楊紅春楊靜 林輝杰 王健 吳劍鋒

1浙江工業(yè)大學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)研究院（浙江杭州 310023）

2臺(tái)州學(xué)院體育學(xué)院（浙江臨海 317000）

3浙江大學(xué)教育學(xué)院（浙江杭州 310058）

腰痛是康復(fù)醫(yī)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的常見疾病，已經(jīng)成為致殘誤工、增加社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)、影響生存質(zhì)量的一個(gè)重要社會(huì)問題[1，2]。有效診斷與預(yù)防腰痛需要全面、深入地認(rèn)識(shí)腰痛機(jī)理[3]。掌握各腰背肌活動(dòng)及相互協(xié)作對(duì)腰痛產(chǎn)生的影響，特別是理解“神經(jīng)-肌肉”控制策略的作用[4]，是深入把握腰痛機(jī)理的重要方向。

準(zhǔn)確獲取腰背肌力至關(guān)重要。由于腰背部肌群結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，直接在體測量各腰背肌用力不易實(shí)現(xiàn)，常通過建立生物力學(xué)模型予以估算。腰背肌力EMG驅(qū)動(dòng)估算方法最為常用[5]。該方法基于腰背肌解剖學(xué)參數(shù)，借助所測得的肌電信號(hào)來反映各腰背肌瞬間用力信息，結(jié)合所測得的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化處理，從而獲得較為可靠的腰背肌力，進(jìn)而可計(jì)算出腰椎所受到載荷及其所具備的穩(wěn)定性，而這兩者異常是導(dǎo)致腰痛的直接誘因[6]。此方法較為復(fù)雜，并處于不斷改進(jìn)中，在腰痛機(jī)理研究中應(yīng)用也在拓展，基于該方法所構(gòu)建的腰椎載荷以及腰椎穩(wěn)定性量化定義在體育科學(xué)領(lǐng)域中將有應(yīng)用前景。因此，本文綜述了腰背肌力EMG驅(qū)動(dòng)估算方法應(yīng)用的要點(diǎn)、難點(diǎn)、疑點(diǎn)以及方向，藉此深入認(rèn)識(shí)該方法原理，把握其應(yīng)用方向，旨在為該方法的科學(xué)應(yīng)用及合理改進(jìn)提供參考。

1 腰背肌群結(jié)構(gòu)模型

由于腰背肌群所涵蓋的肌肉數(shù)量較多，多數(shù)肌肉具有寬大附著點(diǎn)，因此精確構(gòu)建其解剖結(jié)構(gòu)模型并非易事。磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）、計(jì)算機(jī)斷層掃描成像（（Computed Tomography，CT）以及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)被應(yīng)用到在體腰背肌群解剖結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確測繪中[8]，所取得的數(shù)據(jù)，為腰背肌拉力線合理簡化提供了科學(xué)依據(jù)。

圖1 腰背肌群解剖結(jié)構(gòu)模型示意圖[7]

目前模型中，涉及6個(gè)腰椎關(guān)節(jié)及其18個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度[9]，幾乎將各塊腰背肌均納入其中[6-8]，此外還包括上軀干、頭、手臂、外部負(fù)荷等簡化元素。該模型中各腰背肌由拉力線來模擬，由于多數(shù)肌肉具有寬大附著點(diǎn)，一塊肌肉可擁有多條拉力線，這致使其數(shù)量多、分布雜（如圖1所示）。每塊肌肉中拉力線數(shù)量、走向、起止點(diǎn)位置、橫截面積等參數(shù)的合理假定與準(zhǔn)確測量，成為建立該模型的重點(diǎn)難點(diǎn)。各種模型在這些方面略有差異[10]，例如分別橫跨L1/L2和L4/L5關(guān)節(jié)的拉力線在Cholewicki和McGill的模型中為25和30條，而在Stokes和Gardner-Morse的模型中為52和67條。

Cholewicki和McGill[11]所公布的腰背肌解剖結(jié)構(gòu)模型較具代表性，應(yīng)用廣泛。該模型中全部腰背肌共有90條拉力線，橫截面積在0.6～16.8 cm2，原始長度在5.2～30.0 cm，肌腱長度在1.0～15.4 cm，在人體直立時(shí)這些拉力線起止點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)詳見其研究。Marras和Granata研究[12]中公布了個(gè)體化的腰背肌橫截面積推算公式，應(yīng)用該公式可以從胸厚度、寬度兩種易測參數(shù)中推算出對(duì)應(yīng)的腰背肌橫截面積。需要注意的是，在脊柱運(yùn)動(dòng)過程中，各腰背肌拉力線起止點(diǎn)坐標(biāo)是動(dòng)態(tài)變化的，其力臂也一樣，因此需要測量軀干角度的變化，據(jù)此修正各腰背肌拉力線起止點(diǎn)坐標(biāo)來獲得準(zhǔn)確的力臂值[13]。

