意外滑移后滑移腿肌肉力的反应特性

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.3045

中国组织工程研究 ›› 2021, Vol. 25 ›› Issue (8): 1184-1189.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.3045

• 肌肉肌腱韧带组织构建 tissue construction of the muscle, tendon and ligament • 上一篇下一篇

意外滑移后滑移腿肌肉力的反应特性

宋黎明1，苏海龙2

1洛阳理工学院机器人学院，河南省洛阳市 471000；2天津科技大学机械工程学院，天津市 300222

收稿日期:2020-03-21 修回日期:2020-03-26 接受日期:2020-05-09 出版日期:2021-03-18 发布日期:2020-12-11
通讯作者: 苏海龙，博士，副教授，天津科技大学机械工程学院，天津市 300222
作者简介:宋黎明，男，1990年生，河南省孟州市人，汉族，2017年天津科技大学毕业，硕士，助教，主要从事人机工程方面的研究。
基金资助:
天津市自然科学基金重点资助项目(16JCZDJC35900)；洛阳理工学院河南省教育厅预研项目(2018YZ01)

Muscle force response characteristics of the slipping leg after an unexpected slip

Song Liming1, Su Hailong2

1School of Robotics, Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471000, Henan Province, China; 2School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Science &Technology, Tianjin 300222, China

Received:2020-03-21 Revised:2020-03-26 Accepted:2020-05-09 Online:2021-03-18 Published:2020-12-11
Contact: Su Hailong, MD, Associate professor, School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Science &Technology, Tianjin 300222, China
About author:Song Liming, Master, Assistant teacher, School of Robotics, Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471000, Henan Province, China
Supported by:
Tianjin Natural Science Foundation, No. 16JCZDJC35900; Pre-research Project of Luoyang Institute of Science and Technology & Henan Provincial Education Department, No. 2018YZ01

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
步态周期：完整的一个步态周期是以任一侧的足跟触地为开始，以同侧足跟再次触地为结束，将这段时间进行标准化，0%代表足跟触地，100%代表同侧足跟再次触地。
AnyBody Modeling System：通过建立相应数学模型，能够仿真分析在不同载荷作用下人体肌骨系统中骨骼、关节、肌肉和韧带，以及与人体运动关联的外部环境运动学、动力学和生物力学参数等，计算模型中各块骨骼、肌肉和关节的受力、变形、拮抗肌肉作用和其它环境中人体生物力学响应的特性等。以数值的形式计算出肌肉力的变化，为肌肉由定性分析向定量分析提供了工具，为生物医学工程研究提供了平台。

背景：针对意外滑移后自主恢复平衡过程中肌肉的研究常采用表面肌电信号进行定性分析，对肌肉力的反应特性鲜有报道。
目的：将步态分析与仿真技术相结合，观察在水平直线步道行走的情况下，足跟着地时发生意外滑移后滑移腿肌肉力的反应特性。
方法：招募5名健康受试者，统一着鞋，设计干燥无油介质和涂油介质两种直线步道，要求受试者以正常步速行走。运用Vicon Motion System和AMTI测力台采集运动数据，基于AnyBody Modeling System建立与受试者相匹配的人体肌肉骨骼模型，通过运动数据进行模型驱动，采集并分析肌肉力数据。
结果与结论：①发生意外滑移后自主恢复的时间是步态周期的15%-45%，且单支撑相缩短；②自主恢复过程中半腱肌肌肉力增加了25.6%(P < 0.05)，股二头肌短头增加了14%，内侧腓肠肌肌肉力的最大值由8.4 N/kg增加到13.6 N/kg，外侧腓肠肌增加了17.4%；③表明意外滑移后自主恢复平衡过程中，滑移腿半腱肌、股二头肌短头和内、外侧腓肠肌产生了较大的肌肉力，同时缩短了单支撑相时间，以将人体重心由滑移腿迅速转移至拖拽腿，保持身体平衡；滑移恢复后，人体会在摆动相后期做出预判，防止再次发生滑移。

https://orcid.org/0000-0002-6656-5915 (宋黎明)

