不同速度下膝关节等速肌力和自然步速下步态的时空参数比较

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.07.008

中国组织工程研究 ›› 2014, Vol. 18 ›› Issue (7): 1027-1032.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2014.07.008

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不同速度下膝关节等速肌力和自然步速下步态的时空参数比较

纪之光¹，庄洁¹，黄亮²

1上海体育学院运动科学学院，上海市 200438
2奥克兰大学生物力学实验室，新西兰 1072

修回日期:2013-12-18 出版日期:2014-02-12 发布日期:2014-02-12
通讯作者: 庄洁，博士，副教授，上海体育学院运动科学学院，上海市 200438
作者简介:纪之光，女，1988年生，满族，内蒙古自治区包头市人，上海体育学院在读硕士，主要从事运动与健康促进方面的研究。
基金资助:
上海市人类运动能力开发与保障重点实验室(上海体育学院)(11DZ2261100)；上海体育学院研究生国(境)外访学项目资助(shtyfx20130206)

Comparison of isokinetic knee muscle strength under different angular velocity and temporal-distance gait parameter

Ji Zhi-guang¹, Zhuang Jie¹, Huang Liang²

1School of Kinesiology, Shanghai University of Sports, Shanghai 200438, China
2Laboratory of Biomechanics, the University of Auckland, New Zealand 1072

Revised:2013-12-18 Online:2014-02-12 Published:2014-02-12
Contact: Zhuang Jie, M.D., Associate professor, School of Kinesiology, Shanghai University of Sports, Shanghai 200438, China
About author:Ji Zhi-guang, Studying for master’s degree, School of Kinesiology, Shanghai University of Sports, Shanghai 200438, China
Supported by:
Shanghai Key Laboratory of Human Sport Competence Development and Maintenance (Shanghai University of Sports), No. 11DZ2261100; Post-graduate Overseas Visiting Program of Shanghai University of Sports, No. shtyfx20130206

摘要/Abstract

摘要：

背景：当前研究肥胖对儿童的影响多限于代谢生理问题，对于骨骼肌肉及运动能力研究较少。
目的：比较肥胖儿童与正常儿童膝关节的等速肌力，从肌力方面分析肥胖儿童运动能力下降的原因。
方法：招募56名儿童，其中28名肥胖儿童，28名正常儿童。采用CON-TREX等速测试仪测量下肢肌力，采用VICON系统采集运动数据，采用SPSS 19.0统计软件对所有实验数据进行统计学处理。
结果与结论：在同一速度下，肥胖儿童的膝关节伸屈绝对峰力矩和平均功率大于正常儿童(P < 0.05)，但是相对峰力矩和相对平均功率与正常儿童没有显著区别[除60 (°)/s时伸肌群肥胖组显著低于正常组外](P > 0.05)。在同一速度下，两组儿童的伸肌群力矩和功率均大于屈肌群(P < 0.05)，同时肥胖组儿童在较高速度[120 (°)/s]下伸屈肌群绝对峰力矩和绝对平均功率与相对峰力矩和相对平均功率差异均有显著性意义(P < 0.05)。两组儿童均表现屈肌在较高速度下力矩大，伸肌在较低速度下力矩大。正常儿童的步频步速快于肥胖儿童，单步时间和步宽显著小于肥胖儿童(P < 0.05)。结果显示肥胖儿童绝对肌力大于正常儿童，但相对肌力等于甚至小于正常儿童，同时肥胖儿童步速较慢，步频较低，这可能解释为由于下肢肌力较弱，导致运动能力不足。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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关键词: 组织构建, 组织工程, 肥胖儿童, 等动肌力, 膝关节, CON-TREX

Abstract:

