4～6 歲幼兒移動性動作發(fā)展及神經(jīng)肌肉控制研究

胡 鑫，紀仲秋，姜桂萍，龐 博，黃浩潔

動作是神經(jīng)系統(tǒng)支配和控制肌肉收縮進而產(chǎn)生肢體運動的過程，是神經(jīng)肌肉協(xié)調(diào)程度的外在表現(xiàn)[1]。動作發(fā)展水平不但反映幼兒基本動作技能和體能水平，而且與其智力、行為和健康都有十分密切的關(guān)系。移動性動作指身體在空間產(chǎn)生位置移動的動作技術(shù)，如走、跑、蹦跳和單腳跳等。對幼兒來講，移動性動作是一項非常重要的動作技能，可以評價兒童能否參與有利于健康的身體活動，并在各種體育游戲中廣泛應(yīng)用[2]。

目前，專門用于幼兒動作發(fā)展及障礙篩查的工具，大致分為標準化操作測試、核查表或問卷，由有經(jīng)驗的專家或知情人對幼兒動作表現(xiàn)觀察后定性評估。近年來，計算機和信息處理技術(shù)等的飛速發(fā)展為表面肌電(SEMG)的進一步研究奠定了基礎(chǔ)。通過SEMG 記錄兒童下肢肌肉活動可深入了解肌肉的激活狀態(tài)和肌肉收縮模式[3-4]。本研究擬采用定性方法分析4～6 歲幼兒跑、蹦跳和單腳跳的動作發(fā)展特征，采用標準化的積分肌電(Normalize Integrated Electromyography，N-iEMG)和標準化的肌肉共收縮指數(shù)(Normalized Co-Contraction Index，NCCI)定量分析不同肌肉的激活狀態(tài)和神經(jīng)肌肉控制的協(xié)調(diào)程度。通過對4～6 歲幼兒移動性動作發(fā)展外在表現(xiàn)和內(nèi)在機制的研究，旨在為幼兒動作發(fā)展的教學(xué)訓(xùn)練、測量評價、神經(jīng)肌肉康復(fù)等領(lǐng)域提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

本研究從開封市某公立幼兒園大、中、小班各選取兩個自然班的172 名幼兒進行粗大動作發(fā)展測試(Test of Gross Motor Development-3，TGMD -3)，再從中隨機選取4 歲組22 人，5 歲組22 人，6 歲組23 人進行肌電測試(見表1)。4周歲(含)以上5 周歲以下的幼兒為4 歲組；5 周歲(含)以上6 周歲以下的幼兒為5 歲組；6 周歲(含)以上7 周歲以下的幼兒為6 歲組。測試前經(jīng)園方向受試者監(jiān)護人詳細介紹了本次測試的流程和目的，征得同意后由監(jiān)護人填寫幼兒基本資料和知情同意書。被試納入標準:最近3 個月無神經(jīng)、肌肉系統(tǒng)疾病病史，無前庭系統(tǒng)疾病病史，未能通過以上標準之一者被排除在這項研究之外，符合條件者最后納入為本研究的實驗對象。

表1 實驗對象基本情況()Table 1 Basic information of the subjects ()

表1 實驗對象基本情況()Table 1 Basic information of the subjects ()

1.2 研究設(shè)計

1.2.1 研究依據(jù)

國際上測量兒童移動性動作常用的工具主要有粗大動作發(fā)展測驗(Test of Gross Motor Development，TGMD)[5]、布魯氏動作熟練度測驗(Bruininks-Oseretsky Test of Motor Proficiency，BOTMP)[6]等，其中TGMD 是世界上測量3～10 歲兒童動作發(fā)展水平應(yīng)用最廣泛的工具，經(jīng)修訂已形成TGMD-2、TGMD-3 版本，本研究選取TGMD-3 中的跑、蹦跳、單腳跳作為移動性動作的測試指標，走作為積分肌電(Integrated Electromyography，iEMG)和共收縮(Co-Contraction Index，CCI)標準化處理時的參考對照。

SEMG 與運動單位募集和興奮節(jié)律的同步化程度有關(guān)，其數(shù)值反映肌肉活動時運動單位激活的數(shù)量、參與活動的運動單位類型以及神經(jīng)元的同步化程度，所以通過SEMG 的指標檢測可分析不同動作條件下中樞神經(jīng)肌肉控制的特征[7]。

1.2.2 實驗流程與設(shè)備

TGMD-3:采用2 臺索尼高速攝像機對測試動作全程攝像，根據(jù)TGMD-3 評分標準對錄制的跑、蹦跳和單腳跳動作進行評價，達到一個動作標準記為1 分，否則為0 分[5，8]。