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

关键词: 滑移腿, 意外滑移, 肌肉, 骨骼, 肌肉力, 自主平衡, 步态

Abstract: BACKGROUND: Surface electromyogram signal is often used for qualitative analysis of muscles in the process of autonomic balance recovery after unexpected slips, but there is little research on the response characteristics of muscle force.
OBJECTIVE: By the combination of gait analysis and simulation technology to study the muscle force response characteristics of the slipping leg when an unexpected slip of the heel occurs during walking straightly.
METHODS: Five healthy subjects were recruited, wearing shoes uniformly, and asked to walk normally on two different straight footpaths (dry oil-free and oil-coated paths). The Vicon motion system and AMTI force measuring platform were used to collect the motion data. Based on the AnyBody Modeling System, a human musculoskeletal model matching with the subjects was established. The model was driven by the motion data, and the data of muscle force were collected and analyzed.
RESULTS AND CONCLUSION: The recovery time after an unexpected slip was 15%-45% of a gait cycle and the single support phase was shortened. In the course of autonomic recovery, the muscle strength of the semitendinosus was increased by 25.6% (P < 0.05), and the muscle strength of the short head of biceps femoris increased by 14%. The maximum muscle strength of the medial gastrocnemius increased from 8.4 N/kg to 13.6 N/kg, and that of the lateral gastrocnemius increased by 17.4%. These findings indicate that: in the process of recovering the balance after unexpected slips, the semitendinosus, biceps femoris, gastrocnemius and gastrocnemius produce great muscle force, and meanwhile, the time of single support phase is shortened, so as to quickly transfer the gravity of human body from the sliding leg to the dragging leg and keep the body balance. After the balance recovery from the slip, the human body will make a prediction in the later period of the swing phase to prevent the slip again.

Key words: slipping leg, unexpected slip, muscle, skeleton, muscle force, autonomic balance, gait

中图分类号:

宋黎明, 苏海龙. 意外滑移后滑移腿肌肉力的反应特性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(8): 1184-1189.

Song Liming, Su Hailong. Muscle force response characteristics of the slipping leg after an unexpected slip[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2021, 25(8): 1184-1189.

图/表（结果） 3

2.1 参与者数量分析招募5名健康受试者，均按要求完成测试，数据全部进入结果分析。
2.2 试验流程见图3。

2.3 肌肉力结果为了能够与表面肌电信号研究的方法相对应，选取股直肌、股外侧肌、股内侧肌、股二头肌长头、股二头肌短头、胫骨前肌、半腱肌、外侧腓肠肌及内侧腓肠肌，肌肉力曲线见图4所示。