BACKGROUND: The current studies concerning the effect of obesity on children are limited to metabolic physiology, and there is little evidence available on skeletal muscle and motor ability.
OBJECTIVE: To compare isokinetic knee muscle strength between obese children and normal children, and analyze the causes of physical performance decline in obese children.
METHODS: A total of 56 children were recruited in this study, including 28 obese children and 28 normal children. The isokinetic muscle strength was tested by CON-TREX. The gaits were tested by VICON. The statistical analysis of all the differences between obese children and normal children were measured using SPSS 19.0 software.
RESULTS AND CONCLUSION: At the same gait speed, obese children had higher absolute peak torque and average power than normal children (P < 0.05), but relative peak torque and relative average power showed no significant difference compared with normal children (P > 0.05) except extensor group at 60(°)/s was significantly lower than normal children. At the same gait speed, the torque and power of extensor group were significantly higher than that of flexor group in the two groups (P < 0.05); he obese children showed significant differences in the absolute peak torque and absolute average power compared with relative peak torque and relative average power of flexor group at 120(°)/s (P < 0.05). In the two groups, the extensor exhibited higher torque in high speed, while the high flexor torque was found in low speed. Normal children had faster cadence and walking speed, significantly smaller step width and shorter stride time than obese children (P < 0.05). Obese children have smaller relative strength and higher absolute strength than normal children; in addition, the low cadence and walking speed are found in obese children. These factors contribute to weak limb strength and insufficient motor ability.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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Key words: overweight, child, muscle strength, knee joint

中图分类号:

R318

纪之光，庄洁，黄亮 . 不同速度下膝关节等速肌力和自然步速下步态的时空参数比较[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(7): 1027-1032.

Ji Zhi-guang, Zhuang Jie, Huang Liang. Comparison of isokinetic knee muscle strength under different angular velocity and temporal-distance gait parameter[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(7): 1027-1032.

图/表（结果） 2

2.1 峰值力矩

绝对峰力矩：在相同角速度下肥胖组的伸力矩和屈力矩均显著大于正常组(P < 0.05)。正常组内同肌群角速度120 (°)/s与60 (°)/s之间差异有显著性意义(P < 0.05)，而肥胖组内同肌群角速度120 (°)/s与60 (°)/s之间差异无显著性意义(P > 0.05)。肥胖组内在120 (°)/s下伸肌群和屈肌群峰力矩之间差异有显著性意义(P < 0.05)，见表2。

相对峰值力矩：在120 (°)/s速度下的相对伸肌力矩和屈肌力矩在两组之间差异均无显著性意义(P > 0.05)，而在60 (°)/s速度下的屈肌力矩在两组之间差异也无显著性意义(P > 0.05)，伸肌力矩正常组高于肥胖组，两组之间差异有显著性意义(P < 0.05)。正常组内只有屈肌群在两个角速度之间差异有显著性意义(P < 0.05)，而肥胖组内伸肌群、屈肌群在两个角速度之间差异均有显著性意义(P < 0.05)。正常组内在60 (°)/s速度时伸肌群与屈肌群之间差异有显著性意义(P < 0.05)，肥胖组内在120 (°)/s速度时伸肌群与屈肌群之间差异有显著性意义(P < 0.05)，见表2。

2.2 平均功率

绝对平均功率：在相同角速度下肥胖组的伸肌和屈肌平均功率都显著大于正常组(P < 0.05)。正常组内同肌群角速度120(°)/s与60(°)/s之间差异有显著性意义(P < 0.05)，而肥胖组内只有屈肌群在角速度120(°)/s与60(°)/s之间差异有显著性意义(P < 0.05)。肥胖组内在120(°)/s下伸肌群和屈肌群平均功率之间差异有显著性意义(P < 0.05，表2)。

相对平均功率：同肌群同角速度条件下两组间差异均没有显著性意义(P > 0.05)。正常组内只有屈肌群在两个角速度之间差异有显著性意义(P < 0.05)，而肥胖组内伸肌群、屈肌群在两个角速度之间差异均有显著性意义(P < 0.05)。正常组内在60 (°)/s速度时伸肌群与屈肌群之间差异有显著性意义(P < 0.05)，肥胖组内在120 (°)/s和60 (°)/s速度时伸肌群与屈肌群之间差异均有显著性意义(P < 0.05)，见表2。
2.3 总功 同肌群同角速度条件下肥胖组的伸肌和屈肌总功都显著大于正常组(P < 0.05)。正常组内同肌群在角速度120 (°)/s与60 (°)/s之间差异有显著性意义(P < 0.05)，而肥胖组内同肌群角速度120 (°)/s与60 (°)/s之间差异无显著性意义(P > 0.05)。正常组内在60 (°)/s速度时伸肌群与屈肌群之间差异有显著性意义(P < 0.05)，肥胖组内在 120 (°)/s速度时伸肌群与屈肌群之间差异有显著性意义 (P < 0.05)，见表2。