肌電測試:在100 m2左右的房間，首先讓受試者踢一固定球，連續(xù)踢球3 次，使用次數(shù)≥2 次的踢球腳確定為優(yōu)勢腳[9]；其次使用意大利BTS-FREEEMG 1000 表面肌電測試系統(tǒng)，采用表面電極雙極導(dǎo)聯(lián)法，暴露受試者優(yōu)勢腿待檢測肌群部位皮膚，測試前用75%濃度的酒精對電極安放位置的皮膚去脂處理，放置電極片貼于肌腹部分的最隆起處，與肌肉縱軸方向一致，測試部位為優(yōu)勢腿的股直肌(Rectus Femoris，RF)、股二頭肌(Biceps Femoris，BF)、脛骨前肌(Tibialis Anterior，TA)和腓腸肌外側(cè)頭(Lateral Gastrocnemius，LG)[10]。每個動作測試2 次，取平均值。

1.2.3 評價指標

(1)iEMG 值是一定時間內(nèi)計入?yún)⑴c活動的運動單位放電總量，反映運動時參與肌肉收縮的肌纖維數(shù)目和每個運動單位的放電大小[11]。N -iEMG 是對iEMG 值進行標準化，用于肌肉之間活動的比較[12]。本研究使用意大利BTS 表面肌電儀器自帶SMART Analyzer 軟件，對原始肌電信號進行全波整流、濾波(帶通濾波20～350 Hz)和平滑(RMS，100 ms)處理iEMG，分析連續(xù)進行3 次重復(fù)動作的最大積分肌電值(Max-iEMG)，并求其平均值為每一名被試的iEMG。MVC(Maximal Voluntary Contraction)是對SEMG 標準化常采用的方法，以每名被試“走”的Max -iEMG 作為移動性動作iEMG 的標準化指標也是等效的[13]，本研究采用后者對SEMG 進行標準化。(2)NCCI 是對肌肉共收縮指數(shù)的標準化，中樞神經(jīng)系統(tǒng)通過調(diào)整主動肌和拮抗肌活動時序與強弱，從而適應(yīng)外周環(huán)境變化時產(chǎn)生的動作需求，反映動作的協(xié)調(diào)程度[14]，其計算公式[15]:

選取RF、BF 為膝關(guān)節(jié)的拮抗肌和主動肌，TA、LG 為踝關(guān)節(jié)的拮抗肌和主動肌[14，16]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

使用SPSS 20.0 對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計量數(shù)據(jù)均采用“”表示。采用ANOVA 分析不同年齡移動性動作發(fā)展水平的差異，計算年齡組(4 歲組、5 歲組和6 歲組)×不同肌肉(RF、BF、TA 和LG)對標準化iEMG 的影響，年齡組(4 歲組、5 歲組和6 歲組)×動作類型(跑、單腳跳和蹦跳)對NCCI 的影響，并用Post Hoc Test LSD 分析。

2 結(jié)果分析

2.1 4～6 歲幼兒移動性動作發(fā)展水平測試結(jié)果

從圖1 可知，跑4 歲組與6 歲組存在非常顯著性差異(F=0.35，P ﹤0.01)。蹦跳動作5 歲組與6 歲組(F=0.48，P﹤0.05)存在顯著性差異、4 歲組與6 歲組存在非常顯著性差異(F=0.38，P ﹤0.01)。單腳跳動作4 歲組與5 歲組(F=0.59)、5 歲組與6 歲組(F=0.54)存在顯著性差異(P ﹤0.05)，4 歲組與6 歲組存在非常顯著性差異(F=0.31，P ﹤0.01)。4 歲組、5 歲組和6 歲組跑的平均分依次為2.97、3.47、3.87，蹦跳的依次為1.82、2.08、2.35，單腳跳的依次為2.43、2.88、3.25，3 個動作相對于各標準總分，得分率為86%、69%和57%。

圖1 4～6 歲幼兒不同年齡不同移動性動作得分情況Figure 1 Scores of children at different ages in different locomotions

2.2 4～6 歲幼兒移動性動作中不同肌肉iEMG(%走)測試結(jié)果

走以優(yōu)勢腿的后蹬、擺動和著地緩沖階段為一個周期；跑以優(yōu)勢腿的后蹬、折疊前擺、下壓準備著地和著地緩沖為一個周期；蹦跳和單腳跳以優(yōu)勢腿的著地緩沖、蹬伸、騰空和落地為一個周期。這4 個動作均以腓腸肌開始發(fā)力作為采集SEMG 的開始，以著地緩沖為一個動作周期結(jié)束。