2 腰背肌力基本算法

腰背肌力EMG驅(qū)動(dòng)估算方法的核心思想是，用最大肌肉應(yīng)力（maximum muscle stress value）和肌肉激活程度來計(jì)算單塊肌肉用力[13]，前者表示肌肉最大程度活動(dòng)時(shí)單位橫截面積中能產(chǎn)生的作用力，后者以瞬時(shí)激發(fā)EMG比重來表示，兩者乘積再乘以肌肉橫截面積即為瞬時(shí)肌力。該方法還需考量其它因素，例如需依據(jù)肌肉長度、收縮速度各自與肌力間的關(guān)系來修正[4]，這些關(guān)系又受到肌肉工作方式[12]以及疲勞狀態(tài)[14，15]的影響。

一般情況下基于EMG驅(qū)動(dòng)的腰背肌肌力計(jì)算方法如公式1、2、3所示，其中F為肌肉收縮力，EMGn為占最大隨意收縮力（maximal voluntary contraction，MVC）時(shí)EMG的比例（或者比率），σmax為最大肌肉應(yīng)力，S為橫截面積，φ為肌肉長度修正系數(shù)，φ為肌肉收縮速度修正系數(shù)，l為肌肉長度，ν為肌肉收縮速度，j為各腰背肌序列，G為誤差系數(shù)。其中，最大肌肉應(yīng)力（σmax）獲取方法有：1.參照已有的肌肉解剖學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一般設(shè)定為35 N/cm2[16]，其為通用值，各受試者間均一樣，在受試者個(gè)體差異不明顯的情況下可用。2.用逆向動(dòng)力學(xué)求得腰椎關(guān)節(jié)力矩，再與腰背肌力間建立力學(xué)方程[17]，進(jìn)而求得最大肌肉應(yīng)力（在多次測試間、各時(shí)刻點(diǎn)間取均值），該值具有個(gè)體化屬性，在較為簡易的模型下可用。3.采用有約束的最優(yōu)化計(jì)算方法[4，9]，以內(nèi)、外腰椎力矩差異最小為優(yōu)化目標(biāo)，求得最大肌肉應(yīng)力，其同樣是個(gè)體化數(shù)值，而且，相對(duì)準(zhǔn)確，適合在復(fù)雜模型下采用。

EMG值測量是EMGn參數(shù)獲取的核心環(huán)節(jié)[9，14]。目前研究[6-8]中，采用表面肌電圖測量儀來獲取腰背肌EMG值，多數(shù)情況下電極放置于L1橫移3 cm處、L3橫移6 cm處、L5橫移2 cm處、肚臍橫移3 cm處、肚臍上方橫移10 cm處、髂前上棘前移7 cm與下移2 cm處。需進(jìn)行兩次測量[18]，第一次測量100%MVC時(shí)腰背肌EMG值，第二次測量執(zhí)行運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)各瞬間EMG值，結(jié)合第一次測量結(jié)果，將其標(biāo)準(zhǔn)化處理后即為EMGn值。由于表面肌電圖測量儀無法獲取深層腰背肌EMG值，以及同時(shí)測量肌肉數(shù)量有限，故該方法中存在合理假設(shè)，即解剖位置或功能屬性相近的肌肉被認(rèn)為激活水平相似[11]。據(jù)此，相同肌肉內(nèi)拉力線上作用力計(jì)算時(shí)用相同EMGn值，深層腰背肌力計(jì)算時(shí)采用與其功能一致的表層肌肉EMGn值（腹內(nèi)斜肌與腰大肌相似、腰豎直肌與腰方肌相似）。原始肌電圖處理方法也較為重要，Staudenmann等專門探討了EMG數(shù)據(jù)處理方法對(duì)腰背肌力估算效果的影響[8]，結(jié)果顯示，采用250 Hz以上高通濾波對(duì)EMG數(shù)據(jù)處理時(shí)，能明顯提高腰椎力矩及穩(wěn)定性計(jì)算準(zhǔn)確性，對(duì)其白化處理（whitening）后也有同樣效果。