正常无滑与滑后恢复相比较，股直肌发生作用的时间一致，且滑后的肌肉力最大值(8.83 N/kg)小于正常无滑最大值(12.45 N/kg)；第一双支撑相内滑后恢复情况下股二头肌长头产生的肌肉力的平均值[(7.16±1.34 )N/kg]大于正常无滑的平均值[(5.10±2.46) N/kg]，但是最大值却减小，在第二双支撑相内滑后恢复肌肉力的变化范围较大；股二头肌短头在站立相内变化趋势不相同，滑后恢复情况下肌肉力值变化的速率大于正常无滑，且单支撑期后段内出现了一个较大的峰值；股外侧肌、股内侧肌在发生滑移后产生肌肉力的时间滞后于正常无滑，整体变化趋势相同，都呈现三峰状态，但站立相内最大值不同；半腱肌在第一双支撑相最大值(13.11 N/kg)小于正常无滑情况下的最大值(17.38 N/kg)，在单支撑期内两者变化趋势相同；内侧腓肠肌在站立相内变化趋势相同，在滑后恢复阶段产生的肌肉力的最大值(13.6 N/kg)大于正常无滑时的最大值(8.4 N/kg)，但是恢复正常后最大值却小于正常无滑最大值；发生滑移时，外侧腓肠肌产生肌肉力的持续时间(步态周期15%-60%)比正常无滑情况(步态周期20%-55%)长，且产生的肌肉力大；在滑移恢复过程中胫骨前肌产生肌肉力的值明显减小。除了股直肌、外侧腓肠肌不发生作用之外，其余的肌肉在摆动相后期(80%-100%)内肌肉产生肌肉力的时间平均提前了3%。
2.4 肌肉力最大值为了能够进一步研究两种情况下肌肉力在不同阶段的变化情况，对各阶段肌肉力的最大值进行了分析，结果见图5所示。在第一双支撑相内，两种情况下股直肌、股内侧肌、股外侧肌、外侧腓肠肌的最大值都趋近于0，胫骨前肌、股二头肌短头、半腱肌和内侧腓肠肌产生肌肉力的最大值均有明显的减小(P < 0.05)，而股二头肌长头增加了0.24 N/kg(P > 0.05)。
在单支撑相内，发生滑移后股直肌、内、外侧腓肠肌的肌肉力显著性减小(P < 0.05)，股二头肌长头和内侧腓肠肌分别减小了13.8%及14.9%；股二头肌短头、半腱肌和外侧腓肠肌分别增加了14.0%，25.6%及17.4%(P < 0.05)。
在第二双支撑相内，股直肌、内侧腓肠肌分别减少了30.0%及19.7%(P < 0.05)，外侧腓肠肌、半腱肌分别增加了18.9%及16.6%，股二头肌长头和短头最大值均显著增加(P < 0.01)；在摆动相内，胫骨前肌、内侧腓肠肌最大值均发生显著变化，其余各肌肉无明显变化。