從表2 可知，4～6 歲幼兒跑、蹦跳和單腳跳3 個動作中，在年齡×肌肉中均存在交互作用(F=3.67、2.97、3.74，P ﹤0.01)。進一步分析跑的動作中，RF(F=1.28)、TA(F=1.84)、BF(F=2.01)在4 歲組與6 歲組之間存在年齡的顯著性差異(P ﹤0.05)。蹦跳動作中RF(F=0.56)、TA(F=1.32)在4 歲組與6 歲組之間存在年齡的顯著性差異(P ﹤0.05)。單腳跳動作RF(F=4.20)、TA(F=3.62)、BF(F=3.20)在4 歲組與6 歲組之間存在年齡的非常顯著性差異(P ﹤0.01)，RF、TA 在4 歲組與5 歲組、5 歲組與6 歲組之間均存在年齡的顯著性差異(P ﹤0.05)。相同動作相同年齡的4 塊肌肉之間，跑中LG 與TA、RF、BF 之間在4 歲組(F=12.19、20.01、5.67)、5 歲組(F=19.41、7.91、5.49)、6 歲組(F=12.04、2.09、3.86)均存在非常顯著性差異(P ﹤0.01)，蹦跳中LG 與TA、RF、BF 之間在4 歲組(F=28.01、42.25、11.96)、5 歲組(F=0.05、5.36、9.48)、6 歲組(F=23.68、10.03、20.85)均存在非常顯著性差異(P ﹤0.01)，單腳跳中LG 與TA、RF、BF 之間在4 歲組(F=18.59、7.11、5.65)、5歲組(F=27.56、14.30、9.19)、6 歲組(F=75.26、23.77、3.90)均存在非常顯著性差異(P ﹤0.01)。跑中BF、TA 與RF 之間在6 歲組(F=0.17、0.32)為顯著性差異(P ﹤0.05)。蹦跳中RF 與BF 之間在5 歲組(F=1.29)、RF 與BF 之間在6 歲組(F=1.42)均存在非常顯著性差異(P ﹤0.01)，RF 與TA 之間在4 歲組(F=0.38)、6 歲組(F=0.88)存在顯著性差異(P ﹤0.05)。單腳跳中RF 與BF、TA之間在4 歲組(F=2.71、2.30)、5 歲組(F=1.52、2.33)均存在非常顯著性差異(P ﹤0.01)，TA 與RF 之間在6 歲組(F=0.32)存在顯著性差異(P ﹤0.05)。RF 與TA 在3 個動作中沒有表現(xiàn)出差異性的，從統(tǒng)計學(xué)意義上顯示肌肉的iEMG(%走)RF ﹥TA。BF 與TA 之間在5 歲組(F=1.76)和6 歲組(F=2.07)的蹦跳動作中存在非常顯著性差異(P ﹤0.01)。從描述性的統(tǒng)計結(jié)果可知，在移動性動作中iEMG(%走)值RF 最大，其次是TA，LG 最小。

表2 4～6 歲幼兒移動性動作中不同肌肉iEMG(%走)比值()Table 2 iEMGratio of the muscles (% walking) of children aged 4～6 in different locomotions ()

表2 4～6 歲幼兒移動性動作中不同肌肉iEMG(%走)比值()Table 2 iEMGratio of the muscles (% walking) of children aged 4～6 in different locomotions ()

注:RF=股直肌,BF=股二頭肌,TA=脛骨前肌,LG=腓腸肌(下同)。相同動作的同塊肌肉:與6 歲組比,※為P ﹤0.05,※※為P ﹤0.01；與4 歲組比,#為P ﹤0.05,##為P ﹤0.01。相同年齡的不同肌肉:與LG 比,★為P ﹤0.05,★★為P ﹤0.01；與RF 比,＊為P ﹤0.05,＊＊為P ﹤0.01；與TA 比,＆ 為P ﹤0.05,＆＆ 為P ﹤0.01。