100%MVC中EMG值測量在腰痛患者、老年人群等特殊對(duì)象中難以實(shí)施，對(duì)此，Marras等[19，20]探討了以次最大強(qiáng)度時(shí)EMG值來估算最大強(qiáng)度時(shí)EMG值的可行性，結(jié)果顯示，腰背肌收縮強(qiáng)度與其EMG值間高度關(guān)聯(lián)，采用以它們間線性回歸方程估算的最大強(qiáng)度EMG值與實(shí)測值來計(jì)算腰椎剪切力和壓縮力，結(jié)果非常接近（r2＞0.9，誤差小于6%）。另一種做法，鑒于準(zhǔn)確的100%MVC肌電值受到主觀努力、疲勞狀態(tài)、訓(xùn)練經(jīng)歷、動(dòng)作姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)類型以及傷痛狀態(tài)等眾多因素影響難以獲得，Dufour等[21]提出無須測量該值的EMG驅(qū)動(dòng)腰背肌力算法。該算法將最大肌肉應(yīng)力與100%MVC肌電值整合在一起，將它們比值視為一個(gè)個(gè)性化的肌肉屬性，稱之為增益率（gain ratio units），再以內(nèi)在、外加腰椎力矩間誤差最小作為優(yōu)化目標(biāo)，通過有約束非線性多變量最優(yōu)化算法計(jì)算獲得。結(jié)果顯示所計(jì)算的增益率在合理范圍內(nèi)，基于兩種方法而得的腰椎穩(wěn)定性及載荷非常接近，可見無須100%MVC測量的腰背肌力EMG驅(qū)動(dòng)算法有效，具備參考價(jià)值。

3 腰背肌力優(yōu)化修正

針對(duì)腰背肌力計(jì)算中的不確定性問題，統(tǒng)籌學(xué)中最優(yōu)化理念與算法是一種有力工具。Gagnon等[4]采用雙重線性最優(yōu)化法來估算腰背肌力，在第一次最優(yōu)化時(shí)以最大肌肉應(yīng)力誤差系數(shù)（G）最小為最優(yōu)化目標(biāo)，算得最大肌肉應(yīng)力修正值，第二次以腰椎壓縮力最小為最優(yōu)化目標(biāo)求得各腰背肌肌力。用該方法所估算的腰背肌力往往受腰背肌力臂影響較大，并且難以發(fā)現(xiàn)各腰背肌間協(xié)同活動(dòng)現(xiàn)象[22]。據(jù)此Cholewicki和McGill[23]將最優(yōu)化算法整合至腰背肌力EMG驅(qū)動(dòng)估算中（見公式4），采用腰背肌力EMG驅(qū)動(dòng)估算方法求得內(nèi)在腰椎關(guān)節(jié)力矩，同時(shí)用逆向動(dòng)力學(xué)方法求得外在腰椎關(guān)節(jié)力矩，然后以這兩個(gè)值最接近為最優(yōu)化目標(biāo)，從而求得各腰背肌力修正值，這樣能夠彌補(bǔ)雙重線性最優(yōu)化方法的缺陷。

約束條件：

注：MEMG為預(yù)先估計(jì)的腰椎力矩，M為逆向動(dòng)力學(xué)方法所獲得的腰椎力矩，g為修正系數(shù)，L，S，T代表三個(gè)平面，J為各腰背肌序列，m為腰背肌總數(shù)。

以往這種最優(yōu)化輔助的EMG驅(qū)動(dòng)腰背肌力估算方法中，只以一個(gè)腰椎關(guān)節(jié)內(nèi)外力矩平衡為最優(yōu)化目標(biāo)，特別是針對(duì)L4/L5關(guān)節(jié)，此做法被認(rèn)為是對(duì)腰椎“肌肉-骨骼”生物力學(xué)模型不恰當(dāng)?shù)暮喕痆9]，不符合神經(jīng)控制策略，即中樞神經(jīng)系統(tǒng)不太可能針對(duì)單個(gè)腰椎關(guān)節(jié)活動(dòng)需求來分配腰背肌力，而是從整體上予以規(guī)劃。Gagnon等[17]運(yùn)用了針對(duì)全部腰椎關(guān)節(jié)的最優(yōu)化輔助EMG驅(qū)動(dòng)腰背肌力估算方法，其具體方法與針對(duì)單關(guān)節(jié)的相似，只是約束條件增加至18個(gè)方程，這兩種方法的估算結(jié)果有明顯差異，特別是在軀干大幅度屈曲以及不對(duì)稱搬舉動(dòng)作中。Gagnon等[24]采用該方法時(shí)，將腰背肌力矩分為韌帶等被動(dòng)力矩、原動(dòng)肌主動(dòng)力矩、原動(dòng)肌被動(dòng)力矩、拮抗肌被動(dòng)力矩，在一次搬運(yùn)任務(wù)中所占比重分別為13%、58%、26%、2%，還有1%的估計(jì)誤差，在最優(yōu)化計(jì)算中修正系數(shù)g約束條件視不同類型力矩而異。