参考文献

[1] Nonfatal occupational injuries and illnesses requiring days away from work, 2013.U.S. Bureau of Labor Statistics: Washington D.C, 2014.
[2] Fatal occupational injuries by event or exposure, 2013-2014. U.S. Bureau of Labor Statistics: Washington D.C, 2015.
[3] CHAM R, REDFERN MS. Lower extremity corrective reactions to slip events. J Biomech. 2001;34:1439-1445.
[4] Center for Disease Control, CDC Facts Book 2000/2001; 2000.
[5] LIU J, LOCKHART TE. Age-related joint moment characteristics during normal gait and successful reactive-recovery from unexpected slip perturbations. Gait Posture. 2009;30:276-281.
[6] DEBBIA EM, WOLFA A, HAIMA A. Detecting and quantifying global instability during a dynamictask using kinetic and kinematic gait parameters. J Biomech. 2012;45:1366-1371.
[7] DAMSGAARD M, RASMUSSEN J, CHRISTENSEN ST. Analysis of musculoskeletal systems in the AnyBody Modeling System. Simul Mod Pract Theor.2006;14:1100-1111
[8] STAMBOLIAN D, ELTOUKHY M, ASFOUR S. Development and validation of a three dimensional dynamic biomechanical lifting model for lower back evaluation for careful box placement. Int J Industr Ergon.2016;54: 10-18.
[9] 刘述芝,胡志刚,张健.冲击载荷下运动员下肢动态响应的逆动力学仿真[J].医用生物力学,2015, 30(1):30-37.
[10] TRINLER U, SCHWAMEDER H, BAKER R. Muscle force estimation in clinical gait analysis using anybody and opensim. J Biomech. 2019;86: 55-63.
[11] YANG BS, HU HY. Effect of floor material change on gait stability. ICBME. 2009:1797-1800.
[12] CHANG WR, LESCH MF, CHANG CC, et al. Contribution of gait parameters and available coefficient of friction to perceptions of slipperiness. Gait Posture. 2015;41:288-290.
[13] LAWRENCE D, DOMONE S. Gait adaptations to awareness and experience of slip when walking on a cross-slope. Gait Posture. 2015; 15:575-579.
[14] SOUZA SILVA W, MCFADYEN BJ, FUNG J, et al. Reading text messages at different stages of pedestrian circumvention affects strategies for collision avoidance in young and older adults. Gait Posture. 2020;76: 290-297.
[15] DAMSGAARD M, RASMUSSEN J, CHRISTENSEN ST,et al. Analysis of musculoskeletal systems in AnyBody Modeling System. Sim Mod Practi Theor. 2006;4(8):1100-1111.
[16] 茆军兵,贾晓红,王人成,等.头部前屈运动过程中颈肌特性的研究[J].医用生物力学,2012,27(5):577-579.
[17] 徐欢欢,何育民,孙朝阳等. AnyBody环境下人体步态的逆向动力学研究[J].机械科学与技术,2019,38(12):1819-1824.
[18] LEW FL, QU X. Effects of multi-joint muscular fatigue on biomechanics of slips. J Biomech.2014;47:59-64.
[19] QU X, HU X, LEW FL. Differences in lower extremity muscular responses between successful and failed balance recovery after slips. Int J Industr Ergon. 2012;42:499-504.
[20] HORLINGS CG, VAN ENGELEN BG, ALLUM JH, et al. A weak balance: The contribution of muscle weakness to postural instability and falls. Nat Clin Pract Neurol. 2014;4(9):505-515.
[21] 王静,吴效明.基于表面肌电的步态分析[J].中国组织工程研究, 2012,16(26):4834-4840.
[22] 纪仲秋,赵盼超,蒋桂萍等.人体在向后滑倒时平衡调节能力的生物力学研究[J].北京师范大学学报(自然科学版),2018,54(2): 269-276.
[23] RAJACHANDRAKUMAR R, MANN J, SCHINKEL-IVY A, et al. Exploring the relationship between stability and variability of the centre of mass and centre of pressure. Gait Posture. 2018;63:254-259.
[24] WILSON SJ, DONAHUE PT, WILLIAMS CC, et al. Differences in falls and recovery from a slip based on an individual’s lower extremity corrective response. Int J Kinesiol Sports Sci. 2019;7(3):34-40.
[25] YOO D, SEO KH, LEE BC. The effect of the most common gait perturbations on the compensatory limb’s ankle, knee, and hip moments during the first stepping response. Gait Posture.2019; 71: 98-104.
[26] HUNTLEY AH, RAJACHANDRAKUMAR R, SCHINKEL-IVY A, et al. Characterizing slip-like responses during gait using an entire support surface perturbation: Comparisons to previously established slip methods. Gait Posture. 2019;69:130-135.
[27] OKUBO Y, BRODIE MA, STURNIEKS DL, et al. Exposure to trips and slips with increasing unpredictability while walking can improve balance recovery responses with minimum predictive gait alterations.PLOS ONE. 2019;13: e0202913.
[28] YANG J, JIN D, JI L,et al. The reaction strategy of lower extremity muscles when slips occur to individuals with trans-femoral amputation. J Electromyogr Kinesiol. 2007;17:228-240.
[29] CHAMBERS AJ, CHAM R. Slip-related muscle activation patterns in the stance leg during walking. Gait Posture. 2007;25:565-572.
[30] YANG F, WANG TY, PAI YC. Reduced intensity in gait-slip training can still improve stability. JBiomech. 2014;47:2330-2338.
[31] LEE A, BHATT T, PAI YC. Generalization of treadmill perturbation to overground slip during gait: effect of 31 different perturbation distances on slip recovery. J Biomech. 2016;49(2):149-154.
[32] 胡建平.太极拳运动对老年步态稳定性的功用[J].体育科技,2018, 39(3):94-95.
[33] OCONNELL C, CHAMBER A, MAHBOOBIN A, et al. Effect of slip severity on muscle activity of the trailing leg during an unexpected slip. J Electromyogr Kinesiol. 2016;28:61-66.