2.4 步态参数 正常儿童的步频和步速高于肥胖儿童，单步时间短于肥胖儿童，步宽显著小于肥胖儿童(表3)。

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引言

近年来中国儿童肥胖检出率均呈现上升趋势，2010年学生体质健康监测调研结果显示，中国7-22岁城市男生和城市女生肥胖检出率分别为13.33%和5.64%，分别比2005年增加了1.94和0.63个百分点^[1]。越来越多的研究表明，儿童肥胖会导致很多严重的临床疾病^[2-3]，同时影响生活质量^[4]。肥胖儿童其他代谢问题已经被人们所了解，但是其骨骼肌肉方面问题，很少有人关注^[5]。肌力是用以对抗外界阻力的能力，其能力高低直接影响人体运动能力^[6]。Riddiford-Harland等^[7]在从座位站起的实验中发现，69%肥胖儿童表现出需要借助外界才可以完成。这其中膝关节肌肉力量作为参与人体活动最多的肌群之一是非常重要的^[8-9]。Maffiuletti等^[10]认为膝关节肌力大小与日常生活自理能力、身体活动水平和运动能力息息相关。成人研究中通用下肢的等动肌力来衡量身体活动障碍程度，对于此部分肌力的量化能够很好地评价相关运动能力的水平^[11-13]。已有研究发现肥胖儿童的运动能力较差，而对于肥胖儿童膝关节周围肌力量化的研究十分缺乏^[14-16]。下肢肌力评定方法分为：徒手肌力评定和机械测试。徒手测试为在特定体位下让受试者作标准动作，通过触摸肌腹、观察肌肉对抗肢体自身重力及由检查者用手法施加的阻力，观察患者完成动作的能力，从而评定患者的肌力。徒手肌力评定虽然方便，但是测试结果不精确，不利于精确量化研究^[17]。

机械测试包括等张肌力测定、等长肌力测定和等速肌力测定。等速肌力测试系统作为一种新的肌肉功能评定和测试手段，被认为是当前精确的测试方法^[18-19]。由于在整个运动中，阻力和肌力成正比，肌力越大阻力就越大，使得肌肉在任意一点都能产生最大的力量，因此等速肌力测试法测定膝关节肌力是相对准确而且安全的，并具有较高的可靠性与重复性^[20-21]。虽然这等速肌力测试法已广泛应用于运动员、成年人的测试与研究中^[22-34]，然而用于儿童肌力评估的研究较少^[35-37]，更少用于肥胖儿童的研究。此研究目的是通过等速测试法测试肥胖儿童膝关节肌力，比较肥胖儿童与其同龄正常体质量儿童之间膝关节肌力的差异，同时比较肥胖儿童与正常儿童步态时空参数，从肌力方面分析肥胖儿童步行能力下降的原因。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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材料方法

设计：横断面研究。

时间及地点：测试于2012年5至6月在上海体育学院完成。

对象：招募上海市某小学56名年龄10-11岁的学生，其中肥胖儿童28名(男28名，女10名)，正常儿童28名(男14名，女14名),见表1。所有受试儿童均无肌肉、骨骼和运动神经方面疾病，参与调查的学生及其家长均签署了知情同意书。

中国肥胖儿童的标准^[11]：10，11岁青少年的体质量指数分别< 19.0 kg/m²、< 20.0 kg/m²被认为正常；10、11岁青少年的体质量指数分别> 22.1 kg/m²、> 23.3 kg/m²被认为肥胖。

研究方法：

主要仪器：采用CON-TREX(CON-TREX MJ Multi-joint Module, CMVAG, Switzerland)等速测试仪完成下肢肌力测量。由16个红外摄像机组成的VICON运动捕捉系统采集运动学数据；VICON Nexus(Version 1.7, Oxford Metrics, Oxford, UK)软件进行生物力学数据分析。

