非特异性下腰痛是45岁以下人群中最常见的疾病[1]，给卫生系统带来昂贵的医疗和社会经济负担[2]。躯干反复进行屈伸运动或长时间维持某种固定姿势会加剧累积性伤害，从而引发下腰痛等肌肉骨骼系统疾病[3,4,5]。肥胖也是全球普遍存在的健康问题，是下腰痛的危险因素之一[6]。腹型肥胖者腹肌力量差，导致躯干屈肌和伸肌力量不平衡，其腰背部肌群需要承受比普通人更大的负荷来维持身体的力学平衡，因此更易发生劳损。而且腹部脂肪累积使脊柱代偿性过度前凸，以此来抵消施加于腰椎的屈曲力矩，导致脊柱负荷增加，成为椎间盘损伤的前兆[7,8]。

虽然目前国内外许多学者研发了多种腰痛防护带，以及人体的外骨骼架等躯干外部辅具，但尚无一种腰带因得到广泛认可而被大量用于腹型肥胖人群[9,10,11]。而且前人研究中所使用的腰带大部分为腹侧较窄而背侧较宽，较窄的腹侧支撑不仅无法充分支撑腹型肥胖者较弱的腹肌，长期佩戴还会严重挤压其腹腔脏器。因此，此次研究以市场购买的腰带为原料，为了增大腹腔内压和腹部刚度，同时避免腹腔内容物受到严重挤压，作者将腰带原有的较宽的背侧佩戴在受试者的腹部，为了适应肌电信号的采集，将背侧裁剪为“口”型挖口；考虑到运动白贴与皮肤的贴合度更高，无弹性，且具有一定的固定支撑效果[12]，因此也以此为材料制作成非弹性腹带。通过对腹型肥胖者佩戴弹性和非弹性腹部支撑，旨在探究不同类型腹部支撑能否降低腰背部肌群激活程度，为预防下腰痛提供理论依据和可行方法，最终将腹部支撑推广到人们的日常生活中。

1、对象和方法

1.1 设计

前瞻性研究，采用单因素重复测量方差分析不同类型腹部支撑对表面肌电信号和躯干运动学的影响。

1.2 时间及地点

于2019年12月至2020年9月在上海体育学院运动健身科技省部共建教育部重点实验室完成。

1.3 对象

招募18名无腰痛病史的成年男性腹型肥胖受试者，平均年龄(40.61±9.80)岁，平均身高(171.44±4.34)cm，平均体质量(73.48±3.83)kg，平均腰围(91.06±2.31)cm。试验开始前，参与者填写基本信息并签署知情同意书。试验方案经上海体育学院伦理委员会批准，批号：102772020RT091。

纳入标准：腰围≥90cm；年龄18-60岁，愿意配合者；生命体征稳定；知情且同意参加试验。

排除标准：测试前3个月有背部疼痛；骨盆或脊柱手术史、脊柱侧凸；神经系统疾病；高血压；皮肤过敏或任何干扰正常测试的状况。

1.4 材料

腹部支撑类型介绍见表1。

实验仪器：美国Noraxon表面肌电测试系统，型号：MyoResearch33.14.28，采样频率2000Hz，采集腰背部肌群均方根振幅；英国Vicon运动捕捉系统，型号：T40，采样频率200Hz，采集躯干运动学数据；中国哑铃片，质量15kg，厚度4.2cm，直径39cm，用于负重。

1.5 方法

1.5.1 腹部支撑的设计基础

作者以市场买到的腰带为基础，将腰带原有的腹侧裁剪为2个3cm宽的“口”型挖口，将其佩戴在受试者的背部，将腰带原有的背侧支撑佩戴在腹部，命名为“弹性腹带”。基于以上基础，又选取无弹性的运动白贴，以此来探究非弹性和弹性腹部支撑对躯干屈曲角度峰值及腰背部肌群表面肌电信号的影响。以上的设计基于以下理论：