4 腰背肌力估算效度

Cholewicki和McGill[11]從要素效度、內(nèi)在效度、靈敏度以及參照評(píng)估等方面系統(tǒng)闡述了腰背肌力EMG驅(qū)動(dòng)估算方法的有效性，認(rèn)為該方法有效的依據(jù)有：1.所推算的最大肌肉應(yīng)力在生理變化范圍之內(nèi)（30～100 N/cm2[21]）；2.以力學(xué)原理為依據(jù)，推算的腰椎力矩與通過逆向動(dòng)力學(xué)求得值較為一致；3.對(duì)腰椎穩(wěn)定度推算靈敏度較好；4.從文獻(xiàn)資料對(duì)比中可見，推算的腰椎壓縮力較為合理。此外，李雅普諾夫指數(shù)分析（Lyapunov analyses）是一種腰椎動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性常用的量化方法。Graham和Brown[16]對(duì)腰背肌力EMG驅(qū)動(dòng)估算方法推算的腰錐穩(wěn)定性參數(shù)與最大李雅普諾夫指數(shù)進(jìn)行了相關(guān)分析，結(jié)果顯示兩者高度關(guān)聯(lián)，認(rèn)為這兩種方法均能有效反映腰錐穩(wěn)定性。

Gagnon等[4]在動(dòng)態(tài)性動(dòng)作中比較了腰背肌力最優(yōu)化算法、EMG驅(qū)動(dòng)算法以及最優(yōu)化輔助的EMG驅(qū)動(dòng)算法（EMG auxiliary optimization，EMGAO）的有效性，綜合考慮認(rèn)為EMGAO效度較好。隨后Gagnon等[17]研究認(rèn)為，EMGAO針對(duì)多腰椎關(guān)節(jié)的估算結(jié)果比針對(duì)單腰椎關(guān)節(jié)的要高些。但Mohammadi等研究認(rèn)為，不同最優(yōu)化輔助EMG驅(qū)動(dòng)算法所估算的結(jié)果欠穩(wěn)定，差異源于肌力修正系數(shù)（gain values）波動(dòng)范圍大[9]。此外Dreischarf等[22]認(rèn)為，還可以從所估算的肌力與所測得的相應(yīng)肌電比較中，以及從所估算的與在體測得的腰椎載荷相比較中進(jìn)行有效性檢驗(yàn)。

5 腰背肌力EMG驅(qū)動(dòng)估算方法的應(yīng)用方向

5.1 腰椎穩(wěn)定性研究

腰椎穩(wěn)定性是指維持腰椎椎體間正常位置關(guān)系的一種功能狀態(tài)[25]，腰椎失穩(wěn)則是引起腰痛的一個(gè)重要因素[26]。受外力沖擊時(shí)，脊柱穩(wěn)定性低會(huì)使脊柱位移過度（超出中性帶范圍），從而導(dǎo)致脊髓、神經(jīng)根、椎體以及軟組織等被破壞，引發(fā)腰痛。腰椎穩(wěn)定性則通過由椎體、椎間關(guān)節(jié)等形成的被動(dòng)保護(hù)機(jī)制與由脊柱穩(wěn)定肌和中樞運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)形成的主動(dòng)保護(hù)機(jī)制共同作用予以維持[27]，后者作用至關(guān)重要，在去除主動(dòng)保護(hù)機(jī)制作用后，即便是很小負(fù)荷也會(huì)使腰椎極度不穩(wěn)。