2.3 4～6 歲幼兒移動性動作中肌肉標準化共收縮指數(shù)(NCCI)測試結(jié)果

從表3 可知，RB(RF/BF) -NCCI、TG(TA/LG) -NCCI在年齡× 動作類型均有交互作用(F=2.15，2.46，P ﹤0.01)。進一步分析相同動作上在一個周期內(nèi)，RB 在4 歲組與5 歲組、4 歲組與6 歲組的跑(F=0.44、1.14)、單腳跳(F=1.47、2.35)和蹦跳(F=0.33、0.50)中均有非常顯著性差異(P ﹤0.01)，5 歲組與6 歲組(F=1.54)的跑存在非常顯著性差異(P ﹤0.01)。結(jié)合圖2，在一個周期內(nèi)，最大RB:跑是6 歲組(4.84) ﹥5 歲組(3.76) ﹥4 歲組(2.59)；蹦跳是6歲組(2.40) ﹥5 歲組(2.35) ﹥4 歲組(1.97)；單腳跳是6 歲組(6.06) ﹥5 歲組(4.84) ﹥4 歲組(2.69)。TG 在4 歲組與6 歲組幼兒的跑(F=0.44)、蹦跳(F=1.54)和單腳跳(F=1.93)中均有非常顯著性差異(P ﹤0.01)，4 歲組與5 歲組在單腳跳(F=1.67)和跑(F=0.17)，以及跑5 歲組與6 歲組(F=1.71)中均有非常顯著性差異(P ﹤0.01)。結(jié)合圖2，在一個周期內(nèi)，最大TG:跑是6 歲組(10.31) ﹥5 歲組(6.83) ﹥4 歲組(5.27)；蹦跳是6 歲組(4.82) ﹥5 歲組(3.76)﹥4 歲組(2.59)；單腳跳是6 歲組(9.39) ﹥5 歲組(8.29) ﹥4 歲組(8.03)。相同年齡組不同動作之間，4～6 歲幼兒的跑和蹦跳的RB 中存在非常顯著性差異(F=0.49、0.06、0.42，P ﹤0.01)，4～6 歲幼兒TG 在跑和蹦跳之間(F=0.32、0.27、0.46，P ﹤0.01)、單腳跳和蹦跳之間(F=0.43、0.52、0.44)存在非常顯著性差異(P ﹤0.01)。根據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果，在一個周期內(nèi)，RB-NCCI 峰值和TG-NCCI 峰值存在6 歲組﹥5 歲組﹥4 歲組。動作之間RB-NCCI 峰值和TGNCCI 峰值存在跑﹥單腳跳﹥蹦跳。

表3 4～6 歲幼兒移動性動作在一個周期內(nèi)各肌肉NCCI 比值()Table 3 NCCI ratio of the muscles of children aged 4～6 in a cycle of locomotions ()

表3 4～6 歲幼兒移動性動作在一個周期內(nèi)各肌肉NCCI 比值()Table 3 NCCI ratio of the muscles of children aged 4～6 in a cycle of locomotions ()

注:RB=股直肌/股二頭肌,TG=脛骨前肌/腓腸肌。不同年齡相同動作:與5 歲組比,#為P ﹤0.05,##為P ﹤0.01；與6 歲組比,※為P ﹤0.05,※※為P ﹤0.01；相同年齡組不同動作,與蹦跳比,＆ 為P ﹤0.05,＆＆ 為P ﹤0.01；與跑比,★為P ﹤0.05,★★為P ﹤0.01。

圖2 4～6 歲幼兒各移動性動作一個動作周期各肌肉NCCIFigure 2 NCCI values of the muscles of children aged 4～6 in a cycle of each locomotion

3 討論

3.1 4～6 歲幼兒移動性動作發(fā)展水平的特征

隨著4～6 歲幼兒年齡增加，移動性動作發(fā)展水平總體呈上升趨勢，但年齡之間動作發(fā)展水平的區(qū)分并非一致:單腳跳最明顯，其次是蹦跳和跑。從測量工具的效度分析，選取單腳跳作為幼兒移動性技能測評動作比跑和蹦跳更佳，進一步說明動作發(fā)展測評工具TGMD -3、BOT 等均采用單腳跳作為幼兒動作技能測評的原因。在動作發(fā)展水平上，Aye等[16]發(fā)現(xiàn)學(xué)齡前兒童的移動性動作發(fā)展達到全國均值，本研究幼兒跑和單腳跳的動作發(fā)展水平(86%、57%)略低于國外的平均水平(89%、68%)[16]，對于中外幼兒動作發(fā)展水平差異性的研究，可為我國幼兒動作發(fā)展里程碑的建立奠定理論基礎(chǔ)，并有助于提高我國幼兒移動性動作技能水平。