将腰带的背侧佩戴在腹侧的基础：躯干和骨盆区域可视为一个圆柱体，横膈膜在顶端，骨盆底肌在下方，腹肌包裹在前侧，背肌加强后侧[13]，而且下腰痛不仅与脊柱、椎间盘的受力情况有关，还与腹部负荷、腹内压有关，由于腹型肥胖人群腹肌力量弱，因此无法产生足够的腹内压来稳定脊柱，此时腰背部肌群代偿收缩，久而久之形成累积性劳损，易患下腰痛。针对此类人群，若能找到适当的腹部支撑，便可以增加腹部刚度，在躯干重新建立一个近似圆柱体的压力空间，增大腹腔内压，预防下腰痛的发生。腰带腹侧支撑面积较窄，这种类型的腰带虽然可以增加腹内压，但如果长期挤压腹腔内容物，对腹部脏器损害较大。所以如果增大腹侧的支撑面积，从前向后将腹部支撑侧拉紧，将压力均匀地施加在腹侧，不仅能更充分地增大腹内压，而且对腹部脏器损伤较小，因此本研究将腰带较宽的背侧佩戴在受试者的腹侧。

“口”型挖口的设计基础：腰带的背部支撑面积较大，会覆盖下背部肌群的肌电电极，这会改变电极与肌纤维的相对方向，改变电极与肌肉之间的压力，因此可能影响肌纤维信号输出，研究者无法确定发生变化的肌电信号是佩戴腰带引起的还是腰带对电极施加压力引起[14]。也有学者在弹性装置上制作适合电极大小的切口，以此来消除压力对信号的影响[15]，但作者认为此方法并不适合此次研究，因为研究使用双极表面电极，而且采集躯干两侧的肌电信号，因此会出现背部支撑大部分为切口造成的空隙，而且切口之间连接的部分可能也会使电极移动，影响信号采集，因此作者将弹性腹带的背侧设计为“口”型挖口。

1.5.2 佩戴方法

腹部支撑底部均平齐髂前上棘，见图1。

由于运动白贴无弹性，因此在自然拉力下进行[16]，见图2。

1.5.3 试验准备

登记受试者基本信息，要求每名受试者先更换统一的短裤和试验鞋，而后由一名试验人员指导受试者热身5min，并讲解动作要求及试验过程中的注意事项，随后带领受试者熟悉动作。试验人员在受试者的躯干、骨盆、下肢等骨性标志上粘贴红外反光球，共15个。

采用一次性Ag-Cl双电极，电极位置始终由同一位经验丰富的研究人员进行标记，并根据国际标准进行定位。选取的腰背部肌肉分别为躯干两侧多裂肌、腰部竖脊肌、胸部竖脊肌[17]。放置电极前，首先刮除目标区域皮肤汗毛，使用体积分数75%医用乙醇擦拭皮肤，并使用医用胶布固定电极，防止运动时脱落。随后测试肌肉的最大自主等长收缩信号，同步采集表面肌电信号，以用于肌电标准化处理[18]。

1.5.4 试验方案

将3种支撑条件(无支撑、弹性腹带、非弹性-运动白贴)与负重条件(屈伸-非负重、屈伸-负重)组成6种测试条件。在测试前，每位受试者以随机抽签的方式决定测试条件的顺序，而后受试者依次完成6种测试条件的采集。重复测量3次，每次休息2min，不同动作之间休息5min。

1.5.5 动作要求

屈伸-非负重：受试者直立，双足分开与肩同宽，双手交叉抱于胸前，膝盖伸直。从直立位开始，将节拍器(手机APP)的速度设定为60拍/min(4/4拍)，要求受试者4s从直立位将躯干屈曲到最大角度，随后在4s内匀速地返回直立位。测试前，实验人员指导受试者练习动作，直至受试者能掌握动作并控制屈伸速度。

屈伸-负重：在屈伸-非负重的动作基础上搬15kg的哑铃片。将哑铃片放在一个高度可调节的凳子上，确保凳子高度加哑铃片的厚度(4.2cm)约与地面到受试者的膝关节中心点距离相等。

1.6 主要观察指标

利用Vicon系统来同步三维运动学和表面肌电信号。对采集的运动学数据进行滤波分析和阶段划分，运动学的截止频率为6Hz。采用美国C-Motion公司研发的V3D三维步态分析软件(版本：3.21.0)建立人体3D模型，分别建立躯干、骨盆和大腿等环节，根据躯干在空间坐标系中的绝对角度来确定躯干达到屈曲角度峰值的时刻，以此划分屈伸运动的阶段。躯干从直立位达到屈曲角度峰值的阶段定义为躯干的屈曲阶段，从屈曲峰值角度到直立位的阶段定义为伸展阶段。

