2016,31(6):506-512.
[6]Yang YR,Wang RY,Yen LL,et al.Gait outcomes after additional backward walking training in patients with stroke:a randomized controlled trial[J].Clinical Rehabilitation,2005,19(3):264-273.
[7]Hackney ME,Earhart GM.Tai Chi improves balance and mobility in people with Parkinson disease[J].Gait and Posture,2008,28:456-460.
[8]陈泽华,叶翔凌,陈伟健,等.系统回顾和量化倒走治疗膝骨关节炎的Meta分析[J].中国组织工程研究,2020,24(26):4251-4256.
[9]Campbell AJ,Robertson MC,Gardner MM,et al.Randomised controlled trial of a general practice programme of home based exercise to prevent falls in elderly women[J].BMJ,1997,315(7115):1065-1069.
[10]张胜年,林中宝,袁泳虹,等.背向行走训练对老年人静态平衡能力及步态的影响[J].中国运动医学杂志,2008,27(3):304-307.
[11]Flynn,T.W.Comparison of cardiopulmonar y responses to forward and backward walking and running[J].Medicine And Science In Sports And Exercise,1994,26(1):89-94.
[12]Masumoto K,Takasuqi S,Hotta N,et al.A comparison of muscle activity and heart rate response during backward and forward walking on an underwater treadmill[J].Gait Posture,2007,25(2):222-228.
[13]张庭然,罗炯,王翔,等.正着走与退着走生物力学机制研究[J].天津体育学院学报,2014,29(1):81-87.
[14]汪乾春.反向走对人体平衡和核心肌群表面肌电影响的实验研究[D].成都体育学院,2015.
[15]Dong Sun,Guszt Fekete,Julien S Baker,et al.Foot Motion Character During Forward and Backward Walking With Shoes and Barefoot[J].Journal of Motor Behavior,2020,52(2):214-225.
[16]MINHYEON LEE,JUNGYOON KIM,JONGSANG SON,et al.Kinematic and kinetic analysis during forward and backward walking[J].Gait Posture,2013,38(4):674-678.
[17]Thorstensson.How is the normal locomotor program modified to produce backward walking[J].Experimental Brain Research,1986,61(3):664-668.
[18]Duysens,A A Tax,L Murrer,et al.Backward and forward walking use different patterns of phasedependent modulation of cutaneous reflexes in humans[J].Journal of neurophysiology,1996,76(1):301-310.
[19]Grasso R,Bianchi L,Lacquaniti F.Motor patterns for human gait:backwardversus forward locomotion[J].Journal of Neurophysiology,1998,80(4):1868-1885.
[20]Eisner WD,Bode SD,Nvland J,et al.Electromyographic timing analysis of forward and backward cycling[J].Med Sci Sports Exerc,1999,31(3):449-455.
[21]赵焕彬,霍洪峰,张静,等.老年人健身背向走的足底压力与步态特征[J].中国康复医学杂志,2010,25(5):435-438.
[22]Katsavelis,M Mukhezjee,L Decker,et al.Variability of lower extremity point kinematics during backward walking in a virtual environment[J].Nonlinear Dynamics Psychology and Life Sciences,2010,14(3):l65-178.
[23]Albensi RJ,Nyland J,Caborn DN.The relationship of body weight and clinical foot and ankle measurements to the heel forces of forward and backward walking[J].JAthl Train,1999,34(4):328-333.
[24]孙艳,颜秀娟.Ⅱ型糖尿病患者前行和倒走时的足底压力变化[J].西部医学,2014,26(10):1277-1279,1282.
[25]Flynn T W,Soutas.Patellofemoral joint compressive forces in forward and backward running[J].Journal of Orthopaed ic&Sports P hysic a l Therapy,1995,21(5):277-282.