引言

在所有的致命性职业伤害中，17%是由滑移、绊倒和跌倒造成的，滑倒、绊倒和跌倒已经成为工作场所非致命性伤害的主要原因之一[1-2]。CHAM等[3]的研究表明地面湿滑是造成人步态失稳的最常见的一种外部扰动。在老年人中，超过25%的由跌倒造成的伤害是由滑移引起的，并且超过66%的由跌倒造成的髋关节骨折发生在湿滑的地面上[4]。因此，由滑移者滑跌造成的损伤已经成为日益严重的问题，故针对步态稳定性的研究具有重要意义。
目前，国际上采用运动捕捉、表面肌电信号和测力台等方法进行步态研究。LIU等[5]发现在自主恢复平衡过程中，年轻人主要依靠矢状面的力矩，老年人则使用额状面和矢状面的关节力矩。DEBBIA等[6]的研究表明人体在受到扰动后最敏感的部位是膝关节，测量不稳定性大小的最佳参量是膝内转力矩。由于技术的限制，国内外研究者对肌肉力和关节力的研究较少，随着计算机技术的发展，仿真技术(例如：AnyBody modeling system、OpenSim等)逐渐成为人体生物力学研究的主要方式。DAMSGAARD等[7]讲述了运用AnyBody建模系统中肌肉骨骼模型的分析方法，并选取步态模型为例进行了方法演示。STAMBOLIAN等[8]运用AnyBody建模软件模拟原地自下而上搬东西的过程，通过改变物体的质量，对比分析了不同情况下身体的反应规律。刘述芝等[9]运用逆动力学仿真研究冲击载荷下运动员的下肢响应，建立人体模型研究羽毛球动作。TRINLER等[10]对比分析了AnyBody modeling system和OpenSim两种软件进行临床步态仿真中肌肉力评估的异同。然而，针对步态稳定性仍鲜有研究。此文将运用AnyBody modeling system建立人体下肢的肌肉骨骼模型并进行逆向动力学分析，研究意外滑移后自主恢复平衡过程中滑移腿肌群的肌肉力反应特征，为提出有效的防滑策略、设计下肢助行器和康复训练提供理论支撑。
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

材料方法

1.1 设计生物力学测试试验。
1.2 时间及地点于2016年5月开始，为期10 d，地点为天津科技大学机械工程学院人体运动机能测试与仿生设计实验室。
1.3 对象试验招募5名自愿参加试验的健康受试者，无骨科、神经疾病史，能够正常行走，均为男性，年龄(24.0±0.6)岁，其余信息见表1。试验详细情况均提前告知受试者，并征得其同意，符合国家伦理道德要求。

1.4 方法
1.4.1 实验室数据采集试验选取的地板材质是大理石，湿滑介质是植物油，布置正常大理石直线步道和涂有湿滑介质的大理石直线步道[11-12]，其余参数都相同。每名受试者需要分别在两种不同条件下的直线步道以正常步速行走，发生滑移后不得停止，直至接收到停止指令。在试验中，两种试验环境随机切换(各5次)，并保证涂油地面在第一块测力台上，并且每完成5次休息2 min，避免肌肉疲劳影响[13]。
试验使用Vicon Motion System捕捉步态动作，采集频率是100 Hz，使用10台红外摄像头捕捉位于足、小腿、大腿和腰部的16个球形标记点运动轨迹。使用AMTI测力台(464 mm×508 mm)采集地面支反力，采集频率为1 000 Hz，通过数模转换器与Vicon系统同步采集相关数据[7，14]。
1.4.2 建立肌肉骨骼模型 AnyBody Modeling System提供了丰富的人体肌骨模型，此文选取AnyGait中的人体模型为基础，结合受试者身高、体质量、大腿、小腿和足长等形态学参数值，并利用Scaling Length MassFat函数，通过AnyScript编程进行模型的比例缩放，重力场取9.81 N/kg。Vicon Motion System和AMTI采集的国际标准格式的数据以.C3D文件的形式，运用C3D-to-Script程序导入AnyBody modeling system中定义肌骨模型的运动并驱动其运动。肌肉骨骼模型见图1所示。