利用MATLAB软件对原始肌电信号进行10-500Hz的带通滤波处理[19]，然后进行全波整流。选取均方根振幅值计算，均方根振幅值代表肌肉激活程度，其数值越大表明肌肉激活越多。将双侧肌肉的均方根振幅取平均值，以代表双侧肌肉激活[20]。将肌电信号标准化为最大自主等长收缩的百分比。具体参数如下：(1)均方根振幅值[21]=，其中，i为表面肌电信号开始时间，N为表面肌电信号结束时间。(2)躯干屈曲角度峰值：为躯干在空间坐标系中的绝对角度。

1.7 统计学分析

所有数据采用SPSS25.0软件进行统计分析。采用单因素重复测量方差分析不同类型的腹部支撑对表面肌电信号和躯干运动学差异。采用Bonferroni事后检验来确定个体的差异。所有数据以x-±s的形式表示，设P<0.05为差异有显著性意义。

2、结果

2.1 参与者数量分析

共纳入男性腹型肥胖受试者18名，受试者无脱落，将全部测试结果纳入分析。

2.2 受试者表面肌电信号数据

2.2.1 支撑条件对多裂肌均方根振幅值的影响

在屈曲阶段，非负重时，不同支撑条件对多裂肌均方根振幅值的影响无显著差异(P>0.05)；负重时，与无支撑相比，运动白贴支撑时的多裂肌均方根振幅值显著增加(P<0.05)，见表2。在伸展阶段，非负重时，与无支撑和弹性腹带支撑相比，运动白贴支撑时多裂肌均方根振幅值显著降低(P<0.05)；负重时，与无支撑和运动白贴支撑相比，弹性腹带支撑时多裂肌均方根振幅值显著降低(P<0.05)，见表2。

2.2.2 支撑条件对腰部竖脊肌均方根振幅值的影响

在屈曲阶段，非负重时，与运动白贴相比，弹性腹带支撑时腰部竖脊肌均方根振幅值显著降低(P<0.05)；负重时，不同支撑条件对腰部竖脊肌均方根振幅值的影响无显著差异(P>0.05)，见表3。

在伸展阶段，无论是负重还是非负重下，与无支撑和运动白贴支撑相比，弹性腹带支撑时腰部竖脊肌均方根振幅值显著降低(P<0.05)，见表3。

2.2.3 支撑条件对胸部竖脊肌均方根振幅值的影响

在屈曲阶段，非负重时，与无支撑条件相比，弹性腹带支撑时胸部竖脊肌均方根振幅值显著降低(P<0.05)；负重时，弹性腹带和运动白贴支撑时胸部竖脊肌均方根振幅值显著降低(P<0.05)，见表4。在伸展阶段，非负重时，不同支撑条件对胸部竖脊肌均方根振幅值的影响有显著差异(P<0.05)，运动白贴支撑与弹性腹带支撑时胸部竖脊肌均方根振幅值的影响有显著差异(P>0.05)；负重时，与无支撑相比，运动白贴和弹性腹带支撑时胸部竖脊肌均方根振幅值显著降低(P<0.05)，弹性腹带支撑时胸部竖脊肌均方根振幅值低于运动白贴支撑时(P<0.05)，见表4。

2.3 受试者躯干运动学数据

无论是负重还是非负重下，与无支撑条件相比，运动白贴支撑时躯干屈曲角度峰值显著减小(P<0.05)；与弹性腹带相比，运动白贴支撑时躯干屈曲角度峰值显著减小(P<0.05)，见表5。因此，不同类型支撑对躯干屈曲角度峰值的影响表现为无支撑>弹性腹带支撑>运动白贴支撑。

2.4 不良事件及材料宿主反应

所有参与者试验过程中未发生任何不良事件。

3、讨论

研究从腹部支撑的生物力学效应出发，通过增加腰带的腹部支撑面积来增大腹腔内压，期望在不影响躯干正常活动范围的前提下降低腰背部肌群激活程度，从而为预防和缓解下腰痛提供理论依据。研究表明，腰背部肌群激活程度减小时其产生的力矩也减小，从而降低脊柱的压力负荷，预防下腰痛[22]。目前研究普遍认为腹腔内压增加是腹带缓解腰背部肌群激活程度的机制，尽管此次研究没有直接测量腹腔内压，但作者的发现与普遍认为的理论机制一致。