3.2 4～6 歲幼兒移動性動作中不同肌肉iEMG 的特征

本研究發(fā)現(xiàn)不同肌肉iEMG(%走)在跑、蹦跳和單腳跳動作中年齡之間存在差異，其中單腳跳的差異性最為顯著，單腳跳中RF 和BF-iEMG(%走)6 歲組﹥5 歲組﹥4 歲組。從人類動作的發(fā)展歷程看，大多數(shù)幼兒隨著年齡增加開始學(xué)習(xí)單腳跳時，跑已進入動作技能相對成熟階段，蹦跳作為一種有節(jié)奏的兩步式技能，是比較復(fù)雜的一項，當(dāng)幼兒單腳跳達到第三階段時，才開始出現(xiàn)蹦跳的動作技能[17]，因此跑和蹦跳對于幼兒來說，前者動作技能成熟較早，后者成熟較晚，從而出現(xiàn)動作發(fā)展水平的“地板效應(yīng)”和“天花板效應(yīng)”，這種效應(yīng)通過iEMG 呈現(xiàn)出來沒有表現(xiàn)出年齡的差異性。Shiavi[3]在研究4～11 歲兒童運動時也證明隨著年齡增加，RF、BF 的iEMG 強度變化的基本一致性，因此RF -iEMG(%走)和BF-iEMG(%走)在單腳跳動作中均表現(xiàn)出6 歲組﹥4 歲組的區(qū)分度，從內(nèi)在機制上驗證了單腳跳作為移動性技能測評的有效性。

在一項關(guān)于3 種初始姿勢:正常姿勢，高姿勢(重心比正常姿勢高20 cm)和低姿勢(重心比正常姿勢低20 cm)對11名男性垂直縱跳成績影響的研究發(fā)現(xiàn)，3 種姿勢調(diào)整時iEMG變化最顯著的是RF，甚至通過調(diào)整RF 的肌電刺激，便可使被試接近或達到最大跳躍高度[18]。說明RF 對下肢移動性動作的完成起到關(guān)鍵性作用。從關(guān)節(jié)解剖的結(jié)構(gòu)分析，RF作為雙關(guān)節(jié)肌，會使髖關(guān)節(jié)屈曲和膝關(guān)節(jié)伸展，有支持和糾正上身姿勢方面的雙重作用[14]。李林等[19]通過對花滑運動員3 周跳的動作分析認為起跳過程中發(fā)力肌肉除了RF，其次是TA，LG 起到支撐協(xié)同的作用，說明在幼兒下肢的移動性動作中，RF 和TA 表現(xiàn)出相對成熟的肌肉用力特點。

3.3 4～6 歲幼兒移動性動作中肌肉標準化共收縮的特征

為量化4～6 歲幼兒跑、蹦跳和單腳跳一個周期動作協(xié)調(diào)程度，采用共收縮指數(shù)進行描述[20]。Knarr 等[15]對9 名健康成年人行走時股外側(cè)肌和半膜肌的CCI 和NCCI 比較時發(fā)現(xiàn)，NCCI 可以更好地反映膝關(guān)節(jié)生理性負荷特征，同時NCCI 可進行個體之間SEMG 直接比較[14]。在整個步態(tài)周期中，來自下肢肌肉的肌電信號在正常幼兒步行過程中通常一致，但一個步態(tài)周期內(nèi)各個階段主動肌和拮抗肌不斷變化[21-22]，本研究選取了最大NCCI 作為研究共收縮特征的指標。

人體完成動作時，拮抗肌與主動肌同步收縮[23]，幼兒通過RF 和BF 共收縮活動，調(diào)節(jié)膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性[14]，TA 和LG 在運動中相互對抗，引起踝關(guān)節(jié)矢狀面運動[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，在跑、蹦跳和單腳跳的一個周期內(nèi)，RB -NCCI峰值和TG-NCCI 峰值隨年齡增加而增大，這是因為幼兒隨著年齡增加，運動經(jīng)驗累積，神經(jīng)控制姿勢能力和核心功能的提高，動作技能逐漸成熟，RB-NCCI 峰值和TG-NCCI 峰值反映的膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)周圍肌群的協(xié)調(diào)程度也在提高，下肢3 關(guān)節(jié)之間更加協(xié)調(diào)。動作之間，RB-NCCI 峰值和TGNCCI 峰值的差異性與動作技能的復(fù)雜程度呈現(xiàn)一致性，說明iEMG 從肌肉的機制上與動作復(fù)雜程度外在表現(xiàn)的一致。

4 結(jié)論

TGMD-3 作為幼兒動作發(fā)展評價工具具有可行性，其中單腳跳可優(yōu)先作為移動性動作技能定性評價指標，該動作下肢肌群iEMG 值可作為定量評價的代表性指標。幼兒在跑、蹦跳和單腳跳動作時，主要用力肌肉為股直肌，隨著年齡增長，iEMG 值逐漸增大，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)周圍肌群協(xié)調(diào)性逐漸增強。