测试过程：

等动肌力测试：受试者先进行准备活动，包括一些简单的拉伸活动。严格按照测试手册要求操作，受试者取坐位上身用仪器自带皮带固定于座椅，双腿以较舒适角度放置，双手自然放在两侧的扶手上，根据受试者喜好调整仪器动力臂的位置，仪器的动力头的旋转轴心对准相应的关节活动轴心，将下肢固定在仪器摇臂上，同时设置出受试者较舒适的安全发力范围。测试时分别采用120 (°)/s和 60 (°)/s角速度收缩。等速收缩完成10次快速的伸屈，每个动作之间有60 s休息时间。记录测试指标包括峰值力矩、相对峰力矩(体质量标准化)、平均功率、相对平均功率(体质量标准化)、总功。

步态测试：受试者赤足并身着紧身运动服，按照Cleveland Clinic的方法放置35点反光marker球。摄像机捕捉对象为反光marker球，再通过VICON Nexus进行处理，获取分析得到步速、步频、单步时间和步宽等所需数据。实验包括需要受试者完成10 s静态捕捉用于建模，和6个正常步速的步态周期用于步态分析，每1个步态周期为一组，共完成6组测试。每个受试者测试前都要进行适应场地的练习，确定实验中均以自然状态进行。

统计学分析：采用SPSS 19.0统计软件对所有实验数据进行统计学处理，结果均以x(_)±s表示，正常组与肥胖组间参数差异性采用独立样本t 检验，每组内相同肌群不同角速度下数据差异性、每组内相同角速度不同肌群间数据差异性均采用配对样本t 检验。P < 0.05时认为差异有显著性意义。

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讨论

等速运动是指运动中，运动速度恒定(等速)而阻力可变，运动中的速度预先在等速仪器上设定，一旦速度设定不管受试者用多大力量，肢体运动的速度都不会超过预先设定的速度，受试者的主观用力只能使肌张力增高，力矩输出增加，而不能产生加速度的一种运动。

等速肌力测试是将等速运动中肌肉收缩过程中通过等速仪器记录下来，经计算机处理，得到力矩曲线及多项反映肌肉功能的参数，作为评定肌肉运动功能的指标。等速肌力测试和训练技术开始于20世纪60年代后期，由Hislop和Perrine提出等速运动的概念，70年代Cybex公司制造出第一台等速仪器，中国于20世纪80年代初开始购进等速仪器用于运动体育和康复医学，对肌肉功能进行评定，对各种运动系统伤病后的肌肉功能进行针对性的康复训练，对康复治疗进行客观疗效评定，对运动系统伤病进行辅助判断。

峰力矩指肌肉收缩产生的最大力矩输出，即力矩曲线上最高点处的力矩值，代表了肌肉收缩产生的最大肌力，具有较高准确性和可重复性，为黄金指标和参照值。而相对峰力矩指的是单位体质量的峰力矩值，代表肌肉收缩的相对肌力，可用于不同体质量的个体或人群之间的肌力比较。

