四岁幼儿平衡木行走中非优势侧下肢关节承载增强及其对神经肌肉发育的评估意义

本研究通过对比4岁儿童平地行走（OGW）与平衡木行走（BBW）时的下肢关节反应力，揭示了其在动态平衡任务中采用非对称性关节负载调节策略。研究发现非优势侧髋关节在步态周期多个阶段内侧反应力显著升高，膝关节外侧力在摆动相降低且内外侧转换延缓。这一现象表明，关节负载不对称性可作为评估学龄前儿童神经肌肉发育及步态控制策略的敏感指标，为幼儿运动功能发展与早期障碍筛查提供重要生物力学依据。

引言

平衡能力是儿童早期运动技能发展的核心组成部分，对维持步态稳定性、提高运动协调性和预防损伤具有至关重要的作用。随着神经肌肉系统的成熟，儿童的平衡控制能力持续发展和优化。在学龄前阶段，儿童平衡控制的发展速度显著，但行走中的动态平衡控制表现出较大变异性。在评估动态平衡的功能性任务中，窄平衡木行走增加了行走难度，对身体稳定性控制提出更高要求。该任务不仅适用于评估平衡功能，还可用于评估平衡训练效果，并已应用于筛查儿童运动技能发育和早期识别障碍。四岁被认为是从步态稳定性初步建立到精细调节的关键过渡期，此时儿童神经肌肉系统仍在发育，在面临平衡木行走等挑战性任务时可能表现出较大的步态变异性和调节变化。

方法

研究设计与参与者

本研究为观察性研究，通过G*Power软件（v3.1.9.7）进行样本量计算，基于先验效能分析假设两个依赖均值间的差异（α＝0.05，1-β＝0.80，效应量dz＝0.81）。十四名4岁健康儿童参与本研究，所有参与者均无平衡木行走经验。根据踢球腿确定优势腿，均为右腿。纳入标准为无神经功能障碍、肌肉骨骼疾病和心理障碍。测量前获得家长书面同意，研究获得浙江师范大学伦理委员会批准（ZSRT2024203），所有测量均遵循赫尔辛基宣言进行。

实验方案

实验设置包括装置配置、校准空间和数据采集工作流程。使用长3米、宽0.1米、高0.3米的标准平衡木作为平衡任务装置，平衡木两端配备0.2×0.3米的升高平台（高0.3米）作为安全起始和结束区域。地面上使用亮黄色胶带标记一条长3米、宽0.1米的直线作为行走路径。两个iOS设备（iPhone 13 Pro Max和iPhone XR）集成OpenCap移动应用程序（版本1.6）安装在可调节三脚架上进行运动捕捉，已证实足以分析行走等运动。两个iPhone摄像头位于行走方向约±30°的位置，距离运动空间最小3米，以减少遮挡并确保覆盖整个空间。这些摄像头以60赫兹帧率和720×1,280像素分辨率记录行走视频。

数据采集前进行摄像头校准和运动空间校准。首先，OpenCap自动加载与两个摄像头硬件单元的主点、焦距和失真参数相关的算法内在参数进行摄像头校准。随后，将打印在A4纸上并贴在垂直于地面的有机玻璃上的210×175毫米棋盘格（5行6列，35毫米方格尺寸）放置在两个摄像头的视野中进行运动空间校准。然后，两个摄像头捕捉参与者的静止中立姿势。OpenCap基于从中立姿势得出的解剖标记位置，使用OpenSim的Scale工具将肌肉骨骼模型缩放到儿童的人体测量学数据。

数据采集前，儿童进行熟悉块练习，包括OGW和BBW试验，以熟悉实验环境。数据采集包括两个模块：儿童沿地面上亮黄色线正常行走3米，以及从起点稳定行走至平衡木末端。两个模块均要求儿童以舒适的速度完成三次试验，采用脚跟到脚趾的行走模式，并保持手臂自然伸展在身体两侧。训练有素的研究人员全程密切监控儿童以防止潜在跌倒。如果任何儿童偏离标记线或在平衡木上任何点显示显著偏离，则重复测量以确保数据的准确性和完整性。实验在宽敞的室内空间进行，具有稳定的自然光照，以最小化外部干扰。所有儿童均要求穿着紧身运动服以确保数据收集准确性，以及防滑运动鞋以确保安全。