在进行逆动力学分析计算时会出现肌肉力数目大于肌骨模型自由度带来的肌肉冗余问题，此次研究采用AnyBody Modeling System中提供的优化方法解决[15-17]。
1.4.3 数据处理运动捕捉系统采集了步态动作应该按照步态周期进行划分，完整的一个步态周期是以任一侧的足跟触地为开始，以同侧足跟再次触地为结束，将这段时间进行标准化，0%代表足跟触地，100%代表同侧足跟再次触地，步态周期中各部分划分见图2所示。

1.5 主要观察指标采用盲法评估，所有受试者以正常步速分别沿直线干燥步道和涂油步道行走的一个步态周期内，滑移腿髋、膝和踝关节伸肌群和屈肌群肌肉力的变化曲线和最大值。
1.6 统计学分析数据处理采用Orgin 8.0软件中进行平滑处理，得到肌肉力变化曲线。借助SPSS 25.0对步态周期内各个阶段的肌肉力的最大值进行单因素方差分析(ANOVA)，选取显著性水平α=0.05。

讨论

国外学者的研究显示肌肉作用是预测滑移后能否恢复平衡的重要因素[18-19]，并且肌无力会引起滑后姿势不稳定，进而引起滑倒[20]。此文主要研究在发生意外滑移后自主恢复平衡的过程中滑移腿肌肉力大小的变化，改变了之前学者采用表面肌电信号进行肌肉活性定性分析研究的现状[21]。研究结果表明在发生滑移后自主恢复过程中，髋关节伸肌群(股二头肌长头、半腱肌)、膝关节屈肌群(股二头肌短头、半腱肌)、跖屈肌群(内、外侧腓肠肌)肌肉力增加，膝关节伸肌群(股外侧肌、股内侧肌和股直肌)中股外侧肌和股内侧肌反应时间均有一定滞后，并且最大值增加。肌肉力的结果可以解释先前关于适应湿滑地面产生运动学(关节角度)和动力学(关节力矩)方面变化的现象[22]。
人在行走过程中的稳定性是指人体抵抗各种干扰作用保持平衡的能力。在涂油步道上行走时，地面摩擦因子发生了变化，根据CHANG等[12]的研究结果，当足跟接触地面时，产生的供人体正常行走的必要摩擦力大于可利用摩擦力，人体会发生步态滑移。根据相对运动原理，发生滑移时，测力台(即地面)相对于人体向前移动，造成双足之间形成的支撑面改变[22-23]，引起人体重心投影与压力中心之间的距离增大，进而重力产生了一个比稳定行走状态下更大的力矩，在这个力矩的作用下人体会产生一个以压力中心为支点的向后倾倒的角动量，引起人体向后滑倒。在进行向后滑倒的自主平衡调节中，人体普遍会产生一个顶髋动作，使得髋关节的高度高于状态下的高度，在这个过程中髋关节伸肌做功，髋关节做伸展运动[3，24]，引起髋关节力矩和角度变化[25]；从而使驱干产生向后的转动能和髋关节向前的平动能，另外，髋关节产生更大的伸展运动能够阻止驱干向后运动和增加支撑面。随着人体重心的前移，膝关节屈肌群肌肉力明显增加，踝关节跖屈肌群(内、外侧腓肠肌)的肌肉力增加，背屈肌(胫骨前肌)肌肉力减小，在膝关节屈肌、踝关节跖屈的协调作用下，增加了膝关节屈曲力矩、屈曲角度和踝关节的跖屈力矩、跖屈角度[3，24-25]，加快足跟与地面接触的速度[26]，进而减小足与地面之间的夹角，结合足底的形状，在恢复过程中快速增加足与地面的接触面，进而增大了地面支反力，改变必要摩擦力的大小，满足必要摩擦力小于等于可利用摩擦力[12]，阻止进一步滑移，并且使人体重心的投影保持在支撑面内[23]。随着滑移停止，支撑面不再发生变化，髋关节伸展、膝关节屈曲和踝关节的跖屈运动使得人体重心在支撑面内从支撑腿向滑移腿转移[27]，当人体重心接近滑移腿时，非滑移腿足跟开始脱离地面，滑移腿髋关节伸肌群的肌肉力开始减小，膝关节伸肌群的肌肉延迟被激活[19，28]，踝关节跖屈肌群肌肉力继续增加，这是因为发生滑移后滑移腿确保不再发生进一步滑移后才能开始做伸膝运动，推动人体重心向前移动，完成非滑移腿摆动。当非滑移腿足跟着地时，人体恢复正常，图4的结果表明，在步态周期的15%-45%是自主恢复时长，且单支撑相缩短[29]。综上所述，意外滑移时的平衡调节的发力部位不仅局限于一块肌肉，而是通过许多肌肉协调运动才能达到良好的平衡效果。