结果显示，正常组的等速肌力绝对峰值小于肥胖组，这与相关研究吻合^[38]，Maffiuletti 等研究表明，肥胖儿童的绝对肌力是大于同龄正常儿童的，猜测可能由于肥胖儿童要负担更重的自身负荷，因此下肢肌力产生了适应性变化，因为绝对肌力是人能够使用的所有力的总量，对于日常活动是十分重要的^[10,39-41]。但同时相对肌力是相对身体重量的肌力，特别应用于研究个体间差异，由于人体在实际运动中更多的是克服自身重量，因此比较相对肌力能够更好地表现其力量素质^{[6, 18, 32, 42-43]}。虽然对比李敏等研究结果发现，其正常组力矩低于本研究，而肥胖组力矩高于本研究，但分析可能是由于实验研究对象基本生理差异所致^[44]，有研究表明体质量指数与关节最大峰力矩有正相关关系^[8]。根据本实验结果，正常组的相对峰力矩高于肥胖组，其中在60 (°)/s时，正常组显著高于肥胖组。有研究认为在低速运动时表现出的肌力更可靠^{[21, 45]}。表明肥胖儿童的膝关节肌力相对缺乏，这种缺乏可能导致收缩组织不一致和身体负担过重^[46-47]。由于相对伸肌群存在显著差异，推测可能影响肥胖儿童的步行^{[8, 18]}。步速作为衡量人体有无运动障碍的简单评判标准^[48]，通过本研究发现，肥胖儿童步速较正常儿童低，表现出其步行能力的不足，可能由于下肢肌力的相对不足，导致其在运动中得到的支撑和动力较低，进而影响其步行的能力^[49-50]。本研究结果与其他研究结果相吻合，同时推测，肥胖儿童的步频较低，反映其运动中由于肌力较弱，导致其下肢控制力较差，整体协调能力较弱^[51-52]。步宽较宽，由于下肢肌力不足，使其需要增加支撑面积来维持平衡^{[49, 53-54]}。此结果也可以解释之前的推测，肥胖儿童步态跟正常儿童有差异原因之一可能是由于其相对肌力较差。

儿童在进行运动时，伸膝和屈膝在活动方式和运动速度上可能有所区别，因而形成伸屈肌群在不同速度运动时导致了不同的结果^[55]。值得关注的，肥胖儿童的绝对峰值力矩在两个速度下是没有显著差异的，但是在相对峰值力矩中出现了显著差异，出现了与正常组相似的区别。说明体质量影响了肥胖儿童对于不同角速度运动下应产生的不同力矩。本实验中肥胖组伸屈相对峰力矩在不同速度下都有显著差异，正常组只有屈肌群相对峰力矩有显著差异。在行走中，伸肌主要负责稳定身体重心，屈肌主要负责屈膝实现摆动腿^[56]。肥胖儿童需要较慢速的收缩伸肌来支撑身体，同时又要较快速的产生屈曲实现摆动腿。对比其他研究，肥胖儿童在行走时出现支撑时间长摆动时间短等步态参数与正常儿童的差异^{[8, 20]}。这些现象与本研究结果相一致，但是否由于此原因导致，还需进一步研究。

平均功率是指单位时间内平均做功量，平均功率能够敏感的反映肌肉爆发力和实际工作能力^[57]。本实验平均功率结果与峰力矩相似，正常组与肥胖组间有显著性差异，而两组间相对平均功率就没有显著差异，说明肥胖组较高的肌肉实际工作能力当用体质量标准化后并没有显著高于正常组。同时发现平均功率与峰力矩相似的现象，肥胖组相对平均功率在两个速度下均出现了显著差异，同时伸屈肌群均在120(°)/s时有较大的相对平均功率。这一点符合多数研究认为的平均功率在一定范围内，随速度增加而增加^[58]。本研究比较了伸屈肌群的功率，发现肥胖组在较高速度时伸屈肌群平均功率有显著差异，而相对平均功率在两个速度下均有显著差异，尤其是在高速下伸屈肌群有明显的做功不平衡现象，之前已经有研究表明，肥胖儿童更喜欢以较低速度行走，高速下可能产生步态的不稳定^{[46, 59-60]}。

总功是指单位时间内平均做功量，可以间接判断运动耐力^[61]。本实验两组间总功有显著差异，也就是说肥胖组在同样的速度运动时，将对外做更多的功^[62-63]，但是否说明其耐力高，还有待研究。对比之前研究，肥胖儿童由于自身重量大等原因，在完成同样质量的动作，将做更多的功^{[46, 64]}，本实验结果也可一定程度吻合此观点。

结论：①肥胖儿童的膝关节伸屈绝对峰力矩和平均功率大于正常儿童。②除60 (°)/s时伸肌群肥胖组显著低于正常组外，肥胖儿童相对峰力矩和相对平均功率与正常儿童没有显著区别。③肥胖儿童的步速较慢，步频较低，其步行能力较正常儿童差。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

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不同速度下膝关节等速肌力和自然步速下步态的时空参数比较

Comparison of isokinetic knee muscle strength under different angular velocity and temporal-distance gait parameter

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