腰背肌EMG驅(qū)動(dòng)估算方法建立了腰背肌力與腰椎穩(wěn)定性間的直接關(guān)系，這有助于更深入、全面地探索腰背肌活動(dòng)及控制對(duì)腰椎穩(wěn)定性的作用及其在不同條件下的變化。該關(guān)系如公式5所示[28]，其中S代表腰椎穩(wěn)定性（又被稱為腰椎剛度），F(xiàn)為腰背肌力，A為腰背肌起點(diǎn)坐標(biāo)，B為腰背肌止點(diǎn)坐標(biāo)，X、Y、Z代表三個(gè)坐標(biāo)軸方向，r為各腰背肌力臂，q為權(quán)重?cái)?shù)，P為上體重量，h為上體重心到L4/L5腰椎關(guān)節(jié)的距離，L為肌肉原始長度，j為各腰背肌序列，m為腰背肌總數(shù)，這些參數(shù)中q和r這兩個(gè)參數(shù)對(duì)計(jì)算腰椎穩(wěn)定性有決定作用[29]。在有些研究中，將q設(shè)定為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值10，Brown和Mcgill[29]則采用快速釋放測試方法，以運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)驅(qū)動(dòng)腰背肌力算法為輔，探討了腰背肌活動(dòng)程度與q參數(shù)的關(guān)系，結(jié)果顯示，隨著腰背肌活動(dòng)程度提高，q值不斷降低（見圖2A），這顯示出在高強(qiáng)度腰背肌肉活動(dòng)時(shí)腰椎穩(wěn)定性會(huì)降低，存在腰痛產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)；兩者能擬合成指數(shù)函數(shù)關(guān)系（見圖2B），這能為往后研究提供更為合理的q值參數(shù)。

圖2 腰椎剛度誤差系數(shù)（q）與肌肉活動(dòng)程度間關(guān)系圖[29]

基于該腰椎穩(wěn)定性量化方法，Brown和Potvin[30]探討了軀干豎直姿態(tài)時(shí)腰椎穩(wěn)定性以及各腰背肌肉的貢獻(xiàn)特征，結(jié)果顯示軀干側(cè)屈時(shí)腰椎穩(wěn)定性最高，軀干屈伸時(shí)腰椎穩(wěn)定性次之，軀干旋轉(zhuǎn)時(shí)腰椎穩(wěn)定性最低；腹內(nèi)斜肌、腹外斜肌、腰豎直肌以及胸豎直肌對(duì)腰椎穩(wěn)定性影響較大，這與這些肌肉的解剖位置有關(guān)，其均具有較長力臂。Cort等[31]探討了突然加載負(fù)荷時(shí)腰椎穩(wěn)定性的適應(yīng)性變化以及各腰背肌的作用，結(jié)果顯示，預(yù)知加載時(shí)間組在加載負(fù)荷前，腰椎穩(wěn)定性顯著提高；而未知加載時(shí)間組則依靠非自主性肌肉力量（pre-voluntary muscle forces），在加載非自主反應(yīng)期中提高腰椎穩(wěn)定性，這體現(xiàn)了非自主性“神經(jīng)-肌肉”活動(dòng)對(duì)避免腰背損傷的重要作用；此外，對(duì)側(cè)腰背肌力提高的同時(shí)，同側(cè)腰背肌力下降，是加載負(fù)荷后腰椎穩(wěn)定性迅速提升的一種有效策略。Beaudette等[5]比較了穩(wěn)定/不穩(wěn)定支撐面、穩(wěn)定/不穩(wěn)定負(fù)荷搬舉動(dòng)作間腰椎穩(wěn)定性的差異，結(jié)果顯示，在外部不穩(wěn)定環(huán)境中腰椎穩(wěn)定性有明顯提高，體現(xiàn)出腰背肌在維護(hù)腰椎穩(wěn)定性及避免腰背損傷中的重要作用。Shamsia等[32]比較了運(yùn)動(dòng)控制與一般鍛煉干預(yù)間慢性腰痛患者腰椎穩(wěn)定性的變化，結(jié)果顯示，運(yùn)動(dòng)控制干預(yù)組、一般鍛煉干預(yù)組分別在右側(cè)拉和向前拉時(shí)腰椎穩(wěn)定性有顯著提升，這分別得益于腹肌與背肌活動(dòng)增強(qiáng)。