恢复平衡后，在第二双支撑相内，人体重心开始向非滑移腿转移，滑移腿足跟开始离地，通过滑移腿作用在地面支反力也开始减小，引起滑移腿各关节肌群肌肉力的减小。由于人体重心尚未完全转移至非滑移腿[27]，滑移腿仍然处于涂油介质的地面且对地面有力的作用，因此各关节肌群的肌肉力需要提供部分必需摩擦力。髋关节伸肌群中股二头肌长头有显著变化(P < 0.01)，膝关节伸肌群变化呈下降趋势(P < 0.05)，踝关节屈肌群呈现下降状态，且在滑移情况下外侧腓肠肌比正常情况下肌肉力大，且反应持续时间长。不同肌群肌肉力的变化引起髋关节屈曲力矩下降，下肢由屈曲向伸展变化，膝关节表现为膝关节伸展力矩，处于伸展状态，踝关节发生跖屈运动转向背屈运动，从而改变足与地面之间的接触面积，引起地面支反力的变化，使得滑移腿能够提供满足人体需要的必需摩擦力，推动人体重心向非滑移腿一侧偏移，直至滑移腿足尖离地。
由图4，5可知，摆动相前期(62%-80%)，两种情况下肌肉力变化曲线均呈现较大范围重合，而在末期(80%-100%)滑移腿各个曲线均提前发生变化，且变化趋势与正常情况下相同，这种情况表明人体产生了预判，提前产生髋关节屈曲、膝关节伸展和踝关节背屈动作，提高下一步的稳定性。
有研究表明滑移训练项目已经被用于帮助有跌倒危险的成年人学习与恢复反应直接相关的动作[30-31]。一些研究者通过体育运动(例如太极拳)来增加身体平衡能力，从而提高步态稳定性[32]。作者希望此次研究结果能够为滑移扰动的训练提供更准确的肌肉参数，通过相应肌肉力量和关节活动度的训练推动其向前发展。多次的滑动训练作为防止跌倒的训练方式，可以提高平衡能力，还可进行模拟滑倒的测试，评估人体的滑倒风险。
此次研究仅选取了皮肤表面的肌肉，并未对深层的肌肉进行研究，而且只研究了滑移腿的肌肉变化情况，并未对非滑移腿进行研究。目前，国外已有针对滑移时非滑移腿关节和肌肉活性的研究[25，33]，而国内尚未展开，作者所在实验室下一步将对深层肌肉和非滑移腿进行研究，进而提出合理的滑移扰动训练项目降低滑跌风险。
结论：为了能够定量分析发生滑移后自主恢复平衡过程中肉力的反应特性，此文使用AnyBody modeling system软件建立与受试者相匹配的人体肌肉骨骼模型，通过Vicon Motion System采集正常无滑和滑后恢复两种情况下的运动数据驱动模型仿真运动，获取了股直肌、股外侧肌、股内侧肌等9块肌肉的肌肉力大小，经过对比分析与讨论，得出了肌肉在自主恢复平衡过程中的作用。结论如下：①步态失稳后自主恢复平衡持续的时间是15%-45%，且单支撑相时间缩短，以将人体重心由滑移腿迅速转移至拖拽腿，保持身体平衡；②无意识遇扰滑动后自主恢复平衡过程中，人体中枢神经系统对肌肉进行协调控制，滑移腿股二头肌短头、半腱肌、外侧腓肠肌和内侧腓肠肌产生较大的肌肉力，进而增大了髋关节伸展力矩、膝关节屈曲力矩和减小踝关节跖屈力矩，同时依靠自身姿势自动调节系统改变各肢体运动角度，从而将重心的投影保持在支撑面内，避免发生跌倒；③恢复平衡后股二头肌长头、短头和半腱肌等9块肌肉力的变化曲线与正常无滑一致，股外侧肌、股内侧肌和外侧腓肠肌最大值均增加，并且在摆动相后期，人体会提前做出预判，防止滑移再次发生。
此次研究将为人体运动中肌肉反应特性研究提供新的方法，同时为康复训练、制定有效防滑策略以及双足机器人和下肢助行装置动力控制提供帮助。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