数据处理

行走捕捉完成后，录制的视频自动上传至OpenCap的Web应用程序。内置算法代码自动计算三维标记位置和关节运动学，并以OpenSim文件格式输出。随后，基于关节运动学的肌肉驱动模拟，使用OpenCap处理库估算动力学参数。OpenCap的运动学和动力学估算准确性已针对金标准标记式运动捕捉和测力台进行验证。处理环境包括Python（版本3.8）和OpenSim（版本4.5）。

为最小化随机变异性影响，选择三个连续步态周期。对于连续时间序列变量的比较，髋、膝和踝关节的反应力标准化为步态周期的百分比（101个数据点，范围0%至100%）。步态周期定义为给定脚脚跟 strike 与其后续脚跟 strike 之间的间隔。数据使用截止频率6赫兹的二阶低通巴特沃斯滤波器进行滤波。标准化和滤波过程均使用Python进行。

统计分析

本研究分析整个步态周期中关节反应力的一维时间序列。使用Python（v3.8）软件进行数据统计检验。代码利用基于随机场理论的Pataky开发的一维统计参数映射（spm1d）。脚本内进行Shapiro-Wilk检验以评估数据分布的正态性。使用非参数方法（SnPM）的配对t检验分析和比较OGW和BBW之间的髋、膝和踝关节反应力。数据可视化和绘图使用Origin软件（v 2024）进行。统计显著性设定为0.05。

结果

在BBW条件下，非优势髋关节在步态周期的4.82–28.72%（加载反应到中期支撑，p＝0.001）、68.99–74.11%（初始摆动到中期摆动，p＝0.031）和98.91–100.00%（终末摆动期，p＝0.039）表现出更大的内侧反应力，而优势髋关节未显示显著差异。与优势膝相比，非优势膝关节在步态周期70.34–81.81%的初始摆动到中期摆动的过渡阶段表现出较低的外侧反应力（p＝0.018）。在OGW条件下，非优势膝关节在步态周期70.34%处表现出负反应力，表明反应力作用于外侧。然而，在BBW条件下，膝反应力在步态周期79%处表现出从内侧到外侧的较慢转换。在两种条件下，优势膝关节或踝关节均未观察到反应力的显著差异。

讨论

通过比较BBW和OGW条件下额状面的关节反应力，我们发现4岁儿童在动态平衡控制任务中表现出单侧负载转移策略。儿童通过增加非优势下肢（尤其是髋和膝关节）内外侧方向的反作用力来增强对 lateral body stability 的控制，从而维持平衡。此类调整主要反映在单侧下肢负载的调节而非双侧负载的对称调节，表明了一种以单侧调节和对侧协调为特征的补偿性步态模式。

BBW是一种需要高度精确平衡控制和调节的功能性任务，常用于评估运动协调性和稳定性。与正常行走相比，不稳定步态往往导致躯干 lateral sway，这与年龄呈负相关。这种不稳定性在需要平衡调整的任务中尤为明显。先前研究表明，通过髋、膝和踝关节及其肌肉协同作用的协调行动，可以在不同运动模式中维持步态稳定性。

作为躯干与下肢之间的主要连接，髋关节用于产生和传递力量。当行走条件改变时，步态模式随之改变。先前研究表明，较宽的步幅有助于改善 lateral stability，而较窄的步幅增加髋关节反应力。在本研究中，非优势髋关节在BBW条件下的早期和晚期摆动相表现出更大的反应力，这与先前研究结果一致。非优势膝的反应力在OGW下为负，表明膝关节受到内侧方向的力，而在BBW下左膝的反应力逐渐从外侧过渡到内侧，表现出较慢的转换模式。先前研究发现，步态模式的变化导致关节负载模式的转变，例如从支撑相到摆动相的较慢过渡和双支撑时间的显著增加，从而减少关节压力并避免快速负载冲击以防止关节损伤。膝关节主要负责吸收冲击和传递地面反作用力，在动态平衡任务的整体平衡调整和步态微调中发挥关键作用。与髋和踝关节相比，膝关节在额状面的运动范围较小，因此对平衡的直接控制有限，其主要功能是协助维持姿势控制。步态调整可以减少膝内翻力矩和内侧反应力，但对整体反应力影响很小。