綜上所述，基于腰背肌EMG驅(qū)動(dòng)估算方法對(duì)腰背肌活動(dòng)與腰椎穩(wěn)定性關(guān)系的研究有明顯進(jìn)展，今后其應(yīng)用方向有：1.腰背肌活動(dòng)“神經(jīng)-肌肉”控制策略有待深入探索。基于腰背肌力估算，可以探討維持腰椎穩(wěn)定性過程中的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)機(jī)理。Eskandari等[33]通過非負(fù)矩陣分解方法提煉出了腰背肌活動(dòng)協(xié)調(diào)元（muscle synergies），今后這些肌肉活動(dòng)協(xié)調(diào)元的特性、影響因素、干預(yù)手段等有待研究。此外，腰背肌活動(dòng)與腰椎穩(wěn)定的量化關(guān)系為無控制歧管（uncontrolled manifold，UCM）運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)理論與方法應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，今后也可展開這方面腰背肌運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)機(jī)制探討。2.核心穩(wěn)定性訓(xùn)練是當(dāng)前較為流行的一種體能訓(xùn)練方式，但缺乏對(duì)其內(nèi)在機(jī)理的深入研究，可借鑒此上述量化關(guān)系，探討各種核心穩(wěn)定性鍛煉方法對(duì)腰背肌力、“肌肉-神經(jīng)”控制、腰椎穩(wěn)定性等的作用機(jī)制。

5.2 腰椎載荷研究

腰椎載荷包括腰椎所受到的壓縮力和剪切力，這兩種作用力主要源自上體重量、外部負(fù)荷和腰背肌力[7]。腰椎所受作用力大，應(yīng)變多，從而使腰椎椎體及其內(nèi)部神經(jīng)組織等受擠壓后受損，致使腰痛產(chǎn)生，這是腰痛的一種主要成因[34]。腰背肌力EMG驅(qū)動(dòng)估算方法常運(yùn)用到各種動(dòng)作中的腰椎載荷評(píng)估，在腰痛機(jī)理探索中作用顯著。

搬舉重物動(dòng)作在日常生活以及體力勞作中極為常見，被認(rèn)為存在誘發(fā)腰痛的風(fēng)險(xiǎn)[35]，因?yàn)樵擃悇?dòng)作中經(jīng)常伴隨著較高的腰椎載荷，例如，在跪姿搬舉重27.2 kgf的物體時(shí)腰椎壓縮力高達(dá)3800 N[36]。已有研究基于腰背肌力EMG驅(qū)動(dòng)估算方法，探討該類動(dòng)作搬舉重量和高度、技術(shù)（或姿態(tài)）、輔助手段、感知、經(jīng)驗(yàn)等對(duì)腰椎載荷的影響。Splittstoesser等[34]研究顯示，在跪姿搬舉動(dòng)作中腰椎壓縮力、剪切力（前后以及左右）隨著搬舉物體重量以及高度增加而提高，前者由物體重量增加使腰背肌力提高所致，后者由物體搬舉加速度遞增使腰背肌力提高所致。針對(duì)搬舉技術(shù)（姿態(tài)）的研究[34-38]顯示，腰背載荷在雙腳站于重物兩側(cè)搬舉時(shí)比站于其后搬舉時(shí)低，在俯身搬舉時(shí)比半蹲搬舉時(shí)低，在跪姿與直立搬舉時(shí)比俯身搬舉時(shí)低，在一手輔助一手搬舉時(shí)比雙手搬舉時(shí)低，這與外部負(fù)荷和腰背肌力臂、腰背肌群激活數(shù)量有關(guān)。Farrag等研究[39]認(rèn)為，搬運(yùn)低重量物體時(shí)無預(yù)知搬運(yùn)重量，會(huì)使腰椎載荷升高。Gagnon等[24]認(rèn)為，與搬運(yùn)新手相比，搬運(yùn)老手肌肉主動(dòng)力矩大，肌肉被動(dòng)力矩小，肌肉力矩調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，因而腰痛發(fā)生率低。