意外滑移后滑移腿肌肉力的反应特性

Muscle force response characteristics of the slipping leg after an unexpected slip

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[1]	吕振, 白金柱. 基于McKenzie技术的腰椎运动链训练应用于腰椎间孔镜术后分期康复的前瞻性研究[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(9): 1398-1403.
[2]	王梦婷, 古艳萍, 任文博, 覃倩, 白冰怡, 廖远朋. 运动干预功能障碍人群血流限制训练的文献热点可视化分析[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(8): 1264-1269.
[3]	李偲, 赵婷, 谭戈, 郑雨林, 张若男, 吴艳, 唐俊明. 血小板源生长因子BB可促进骨骼肌成肌细胞增殖、分化与迁移[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(7): 1050-1055.
[4]	杨凤娇, 王芗斌, 侯美金, 喻娇, 李镇辉, 傅升星, 林紫玲, 刘本科. 三维步态分析比较青年人与老年人双任务下步态特征的差异[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 344-349.
[5]	张羽, 冯硕, 杨志, 张野, 孙健宁, 安伦, 陈向阳. 高位髋关节中心全髋关节置换治疗发育性髋关节发育不良后的三维步态评价[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(3): 350-355.
[6]	王新亭, 徐聃弟, 张峻霞, 苏海龙, 王琪. 不同足弓结构负重跨障的稳定性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(24): 3838-3843.
[7]	王震, 蔺海旗, 何霏, 林文弢. 运动激活骨骼肌卫星细胞：增龄性肌衰减症及肌肉损伤修复的运动预防和治疗[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(23): 3752-3759.
[8]	江小燕, 朱海飞, 蔺海旗, 林文弢. 冷疗干预延迟性肌肉酸痛的自限性恢复[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(23): 3609-3613.
[9]	白胜超, 高扬, 王博, 李俊平, 王瑞元. 针刺干预大负荷运动损伤模型大鼠骨骼肌线粒体功能的动态变化[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(23): 3648-3653.
[10]	江海, 于瑜, 刘志成, 张其亮. 体外冲击波与注射皮质激素治疗足底筋膜炎：足底压力及步态分析比较[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(21): 3286-3291.
[11]	杨新华, 闫银弟, 罗旭光, 杨艳萍, 李海荣, 崔慧林, 曹锡梅. 钟基因Bmal1、Clock参与调节骨骼肌的发育分化[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(20): 3130-3137.
[12]	鲍赛荣, 林利华, 单莎瑞, 杨杏萍, 刘春龙. 电动深层肌肉刺激对脑卒中患者肱二头肌张力、弹性及硬度的影响[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(20): 3138-3143.
[13]	蔺海山, 米尔阿里木•木尔提扎, 李鹏, 马超, 王利. 绝经后女性髋部骨折患者骨骼肌肌纤维特点与骨密度的相关性[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(20): 3144-3149.
[14]	李上, 黄骧, 陈铭, 雷明星, 程实, 张里程, 尹鹏滨, 唐佩福. 信号蛋白3A有望成为骨骼肌损伤修复的新靶点[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(20): 3232-3238.
[15]	李伦宇, 靳松林, 黄增浩, 康良, 胡毓诗, 丁海丽. 肌卫星细胞自我更新及其信号调控的应用热点及问题[J]. 中国组织工程研究, 2021, 25(2): 304-310.