优势髋和膝关节的反应力在OGW和BBW条件下没有显著变化。通常，健康学龄前儿童在正常行走时表现出对称步态模式。然而，行走条件的改变导致单侧肢体负载增加，造成显著的步态不对称。随后，这种不对称影响髋关节反应力的对称性。步态模式的变化可能导致髋关节负载峰值和出现时间的变异性，从而形成连续、非结构化的自适应模式而非突然变化。这种分散的负载调节策略可能反映学龄前儿童在较高难度功能性任务中尚未建立成熟的运动控制模式，表现为优势髋关节在协同调节中承担更高的功能角色。研究表明，优势腿表现出更明显的调节功能，而非优势腿更多提供支撑辅助， resulting in a unilateral regulation and contralateral assistance gait pattern。

关节负载受关节运动学、肌肉激活和神经肌肉控制影响。关节负载越大，步态变异性越高。关节负载的变异似乎由步态变异性引起，但从控制理论角度，这种变异性实际上反映了运动冗余的存在。当尝试执行运动任务时，儿童通过各种肌肉组合和运动模式进行调节以实现相同的运动目标。通过增加拮抗肌活动，改善动态膝关节刚度，从而克服膝关节不稳定性。通常，踝控制策略是成人对抗环境干扰的主要机制。然而，学龄前儿童表现出较弱的踝背屈和内翻-外翻调节能力，以及肌肉激活模式的差异。当面临不稳定条件时，儿童的踝关节无法像成人那样有效进行微调。适度的运动变异性不是控制失败的标志，而是反映了儿童对环境条件的持续调整和运动模式优化。然而，长期不规则的 lower limbs 负载分布可能导致关节过度压力，损害其吸收冲击的能力，最终导致关节损伤，如骨关节炎和骨折。

平衡木行走的核心挑战在于在狭窄支撑面上维持 lateral balance。Lateral stability 对步态中的动态平衡调节至关重要，而髋、膝和踝关节及相关肌肉的协调显著影响额状面重心的调整。成人对抗干扰条件的主要机制是踝控制策略，而本研究发现4岁儿童似乎更倾向于使用髋控制策略进行平衡木行走。这对理解学龄前儿童整体平衡控制机制和损伤预防具有重要意义。

局限性

通过关节反应力评估功能性步态任务能够更全面地从生物力学角度理解学龄前儿童的平衡控制策略。作为功能性训练工具，平衡木行走强调连续性和防止过度 lateral sway。这有助于为步态功能受损的学龄前儿童提供针对性康复训练。认知和注意力可能影响平衡表现，本研究未考虑这一点，是一个值得关注的局限性。儿童与平衡相关的认知过程因任务而异，受感知特征和任务特异性影响。当儿童专注于任务完成时，这些过程改变步态模式，从而增加步态变异性。平衡能力较强的儿童往往更有效地执行任务。然而，这种关系需要在学龄前儿童中进一步确认。整合脑电图或眼动追踪技术可以深入分析注意力分配与步态变异性之间联系的神经机制。这可能为研究学龄前儿童功能性步态任务控制策略提供更全面的神经中枢视角。

结论

4岁儿童的平衡木行走显著增加了非优势侧下肢关节的负载调节需求，运动控制策略表现出明显的不对称性。在功能性任务中，学龄前儿童需要更大的关节负载调节能力以维持身体稳定性。该年龄阶段儿童的神经肌肉控制系统仍在发育，但已经获得一定程度的适应性。