此外，已有研究基于該方法探討了突然加載負(fù)荷時(shí)雙腳不同站位、不同坐姿以及高爾夫揮桿動(dòng)作中所產(chǎn)生的腰椎載荷。Zhou等[40]從2個(gè)加載位置對(duì)4種不同雙腳站位姿勢加載負(fù)荷，比較L5/S1腰椎關(guān)節(jié)載荷的差異。研究結(jié)果顯示，在經(jīng)受位于人體對(duì)稱位與非對(duì)稱位由6.8 kg重物突然釋放而產(chǎn)生的沖擊時(shí)，腰椎載荷在前后站位（右腳在前）姿勢中最低，左右寬距站位姿勢中最高，兩者相差32 N；而人體對(duì)稱軸位受沖擊時(shí)的腰椎載荷比非對(duì)稱軸位低。Castanharo等[41]比較了自然坐姿、腰椎骨盆主導(dǎo)坐姿以及胸部主導(dǎo)坐姿中腰椎載荷的差異，藉此探尋最佳坐姿，發(fā)現(xiàn)腰椎骨盆主導(dǎo)坐姿中腰椎關(guān)節(jié)力矩明顯低于其余兩種坐姿，自然坐姿中腰椎載荷明顯低于其余兩種坐姿，由此認(rèn)為腰椎骨盆主導(dǎo)坐姿能夠最大限度地降低腰背部被動(dòng)組織受力，適宜于不易久坐人群采用。Lim等[42]研究了高爾夫球揮桿動(dòng)作中L4/L5腰椎關(guān)節(jié)所受載荷，結(jié)果顯示（見圖3），腰椎壓縮力在引桿終點(diǎn)開始穩(wěn)步提升，至擊球點(diǎn)附近達(dá)到最高值（4400 N，6.1倍體重），向前腰椎剪切力在隨揮中點(diǎn)前達(dá)到最高值（1203 N，1.6倍體重），可見該動(dòng)作中腰椎載荷較高，這由腰椎承重及椎旁肌肉高強(qiáng)度共收縮所致。

圖3 高爾夫揮桿動(dòng)作中腰椎壓縮力（compression）、前后剪切力（anterior-posteriorshear）、左右剪切力（medial-lateralshear）變化圖[42]

腰背肌力EMG驅(qū)動(dòng)估算方法今后的應(yīng)用方向：1.系統(tǒng)探索腰背肌群活動(dòng)及控制對(duì)腰椎載荷的影響。例如，探討搬運(yùn)動(dòng)作中或受到?jīng)_擊時(shí)等情景下各腰背肌活動(dòng)對(duì)腰椎載荷的影響度；探討腰背肌活動(dòng)間協(xié)調(diào)配合對(duì)腰椎載荷下調(diào)的作用；探討針對(duì)腰椎載荷下調(diào)，腰背肌活動(dòng)對(duì)腰椎、韌帶等組織被動(dòng)受力的控制機(jī)制；探討腰背肌活動(dòng)對(duì)腰椎載荷分布的調(diào)節(jié)作用等。2.鑒于腰痛是運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練與體育鍛煉中的常見病，該方法今后可在體育科學(xué)領(lǐng)域中進(jìn)一步應(yīng)用，探討專項(xiàng)技術(shù)動(dòng)作或訓(xùn)練動(dòng)作中腰椎載荷特征及腰背肌活動(dòng)。例如，分析舉重技術(shù)、劃槳技術(shù)、短道速滑蹬冰技術(shù)、站立式射擊技術(shù)中腰椎載荷狀況；分析仰臥起坐、上支撐舉腿等體育鍛煉動(dòng)作中腰椎載荷特征；評(píng)估腰背肌力干預(yù)措施、腰背防護(hù)用具、技術(shù)動(dòng)作調(diào)整等對(duì)預(yù)防腰疼的作用等。

6 總結(jié)

腰背肌力EMG驅(qū)動(dòng)估算方法是一個(gè)較為復(fù)雜的體系，從腰背肌群解剖模型的建立，運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、生物學(xué)數(shù)據(jù)測量，到腰背肌力計(jì)算，再至腰部肌力最優(yōu)化修正，最后效果檢驗(yàn)，需精準(zhǔn)把握其各個(gè)細(xì)節(jié)，以獲得盡可能準(zhǔn)確的估算值。在腰背肌群解剖學(xué)模型構(gòu)建中，需著重關(guān)注各腰背肌力拉力線合理假定及其解剖學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確獲取。EMG測量與處理、最大肌肉應(yīng)力獲取是腰背肌力計(jì)算的重要環(huán)節(jié)。此外在腰背肌力最優(yōu)化修正時(shí)需重點(diǎn)注意各腰背肌力臂的計(jì)算，以及用逆向動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算外在腰椎力矩。該方法主要應(yīng)用于腰椎穩(wěn)定性與腰椎載荷相關(guān)研究中，今后可探索針對(duì)這兩者的腰背肌協(xié)調(diào)活動(dòng)控制機(jī)理，可更廣泛的應(yīng)用于體育科學(xué)領(lǐng)域。