在躯干屈伸运动时，作者观察到弹性腹带降低了腰背部肌群的激活程度，这在胸部竖脊中最明显，因为躯干屈伸任务的所有阶段其激活程度均降低。然而，LAVENDER等[23]发现他们设计的腰带增加了竖脊肌激活程度。结果不一致的原因，一方面可能是此次研究设计的腰带为腹侧窄而背侧宽，腹侧没有充分支撑；另一方面是受试者类型的不同，此次研究中腹型肥胖者腹肌力量弱，不足以提供躯干运动时所需的腹内压，从而导致腰背部肌群代偿收缩。如果通过增加肌肉激活来提供躯干屈伸时所需的腹腔内压，会使肌肉疲劳，导致肌肉能效暂时下降，久而久之易造成肌肉劳损，而且脊柱旁肌群激活增加会压迫椎间盘[24]。同样地，此次研究发现非弹性-运动白贴也降低了多裂肌和胸部竖脊肌激活程度，但腰部竖脊肌激活程度未受其影响。

GRANATA等[25]比较了弹性和非弹性腰带的作用，发现只有弹性腰带降低了竖脊肌的激活程度，而非弹性腰带未影响肌肉激活，可能由于他们使用皮革类的非弹性腰带，与躯干的适应性较差，因此无法充分支撑固定躯干[26]，而此次研究使用运动白贴，在固定支撑的基础上也与人体贴合度良好。此外，作者在不同运动阶段发现了不同的结果，在躯干屈曲阶段时，与无支撑相比，佩戴腹部支撑时多裂肌激活程度有增大的趋势，但在伸展阶段时显著降低。屈曲和伸展阶段出现结果不一致的原因可能是躯干前屈时腹部肌群活动较强，背侧肌群活动较弱，后伸时背侧腰椎旁肌激活最多，而且躯干后伸时腰部肌肉的激活程度明显大于躯干前屈时，表明向心运动时腰部肌肉激活程度大于离心运动时[27]。

另一方面，此次研究结果发现，运动白贴支撑时的躯干屈曲角度峰值减少，这可能导致惯性负荷和躯干伸展力矩降低，因此减少了腰背部肌群激活程度[28]。运动白贴支撑限制了躯干的正常活动范围，这与前人的研究结果一致[29,30,31,32,33,34]。以往的研究在弹性腰带的背侧和腹侧加入钢板，导致腰椎活动明显受限，改变了人体正常的腰椎-骨盆节律。虽然此次研究在腹带中未插入钢板，但可能由于运动白贴无弹性，导致被覆盖的部位无法随意运动，也限制了躯干正常活动范围，因此运动白贴不适合躯干活动范围较大的职业。因为躯干屈曲角度较大时抬起重物的距离延长，伸展躯干的速度加快，导致地面反作用力的垂直分量增大，致使下背部损伤风险增加[35]。虽然佩戴腹部支撑后没有明显限制躯干活动范围，但长期应用即使是很小的效果也有可能缓解腰椎负荷，预防下腰痛。

当然研究也存在一定的局限，基于设计基础部分提到的理论，对未改造的腰带没有进行对照试验，而且参与者人群也不包括下腰痛患者；未涉及步行、坐-站和躯干侧屈等人体的日常动作模式，只是在生物力学实验室模拟职工的工作环境，而且未探究长时间佩戴腹部支撑的效应，因此还需要大样本、长期观察，以便更好地指导临床。未来的研究应以更广泛的数据库为基础，逐步完善以上的局限。不过作者设计的腹部支撑已初步达到了预想结果，随着关于腰痛外部辅助实验的不断深入，这种腹部支撑装置可能成为腹肌力量较弱人群预防下腰痛的良好选择。

参考文献:

[5]杨立杰,欧阳林,陈鼎伟,等.下腰疼痛的生物力学分析[J].中国组织工程研究,2020,24(33):5267-5271.

[27]陈岚岚,韩晓鸣,胡飞锋,等.不同方式躯千运动时腰部肌肉表面肌电信号特征研究[J].杭州师范大学学报(自然科学版):2019,18(5).555-560.

文章来源：尚琬迪,王兴泽,危小焰.不同类型腹部支撑对腹型肥胖者腰背部肌群表面肌电信号的影响[J].中国组织工程研究,2022,26(11):1656-1661.